共形整流罩技術研究

李慶波，張 健

(哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱150001)

1 引言

紅外制導導彈由于其精確打擊能力，在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中被普遍使用，擁有更高機動性導彈的一方勢必獲得明顯的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的紅外制導導彈，位于其前方的整流罩被設計為半球形［1］，在飛行過程中整流罩承受導彈大部分的空氣阻力，并且參與紅外系統(tǒng)成像，因為其球對稱的特點，在每個掃描視場中產(chǎn)生的像差十分接近，容易得到校正，但是這種球形設計對導彈機動性能的提高并沒有幫助。共形光學是指首先考慮空氣動力學性能，其次考慮光學成像性能的技術［2］，共形光學技術的應用將使導彈在速度、射程、機動性和隱身性方面得到大幅度的提升。但是由于共形整流罩自身非球對稱的特點，也使其在光學系統(tǒng)設計和加工檢測方面面臨更高的挑戰(zhàn)，所以近年來國內外越來越多的研究機構參與其中，推動該項技術不斷發(fā)展。圖1為裝有共形整流罩的導彈與傳統(tǒng)導彈的對比圖。

圖1 共形整流罩與傳統(tǒng)整流罩對比圖

2 共形光學的發(fā)展與最新進展

國外在共形光學研究最早始于20世紀70年代，但由于當時得不到相關的技術支持，所以進展緩慢，直到1996由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)開始支持相關大學和科研機構對共形光學的特點和應用前景進行初步研究，并作出了可行性分析，1998年DARPA又聯(lián)合美國導彈研究與發(fā)展中心共同啟動了“精密共形光學技術”(PCOT)研究項目［3］，2001年該項目組成功研制出長徑比為1．5的共形整流罩，并由Raytheon公司將該整流罩應用于“響尾蛇”導彈上，實驗結果表明，導彈所受的空氣阻力減小了25%，射程增加了一倍。圖2為共形光學探測器首次對F－16轟炸機起飛時探測到的紅外圖像。從以上成果及近年來的相關報道可見，國外在共形光學方面的理論研究相當成熟，正由樣機設計階段向軍事應用階段過度，歐美一些國家現(xiàn)階段在技術研發(fā)方面將更大的精力投入到了整流罩制造與檢測工藝的研究，以及加工與檢測設備的制造，試圖在整流罩制造工藝方面獲得更大的突破。

圖2 共形光學探測器首次對F－16轟炸機起飛時探測到的紅外圖像

由于意識到共形光學技術給相關軍事領域帶來的巨大影響，我國在該研究領域的投入也在不斷增加，國內對于共形光學方面的研究在近年來也有了迅速的發(fā)展，與國外的差距也在不斷地縮小。我國在共形光學方面的研究單位主要有中國科學院長春光機所、航天三院8358所、中國空空導彈研究院以及中國兵器工業(yè)第209所等。近年來我國在共形光學理論研究方面逐步走向成熟，很多新的設計方案被不斷提出，例如中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的孫金霞提出了后置校正板校正立軸像差，何伍斌等人設計的變焦距共形紅外光學系統(tǒng)［4］，以及在加工檢測方面，國防科技大學建立了用于共形紅外頭罩性能檢測的測試實驗平臺。最近中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等多家大型科研機構先后開展了對共形整流罩的氣動仿真分析以及風洞試驗，這意味著我國在共形光學領域已經(jīng)開始由理論研究向樣機制造階段過渡，相信不用很長時間，我國的首個共形導引頭就會研制成功。

3 像差校正技術

整流罩的一個重要參數(shù)是它的長徑比，是指整流罩后端直徑與長度的比值，長徑比越大，導彈在飛行過程中受到的空氣阻力就越小，但是成像系統(tǒng)所引入的像差也越難得到校正，所以設計過程中要平衡空氣動力學與光學設計兩個方面的因素，選擇適當?shù)拈L徑比，現(xiàn)階段設計中長徑比的一般選擇在1～1．7之間，由于整流罩的非球對稱性，成像系統(tǒng)在對整流罩進行掃描時，會產(chǎn)生隨著視場變化而不斷變化的像差，其中主要包括球差、像散和彗差，所以對整流罩像差的校正是共形光學研究中最主要的方面。目前比較成熟的像差校正技術有以下幾個。

3．1 整流罩自身校正

在滿足設計要求的前提下，可以將整流罩內表面設計為特殊面形，或者將整流罩設計為合理的非等厚形狀，從而將不同掃描視場的像差校正到一定范圍內，以便后續(xù)設計對相差做進一步校正，這種方案是利用整流罩自身設計的特點來平和整流罩像差，可以充分發(fā)揮整流罩自身的校正能力，不僅可以減少設計空間與重量，而且對像差的校正能力也好于頭罩后方的校正系統(tǒng)，不過這種設計的瓶頸在于整流罩的加工與檢測技術，加工精度越高，像差校正的效果越明顯。

