内容简介
高落速飞行器的红外成像系统在高速运动过程中，周围的空气会受到强烈扰
动，扰动区域的空气组分、压力、密度等物理参数会发生改变。扰动流场会产生
复杂的起动热效应，导致红外窗口附近出现高温区域，容易使获取的目标图像发
生偏移、抖动、模糊等。采用数值仿真手段是研究高落速飞行器气动热环境的方
法之一，通过数值仿真手段能够直观地观察不同气动外形弹头在不同飞行状态点
下的温度分布，从而为气动热对红外成像的影响分析提供理论依据。
目录
第1章绪论1
1.1气动热效应的研究价值1
1.2气动热效应的研究概况1
1.2.1国外研究概况1
1.2.2国内研究概况2
第2章计算流体力学基础理论4
2.1流动模型4
2.1.1有限控制体4
2.1.2无穷小流体微团5
2.2物质导数与速度散度6
2.3连续性方程10
2.3.1空间位置固定的有限控制体模型10
2.3.2随流体运动的有限控制体模型12
2.3.3空间位置固定的无穷小微团模型13
2.3.4随流体运动的无穷小微团模型14
2.3.5不同形式方程的转化15
2.4动量方程17
2.5能量方程22
2.6流体力学控制方程的总结28
2.6.1粘性流动的纳维-斯托克斯方程28
2.6.2无粘流动的欧拉方程29
2.7物理边界条件30
2.8适合CFD使用的控制方程32
第3章高落速飞行器气动热理论分析40
3.1边界层的概念40
3.1.1边界层的定义40
3.1.2边界层厚度的定义42
3.2高速流动的热边界层43
3.2.1高速边界层的传热43
3.2.2绝热压缩的温升与驻点温度45
3.3高落速飞行器的气动热环境48
3.3.1高速边界层传热分析48
3.3.2高落速飞行器热环境69
第4章高落速飞行器气动热数值仿真83
4.1高落速条件的特征分析83
4.1.1流场参数83
4.1.2流场运动状态84
4.1.3流动基本方程84
4.1.4流动稳定性85
4.2典型气动外形弹头的气动热仿真86
4.2.1控制方程及数值求解86
4.2.2圆柱体绕流气动热计算90
4.2.3球面钝锥体气动热计算94
4.2.4其他气动外形弹头气动热计算99
4.3高落速条件下红外成像弹头的气动热仿真100
4.3.1控制方程及数值求解100
4.3.2网格无关性研究124
4.3.3红外成像弹头的气动热计算141
第5章高落速条件下气动热对红外成像的影响154
5.1红外成像制导基础154
5.2红外成像质量的影响因素155
5.2.1静态影响因素155
5.2.2动态影响因素158
5.3气动热环境对红外成像系统的影响162
5.3.1红外光学系统探测信噪比推导162
5.3.2信噪比结果分析164
5.3.3提升气动热环境下红外成像系统性能的方法167
5.4红外成像系统热考核试验方法169
5.4.1风洞热考核试验方法169
5.4.2辐射加热器热考核试验方法169
5.4.3高热流密度扫描电子束热考核方法171
5.4.4红外成像系统热考核试验相关问题173
参考文献175
前言/序言
在人类探索未知与极限的征途中，航空航天技术始终扮演着至关重要的角色。随着飞行器设计日益复杂，飞行速度不断攀升，超声速飞行已成为现代航空航天领域的重要特征之一。然而，高落速条件下产生的气动热效应及其对飞行器红外成像的影响，则成为制约高落速飞行器设计与红外系统应用的关键问题。
本书的核心在于探讨高落速条件下超声速飞行时产生的气动热现象，以及这些现象如何通过复杂的物理机制影响红外系统的成像性能。气动热仿真作为预测和分析这些现象的重要手段，其准确性、效率与可靠性直接关系到高落速飞行器及其红外系统设计的成败。因此，书中不仅详细阐述了气动热仿真的基本原理、方法和技术，还结合计算机仿真软件和算法，展示了如何高效、准确地模拟高落速条件下的气动热环境。在此基础上，研究了气动热环境对导引头红外成像系统及红外成像质量的影响。
全书共分为五章。第1章由陈栋编写，第2章由陈栋、陈凯编写，第3章由张晓龙、陈凯编写，第4章由杨光、孟奇编写，第5章由马丽芳编写。本书由马丽芳进行最后统稿工作。
第1章阐述了红外成像制导技术对于制导弹药的重要意义，并简要介绍了超声速飞行产生的气动热辐射对于红外成像系统的影响及研究方法；第2章介绍了计算流体力学基础知识，包括流动模型、物质导数与速度散度、控制方程组以及物理边界条件等相关知识；第3章阐述了高速边界层的传热机理与理论分析，以及高落速条件下飞行器的气动热环境；第4章主要结合1~3章，通过实例分析详细介绍了高落速飞行器气动热的数值计算方法，并对结果进行了讨论；第5章从红外成像系统成像质量及红外光学系统探测信噪比等方面，分析了高落速条件下气动热对红外成像的影响，并提出了一种简单的红外成像系统热考核试验方法。
在本书编写过程中，我们广泛参考了国内外在该领域的研究成果与最新进展，力求为读者呈现一个全面、前沿的知识体系。通过实例分析、案例研究等形式，将理论与实践紧密结合，使读者能够在理解理论的基础上，更好地掌握解决实际问题的能力。我们希望本书能够激发更多青年学者对气动热与红外成像技术的兴趣与热情，共同见证并参与这一领域更加辉煌的未来。
作者
2024年11月于合肥
