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成像制导飞行器在大气层内高速飞行时,光学头罩与来流之间相互作用形成复杂流场,造成成像系统接收的目标光线产生严重的偏移、抖动、模糊及强度衰减等气动光学效应,极大影响跟瞄精度;光学头罩类型一般有平窗、凹窗、气膜冷却窗口等。在高速来流作用下,光学窗口表面气动热环境恶劣,一般采用超声速气膜冷却方法对窗口表面进行冷却,即在窗口前段构造后台阶沿窗口切向向下游喷射低温射流形成气膜覆盖窗口表面,起到冷却作用。引入后台阶结构之后,光学头罩流场变得更为复杂,因此为提高成像系统的气动光学性能,需要对带后台阶的光学头罩流动机理及其引起的气动光学效应开展研究。本文以基于纳米示踪的平面激光散射(Nano-tracer Planar Laser Scattering,NPLS)技术及基于背景导向纹影的波前传感技术(Background Oriented Schlieren based Wavefront Sensing,BOS-WS)为主要试验手段,结合表面压力测量和纹影测量,分别对有喷流带后台阶的三维光学头罩缩比模型、有喷流二维后台阶模型、无喷流不同台阶高度及不同来流控制条件的二维后台阶模型的超声速流动机理开展了一系列试验研究,并测量了其气动光学效应。首先对开展试验所用的风洞设备及其流场参数进行了详细介绍,概括总结了流场测试所用的NPLS技术,分析验证了纳米示踪粒子的跟随性,对BOS技术的国内外进展作了简要回顾并重点介绍了BOS-WS技术的原理及其波前重构过程。针对带喷流的超声速三维光学头罩缩比模型,分别在马赫数3.8、3.4、3.0的来流条件下开展了流场精细结构NPLS测量,比较了不同马赫数对流场瞬态结构及时间平均结构的影响,发现马赫数越低,喷流与主流的混合层转捩越快,无喷流状态的再附更靠近上游且再附激波角度更大;基于BOS-WS技术,测量了对马赫数3.4及3.0条件下波长532nm光波穿过头罩窗口上方流场的光线偏移及其光程差(Optical path difference,OPD)分布,比较了马赫数及喷流结构对OPD的影响,并给出了微秒量级时间内流动结构变化对OPD的抖动影响,对比发现:同样状态下随着马赫数增大OPD均方根值(OPDrms)减小,有喷流工作时OPDrms较小,马赫数增大,流场结构演化引起的光学抖动效应增大。采用NPLS技术,对马赫数3.4来流中对有无60目砂纸粗糙带扰动、带切向超声速喷流的二维后台阶模型进行了试验研究,揭示了不同来流条件下的流动精细结构,研究了湍流结构的时间演化特性,给出了湍流运动变形的时间特征尺度及其形成周期。基于NPLS结果,对有无粗糙带扰动时无喷流后台阶下游流场不同尺度结构的初始形成点(IFPs)分布范围进行了统计,揭示了超声速后台阶流场大尺度结构的分布特性。有粗糙带影响时,后台阶下游流场结构迅速增长,不同高度结构的分布更为集中,范围收窄。采用计盒维数法给出了沿流向的分形维数分布,并分析了其分形特征。无喷流二维后台阶流场整体分形维数高于有喷流情况,有粗糙带扰动流场分形维数则高于无扰动情况;分形维数沿流向呈逐渐增大趋势,且无粗糙带情况的无喷流后台阶下游重新发展边界层分形维数要小于有粗糙带情况,但二者均在下游湍流充分发展的地方趋于同一值;有粗糙带扰动时,有喷流后台阶流动转捩较快,分形维数在很短距离内增大,且拐点较无粗糙带扰动情况出现较早。对后台阶流场湍流间歇因子进行了统计分析,通过间歇因子分布得出湍流界面高度分布规律及不同位置处的湍流破碎程度。针对不同的激光光强分布,对流场图像进行了密度校准并给出密度-灰度关系式,然后基于NPLS-WS技术,获得了不同时刻x=15h-35h流场区域的OPD分布。无喷流时该区域内OPD曲线逐渐降低,有喷流时该区域内OPD曲线向下游逐渐增大;有粗糙带扰动时OPD整体较无粗糙带扰动情况较小;5μs时间内OPD曲线表现为一定程度的向下游平移特征。改变台阶高度分别为3mm、5mm、10mm,在马赫数3.4来流中,对台阶上游流动分为无控制、36目砂纸粗糙带扰动、微涡流发生器(Micro-vortex generator,MVG)扰动三种状态的二维后台阶流动开展了试验并测量了模型表面静压分布。基于NPLS技术获取大量瞬态流场结构的高时空分辨率图像,揭示了不同条件下的超声速后台阶流动精细结构,分析了流场结构时间演化规律及其平均结果。对后台阶流场的分形维数、湍流间歇因子及空间相关性进行了统计分析,由湍流间歇因子分布曲线对不同来流扰动条件及不同台阶高度后台阶流场不同位置处湍流界面高度及其湍流破碎程度进行了比较讨论。基于BOS-WS技术研究了超声速后台阶侧向流场对光线传输的影响,给出了光线偏移量及其OPD分布。最后对气动光学试验研究的相关相似准则进行了文献调研及初步探索,归纳了针对不同流场的气动光学相似准则研究成果,采用量纲分析方法给出了与OPD相关的无量纲参数,对已得到的气动光学测试结果作了总结比较。