3．2 固定校正器

固定校正器是在整流罩后方放置一個旋轉對稱的固定的校正透鏡，透鏡選擇特殊面型，用來補償整流罩在各個視場的像差，這種設計將整流罩不同視場的像差補償?shù)较嘟咏姆秶鷥?，并需要后方的校正系統(tǒng)配合進一步校正，為了將像差校正到足夠小的范圍，經(jīng)常采用兩塊或多塊固定校正鏡片，通過調整鏡片的距離，選擇不同的材料與面形來達到最佳效果。這種設計方案實現(xiàn)簡單，但是會增加這題設計的體積和重量?，F(xiàn)有設計中Wassermann－wolf曲線擬合方法［5］被更多地使用，它是通過對Wassermann－wolf方程組求解，通過擬合得到兩個滿足正弦條件的非球面，從而達到同時消除傳統(tǒng)彗差和像散的效果，這種設計得到的面型為加工與檢測帶來了非常大的困難，現(xiàn)在的技術還無法實現(xiàn)。圖3為安裝有固定校正器的整流罩示意圖。

圖3 安裝有固定校正器的整流罩示意圖

3．3 拱形校正器

拱形校正器［6］和固定校正器一樣屬于固定校正技術，它是一種條狀校正器，與萬向支架相連，通過轉動來實現(xiàn)對全視場的像差校正，這種校正器可以看成是固定校正器的一部分，通過旋轉來達到對全視場像差補償?shù)男Ч@種方案相比固定校正器減輕了設計的總體重量，但是需要與萬向支架固定，所以不能像固定校正器那樣采用多片組合設計。圖4為安裝有拱形校正器的整流罩示意圖。

圖4 安裝有拱形校正器的整流罩示意圖

3．4 軸向移動柱面鏡

整流罩由于子午和弧矢方向光焦度的差別而產(chǎn)生像散。柱面元件可以提供單方向的光焦度補償，平衡系統(tǒng)像散，這種設計是利用母線垂直的兩個柱面元件，通過軸向平移改變元件間距離，可以校正隨視場變化產(chǎn)生的的像差。兩塊柱面鏡的另一表面設計為球面或者特殊面型，來配合消除像差［7］。這種設計屬于動態(tài)校正技術，對于機械控制要求較高。圖5為軸向移動柱面鏡設計示意圖。

圖5 軸向移動柱面鏡設計示意圖

3．5 反向旋轉位相板

反向旋轉相位板［8］結構是如圖6的兩塊平行放置的雷斯萊棱鏡，通過反向旋轉完成對整流罩全視場的掃面，視場角最大可達30°。由于這種結構本身并沒有減小像差的能力，反而引入更多的像差，所以需要將兩塊雷斯萊棱鏡內表面設計為特殊表面，使系統(tǒng)整體達到減小像差的目的。由于像差校正度不足，這種結構還應與其他校正技術配合使用。圖7為反向旋轉位相板結構對共形整流罩視場掃描圖。

圖6 反向旋轉位相板機構圖

圖7 反向旋轉位相板結構對共形整流罩視場掃描圖

3．6 可變形反射鏡

可變形反射鏡是一種由電子信號控制面形變化的反射鏡，在卡塞格林成像系統(tǒng)的第二塊反射鏡用可變形反射鏡代替，如圖8所示，通過微電子電路的控制來改變可變形反射鏡的面型，從而校正掃描視場的像差。這種方案可以和自適應光學技術相結合，系統(tǒng)根據(jù)對像面的像質的分析，按照系統(tǒng)中已編寫迭代算法，自動調節(jié)可變形反射鏡面型，直到像質達到最佳，從而達到自動實時校正系統(tǒng)像差的目的［9］。這種方案結構簡單，大大減小了設計的重量和體積，但是像差校正度和視場掃面的速度都依賴于可變形反射鏡的性能參數(shù)，而且設計中對于電子控制設計要求較高。隨著可變形反射鏡性能參數(shù)的不斷提高，這種方案具有更好的發(fā)展前景。

