李慶波，張 健

(哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)

1 引言

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈由于其精確打擊能力，在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中被普遍使用，擁有更高機(jī)動(dòng)性導(dǎo)彈的一方勢(shì)必獲得明顯的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，位于其前方的整流罩被設(shè)計(jì)為半球形［1］，在飛行過(guò)程中整流罩承受導(dǎo)彈大部分的空氣阻力，并且參與紅外系統(tǒng)成像，因?yàn)槠淝驅(qū)ΨQ(chēng)的特點(diǎn)，在每個(gè)掃描視場(chǎng)中產(chǎn)生的像差十分接近，容易得到校正，但是這種球形設(shè)計(jì)對(duì)導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)性能的提高并沒(méi)有幫助。共形光學(xué)是指首先考慮空氣動(dòng)力學(xué)性能，其次考慮光學(xué)成像性能的技術(shù)［2］，共形光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用將使導(dǎo)彈在速度、射程、機(jī)動(dòng)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?qū)ΨQ(chēng)的特點(diǎn)，也使其在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和加工檢測(cè)方面面臨更高的挑戰(zhàn)，所以近年來(lái)國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)參與其中，推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展。圖1為裝有共形整流罩的導(dǎo)彈與傳統(tǒng)導(dǎo)彈的對(duì)比圖。

圖1 共形整流罩與傳統(tǒng)整流罩對(duì)比圖

2 共形光學(xué)的發(fā)展與最新進(jìn)展

國(guó)外在共形光學(xué)研究最早始于20世紀(jì)70年代，但由于當(dāng)時(shí)得不到相關(guān)的技術(shù)支持，所以進(jìn)展緩慢，直到1996由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)開(kāi)始支持相關(guān)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)共形光學(xué)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行初步研究，并作出了可行性分析，1998年DARPA又聯(lián)合美國(guó)導(dǎo)彈研究與發(fā)展中心共同啟動(dòng)了“精密共形光學(xué)技術(shù)”(PCOT)研究項(xiàng)目［3］，2001年該項(xiàng)目組成功研制出長(zhǎng)徑比為1．5的共形整流罩，并由Raytheon公司將該整流罩應(yīng)用于“響尾蛇”導(dǎo)彈上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)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(xué)探測(cè)器首次對(duì)F－16轟炸機(jī)起飛時(shí)探測(cè)到的紅外圖像。從以上成果及近年來(lái)的相關(guān)報(bào)道可見(jiàn)，國(guó)外在共形光學(xué)方面的理論研究相當(dāng)成熟，正由樣機(jī)設(shè)計(jì)階段向軍事應(yīng)用階段過(guò)度，歐美一些國(guó)家現(xiàn)階段在技術(shù)研發(fā)方面將更大的精力投入到了整流罩制造與檢測(cè)工藝的研究，以及加工與檢測(cè)設(shè)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(xué)探測(cè)器首次對(duì)F－16轟炸機(jī)起飛時(shí)探測(cè)到的紅外圖像

由于意識(shí)到共形光學(xué)技術(shù)給相關(guān)軍事領(lǐng)域帶來(lái)的巨大影響，我國(guó)在該研究領(lǐng)域的投入也在不斷增加，國(guó)內(nèi)對(duì)于共形光學(xué)方面的研究在近年來(lái)也有了迅速的發(fā)展，與國(guó)外的差距也在不斷地縮小。我國(guó)在共形光學(xué)方面的研究單位主要有中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所、航天三院8358所、中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院以及中國(guó)兵器工業(yè)第209所等。近年來(lái)我國(guó)在共形光學(xué)理論研究方面逐步走向成熟，很多新的設(shè)計(jì)方案被不斷提出，例如中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)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(shè)計(jì)的變焦距共形紅外光學(xué)系統(tǒng)［4］，以及在加工檢測(cè)方面，國(guó)防科技大學(xué)建立了用于共形紅外頭罩性能檢測(cè)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。最近中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等多家大型科研機(jī)構(gòu)先后開(kāi)展了對(duì)共形整流罩的氣動(dòng)仿真分析以及風(fēng)洞試驗(yàn)，這意味著我國(guó)在共形光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始由理論研究向樣機(jī)制造階段過(guò)渡，相信不用很長(zhǎng)時(shí)間，我國(guó)的首個(gè)共形導(dǎo)引頭就會(huì)研制成功。

3 像差校正技術(shù)

整流罩的一個(gè)重要參數(shù)是它的長(zhǎng)徑比，是指整流罩后端直徑與長(zhǎng)度的比值，長(zhǎng)徑比越大，導(dǎo)彈在飛行過(guò)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(shè)計(jì)過(guò)程中要平衡空氣動(dòng)力學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面的因素，選擇適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)徑比，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)中長(zhǎng)徑比的一般選擇在1～1．7之間，由于整流罩的非球?qū)ΨQ(chēng)性，成像系統(tǒng)在對(duì)整流罩進(jìn)行掃描時(shí)，會(huì)產(chǎn)生隨著視場(chǎng)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(duì)整流罩像差的校正是共形光學(xué)研究中最主要的方面。目前比較成熟的像差校正技術(shù)有以下幾個(gè)。

