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红外成像超高速飞行器窗口材料的选取与性能研究

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文章编号 : 1672-7649(2012)S1-O117-04 doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2012.S1.035The selection and performance analysis about infrared imaging ofhigh-velocity vehicle s window m aterialLIU Er-ping ,MA Tao(1.Navy Aeronautics Military Representative Ofice in Baoding,Handan 056028,China;2.The 368 Plant of CSIC,Handan 056028,China)Abstract: Based on the practical engineering application,by considering the optical properties of thematerial,physical properties and high-velocity flight caused by aerodynamic effect,mechanical propeies andsome influence factors,through analysis and integration designing,the sapphireS own unique mechanical,optical performance,suitable for the high speed aircraft engineering design,and according to the specific useof indicators were related to the simulation and analysis to verify。

Key words: high-velocity;vehicle s window;sapphire1 概 述超高速飞行器是 21世纪世界各主要航天大国研究的热点,具有极其重要的商业和军事应用价值,对国家安全和战略部署具有极其重要的意义。然而,当红外成像超高速飞行器飞行速度大于 3 Ma时,所带来的气动效应,给窗口材料的选取带来了很大的困难。为满足红外成像超高速飞行器窗口材料的要求 ,材料须具备几方面的性能。

高强度 (高速飞行时窗口将承受巨大的冲击)、高硬度和抗雨滴沙粒侵蚀能力。

3)热学性能高的熔点,耐高温,热导率越高,热膨胀系数越小,则窗口抗热冲击能力越好,同时热导率越高,飞行过程造成的窗口升温越小,间接地提高了窗口的耐高温性能。

4)化学性能耐酸碱腐蚀、耐雨水侵蚀、耐阳光紫外线辐照。

士 古 、 、。击 , 。 蚺 2 红外光学材料与性能 在使用波段应具有高透过率、 低热辐射、散射 ~ ~ 及双折射,满足探测器饱和度要求。 2.1 超高速飞行器红外波段热效应2)力学性能 首先从超高速飞行器红外成像波段分析人手进收稿 日期 :2012-09-21作者简介:刘二平(1977-),男 ,军代表 ,长期从事火控系统及光电系统研究。

· 1 l8· 舰 船 科 学 技 术 第 34卷行波段确定,由维恩位移定律 ,W 1.288×10 75,- m ax可见物体辐射时峰值波长只与温度有关,温度越高,峰值波长越短。根据有限元分析仿真得到,此次设计超高速飞行器模型驻点温度 T780 K,可知此时峰值波长为A 3.72 m。

因为窗口其他区域温度与驻点温度相差不会太多,基本在 20 K之内,所以峰值波长的范围就在3.72-3.81 m这个范围内。此时峰值波长辐射功率W 0.372 W ·str- ·C1TI- ·Ixm- 。

根据史蒂芬.波尔兹曼定律,Wror5.669 7×10r ,在 T780 K时,辐射总功率WToT2.099 W ·str~ ·C1TI~ · m~。

但根据红外探测器成像要求,激波及窗口范围内的温度应控制在470 K以内。根据这个温度,峰值波长在 6.17 m左右,因此红外探测器选择 3~5 m或8-12 m这 2个波段,都能够避开峰值辐射量。

在3-5 m波段窗口材料主要有蓝宝石和尖晶石等,在 8~12 m波段,常用的有 CVD ZNS等♂合超高速飞行器用红外热像仪,确定红外成像超高速飞行器窗口波段为 3~5 m。

2.2 材料性能对比目前国内外较成熟的中波红外光学材料有蓝宝石、尖晶石、氟化镁和氮氧化铝等。下面对这几种中红外光学材料进行简要的分析与比较。

1)氟化镁MgF2是当前应用较为成熟的红外窗F1材料。它不仅有很高的红外透过率,而且在毫米波波段有很高的透过性能。但其硬度和抗热冲击性能较低,不能承受高速飞行环境中砂砾的碰撞和热冲击,只能用于飞行速度在 2 Ma以下的飞行器红外窗口。

2)尖晶石与 MgF2相比,尖晶石有很好的强度、硬度和抗热冲击性能。国内于 20世纪 90年代以后才展开透明尖晶石的研制,-些主要技术指标达到了国外先进水平。应用测试结果表明,平板形尖晶石产品尚可满足双色导引头预研工作的需求,但试制的半球形窗口,虽然在尺寸精度、光学和机械性能方面还存在-些问题,但尖晶石依然是超高速飞行器窗口选择的理想材料。

3)透明多晶氮氧化铝美国雷声公司于 20世纪 80年代研制出该材料,其具有白宝石的机械强度和硬度,在紫外、可见光、红外有高的光学透过率。它具有优良的光学、物理、机械和化学性质,特别是具有的各向同性,高温烧结可制成透明陶瓷,因而是高马赫数窗口的优选材料,国内研究主要集中在合成 ALON粉末,对多晶 ALON研究较少。国内制备的AI ON具有较高的硬度和机械强度,但在光学性能上离实际应用还有较大的差距。

4)蓝宝石蓝宝石单晶具有很高的硬度、机械强度以及高温稳定性,能承受新-代导弹高速产生的热冲击力,而且其透过波段从紫外、可见光到红外,透过波段宽,能够适合电子制导系统的多种方式制导要求。