圖8 可變形反射鏡結構設計示意圖

4 共形整流罩加工與檢測技術

由于整流罩是成像系統(tǒng)中的一部分，所以對其加工精度要求較高，并且共形整流罩的形狀不同于傳統(tǒng)球形整流罩，屬于高陡度非球面，各點曲率半徑不斷變化，所以為整流罩的加工與檢測提出了新的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的整流罩加工技術主要有單點金剛石車削、確定性研磨、磁流變拋光、射流拋光和化學氣相沉積法［10－11］。其中單點精鋼石車削是最早應用于共形光學原件加工，對其研究也最深入，世界第一個共形導引頭由PCOT于1999年研制成功，其外表面加工就是采用這種方法。確定性微磨利用超精密磨床和特殊砂輪進行超薄磨削，由于受砂輪大小的限制，所以只應用于大曲率半徑的凸面加工。單點精鋼石車削和確定性微磨對加工設備的精度要求非常高，需要高精密的機床對工件進行加工。磁流變拋光和射流拋光都是新的拋光技術，拋光效率是傳統(tǒng)拋光技術的幾十倍，但拋光的適應性、穩(wěn)定性和可控性及面形修正能力還需要進一步完善?；瘜W氣相沉積法適用于容易發(fā)生化學反應的晶體材料，可以產(chǎn)生致密、無空隙、高純度的多晶體材料，由于進行的是原子級加工，所以可以達到很高的精度。在實際加工中，根據(jù)具體要求合理的采用各種加工技術，對整流罩的不同部位進行加工，形成成熟的加工工藝，制造出高可靠性的機床，實現(xiàn)整流罩的量產(chǎn)化將成為共形加工的發(fā)展方向。

整流罩的檢測技術主要有三坐標測量方法(輪廓儀法)、紅外干涉子孔徑測量、紅外零鏡(Null optics)全口徑測量、Shack－Hartmann波前測量法等［11］。其中子孔徑測量由于不需要高精度的補償鏡，所以受到更多地關注，基本思想是通過干涉儀對共形頭罩的不同區(qū)域進行測量，然后通過拼接算法將重疊部分進行拼接，重構全孔徑面型誤差。在加工時需要將單一表面誤差數(shù)據(jù)進行融合處理，得到去除函數(shù)，繼而獲得被加工表面的去除量，通過數(shù)控拋光機器進行拋光。

5 結論

目前我國在共形光學技術方面的工作還處于理論研究階段，隨著各科研機構對該領域的理論研究不斷成熟，一些關鍵技術會相繼得到突破，共形整流罩勢必替代我國導彈現(xiàn)有的球形整流罩，使紅外制導導彈氣動性能獲得大幅提高。

［1］ LIU Ke，CHEN Baoguo，LI Lijuan．Development tendance and key technology of IR seeker for air－ti－air missile［J］．Laser＆ Infrared，2011，41(10):1117 － 1121．(in Chinese)劉珂，陳寶國，李麗娟．空空導彈紅外導引頭技術發(fā)展趨勢及關鍵技術［J］．激光與紅外，2011，41(10):1117－1121．

［2］ Mills JP．Conformal optics:theory and practice［C］．SPIE，2001，4442:101 －107．

［3］ Shannon R R．Overview of conformal optics［J］．SPIE，1999，3705:180 －188．

［4］ HEWubin，PENG Qingqing，LUO Shoujun．Research on conformal optical zoom system［J］．Laser ＆ Infrared，2012，42(8):914 －916．(in Chinese)何伍斌，彭晴晴，駱守?。兘咕喙残渭t外光學系統(tǒng)的設計研究［J］．激光與紅外，2012，42(8):914 －916．

［5］ LIDongxi，LU Zhenwu，SUN Qiang，et al．Research on conformal optical system design usingWassermann－Wolf principle［J］．Acta Photonica Sinica，2008，337(4):776 －779．(in Chinese)李東熙，盧振武，孫強，等．利用Wassermann－Wolf原理設計共形光學系統(tǒng)［J］．光子學報，2008，337(4):776－779．

［6］ ScottW Sparrold．Arch corrector for conformal optical systems［C］．SPIE，1999，3705:189 －200．

［7］ Michael RWhalen．Correcting variable third order astigmatism introduced by conformal aspheric surfaces［C］．SPIE，1999，3482:62 －73．

［8］ ScottW Sparrold，James P Mills，David J Knapp，et al．Conformal dome correction with counterrotating phase plates［J］．Optical Engineering，2000，39(7):1822－1829．

［9］ LIYan，LILin，Huang Yifan，et al．Correcting dynamic residual aberrations of conformal optical systems using AO technology［J］．Chinese Physics B，2009，18(07):2769 －2773．

［10］ Patrick A Trotta．Precision conformal optics technology program［C］．SPIE 2001，4375:96 －107．

［11］ ZHANG Xuecheng，XU Rong，LIU Li．Application of conformal optics on seeker［J］．Ordnance Industry Automation，2010，29(4):30 －37．(in Chinese)張學成，徐榕，劉莉．保形光學在導引頭中的應用［J］．兵工自動化，2010，29(4):30 －37．