迄今为止,在红外透明材料中,蓝宝石无疑是高马赫飞行器窗口材料的-种比较理想的选择。

表 1和表 2分别列出了目前国内外较成熟的中波红外窗 口材料蓝宝石、尖 晶石 、氟化镁及氮氧化铝的-些性能参数。

表 1 3~5 m光学材料性能比较Tab.1 The performance comparison of opticalmaterials at 3-5 Ixm弯 曲强度/ 努普硬度/ 热导率 300K 及收系数 500K 散射 材料 成份MPa kg·mil-2 /w .m 1.K -1 /5um ·Cnl- 3 39 m/%氟化镁 MgF2 1OO 576 16 2.4 1蓝宝石 AI2O3 400 2200 24 1 3 0 005尖晶石 MgAI2O4 165 l300 15 0.7 0 3氮氧 AIz3027N5 300 l 950 ll l 9 1. 5 化铝表 2 3~5 m光学材料抗 冲击性 能Tab.2 The optical materials impact performance at 3~5 txm膨胀系数 材料 泊松比 杨氏模量/GPa R/10-。.K -氟化镁 0.3 11.0 ll5 0.89蓝宝石 0.27 8.8 380 2.1尖晶石 O.26 8.0 190 1.2氮氧化铝 0.24 7.8 315 1.O2从表 1和表 2可看 出,中波红外窗 口材料 中蓝宝石具有高的机械强度、硬度、高的抗热冲击性能、低的散射系数;蓝宝石、尖晶石在高温下的吸收系数较校吸收系数越小,发射率越小,在高温环境增刊 1 刘二平,等:红外成像超高速飞行器窗口材料的选取与性能研究 .1 19。

中对系统性能造成的损失越校3 窗 口材料确定经过综合考虑与比较分析,蓝宝石是-种光学和力学性能俱佳的红外窗口材料,如机械强度高、硬度大、熔点高、耐磨、抗蚀性能好,红外透过率高等。因此,蓝宝石单晶已经成为高温应用中红外窗口材料的首选材料之-。所以蓝宝石在本次超高速飞行器窗口设计中较为适宜。图 1给出了典型的蓝宝石从可见光到红外的透射曲线。

零斟 蝌 0.25 1.25 2.25 3.25 4.25 5.25 6.25 7.25波长, m图 1 蓝宝石 的透射曲线Fig.1 The sapphire transmission curve图2中给出了不同厚度蓝宝石的红外透射曲线。

从图 1和图2可以看出,在4 m以后透过率开始下降。下降的幅度与厚度有关。这种下降由基本的晶格振动吸收引起。

图3是在不同温度下蓝宝石的透射曲线∩以看出,随着温度的升高,从4 p.m开始,透过率明显下降。

loo· 80604o2O02 3 4 5 6 7波长, m图2 不同厚度蓝宝石的红外透射曲线Fig.2 Infrared transmittance curve different thicknessof the sapphire特 蝌图3 不同温度下蓝宝石透过率与波长的关系Fig.3 The sapphire infrared transmitance and wavelengthSrelation at diferent temperature当温度升高时 ,虽然蓝宝石机械强度和硬 度会迅速下降,在 300℃ ~600℃时出现最小值,机械强度损失为 87%,硬度下降50%以上,严重影响了蓝宝石抗热冲击性能,但根据红外探测器饱和度要求窗口玻璃温度不得超过 470 K,可见窗口玻璃的使用环境保证温度在 200℃下,在这个条件下蓝宝石的机械强度和硬度将完全满足使用要求,透过率也不会下降很多。

4 窗口机械性能仿真分析根据窗口玻璃的材料以及具体尺寸,对玻璃厚度进行了强度仿真分析。按照超高速飞行器模型有限元分析,窗口应承受 5 MPa的恒定压强及 10 MPa的瞬时压强,加载示意图如图4所示。

图4 压强加载示意图Fig.4 The pressure diagram在分析过程中,给窗 口玻璃加载 10 MPa的压强,根据有限元分别验证蓝宝石窗 El玻璃的屈服力 ,以及位移是否影响成像效果。通过多次的验证分析,得出窗口玻璃厚度为 8 mm时,能够满足屈服强度以及成像要求。其有限元分析结果如图5和图 6所示。

图5 强度分析Fig.5 The strength analysis州蛳m 铆船 铭;:懈; 种 ㈣ - . -Il--- I· 120· 舰 船 科 学 技 术 第34卷薅 4 0t gO3图 6 位移变化Fig.6 The displacement change chart由图5可以看出,在加载瞬时压强时,承受最大屈服力 182.284 MPa<400 MPa,安全系数为2.2,满足强度使用要求。由图6可以看出,窗口玻璃的最大变形量为9.281×10~mm,完全满足超高速飞行器红外成像要求。

5 结 语本文在国内外现有红外窗 口玻璃材料的基础上 ,对超高速飞行器用窗口材料进行了对比分析,选取蓝宝石为本次超高速飞行器窗口的材料,通过具体模型的仿真分析与验证,对蓝宝石窗口进行了确定。

关于窗口制冷方面,根据以上结果另行进行了分析与设计 。

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