3．1 整流罩自身校正

在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，可以將整流罩內(nèi)表面設(shè)計(jì)為特殊面形，或者將整流罩設(shè)計(jì)為合理的非等厚形狀，從而將不同掃描視場(chǎng)的像差校正到一定范圍內(nèi)，以便后續(xù)設(shè)計(jì)對(duì)相差做進(jìn)一步校正，這種方案是利用整流罩自身設(shè)計(jì)的特點(diǎn)來(lái)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(shè)計(jì)空間與重量，而且對(duì)像差的校正能力也好于頭罩后方的校正系統(tǒng)，不過(guò)這種設(shè)計(jì)的瓶頸在于整流罩的加工與檢測(cè)技術(shù)，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(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的固定的校正透鏡，透鏡選擇特殊面型，用來(lái)補(bǔ)償整流罩在各個(gè)視場(chǎng)的像差，這種設(shè)計(jì)將整流罩不同視場(chǎng)的像差補(bǔ)償?shù)较嘟咏姆秶鷥?nèi)，并需要后方的校正系統(tǒng)配合進(jìn)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(guò)調(diào)整鏡片的距離，選擇不同的材料與面形來(lái)達(dá)到最佳效果。這種設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是會(huì)增加這題設(shè)計(jì)的體積和重量?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)中Wassermann－wolf曲線擬合方法［5］被更多地使用，它是通過(guò)對(duì)Wassermann－wolf方程組求解，通過(guò)擬合得到兩個(gè)滿足正弦條件的非球面，從而達(dá)到同時(shí)消除傳統(tǒng)彗差和像散的效果，這種設(shè)計(jì)得到的面型為加工與檢測(cè)帶來(lái)了非常大的困難，現(xiàn)在的技術(shù)還無(wú)法實(shí)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(shù)，它是一種條狀校正器，與萬(wàn)向支架相連，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)全視場(chǎng)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(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到對(duì)全視場(chǎng)像差補(bǔ)償?shù)男Ч?，這種方案相比固定校正器減輕了設(shè)計(jì)的總體重量，但是需要與萬(wàn)向支架固定，所以不能像固定校正器那樣采用多片組合設(shè)計(jì)。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(dòng)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(bǔ)償，平衡系統(tǒng)像散，這種設(shè)計(jì)是利用母線垂直的兩個(gè)柱面元件，通過(guò)軸向平移改變?cè)g距離，可以校正隨視場(chǎng)變化產(chǎn)生的的像差。兩塊柱面鏡的另一表面設(shè)計(jì)為球面或者特殊面型，來(lái)配合消除像差［7］。這種設(shè)計(jì)屬于動(dòng)態(tài)校正技術(shù)，對(duì)于機(jī)械控制要求較高。圖5為軸向移動(dòng)柱面鏡設(shè)計(jì)示意圖。

圖5 軸向移動(dòng)柱面鏡設(shè)計(jì)示意圖

3．5 反向旋轉(zhuǎn)位相板

反向旋轉(zhuǎn)相位板［8］結(jié)構(gòu)是如圖6的兩塊平行放置的雷斯萊棱鏡，通過(guò)反向旋轉(zhuǎn)完成對(duì)整流罩全視場(chǎng)的掃面，視場(chǎng)角最大可達(dá)30°。由于這種結(jié)構(gòu)本身并沒(méi)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(nèi)表面設(shè)計(jì)為特殊表面，使系統(tǒng)整體達(dá)到減小像差的目的。由于像差校正度不足，這種結(jié)構(gòu)還應(yīng)與其他校正技術(shù)配合使用。圖7為反向旋轉(zhuǎn)位相板結(jié)構(gòu)對(duì)共形整流罩視場(chǎng)掃描圖。

圖6 反向旋轉(zhuǎn)位相板機(jī)構(gòu)圖

圖7 反向旋轉(zhuǎn)位相板結(jié)構(gòu)對(duì)共形整流罩視場(chǎng)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(hào)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(guò)微電子電路的控制來(lái)改變可變形反射鏡的面型，從而校正掃描視場(chǎng)的像差。這種方案可以和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)根據(jù)對(duì)像面的像質(zhì)的分析，按照系統(tǒng)中已編寫(xiě)迭代算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)可變形反射鏡面型，直到像質(zhì)達(dá)到最佳，從而達(dá)到自動(dòng)實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)像差的目的［9］。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大減小了設(shè)計(jì)的重量和體積，但是像差校正度和視場(chǎng)掃面的速度都依賴(lài)于可變形反射鏡的性能參數(shù)，而且設(shè)計(jì)中對(duì)于電子控制設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

4 共形整流罩加工與檢測(cè)技術(shù)

由于整流罩是成像系統(tǒng)中的一部分，所以對(duì)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(diǎn)曲率半徑不斷變化，所以為整流罩的加工與檢測(cè)提出了新的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的整流罩加工技術(shù)主要有單點(diǎn)金剛石車(chē)削、確定性研磨、磁流變拋光、射流拋光和化學(xué)氣相沉積法［10－11］。其中單點(diǎn)精鋼石車(chē)削是最早應(yīng)用于共形光學(xué)原件加工，對(duì)其研究也最深入，世界第一個(gè)共形導(dǎo)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(jìn)行超薄磨削，由于受砂輪大小的限制，所以只應(yīng)用于大曲率半徑的凸面加工。單點(diǎn)精鋼石車(chē)削和確定性微磨對(duì)加工設(shè)備的精度要求非常高，需要高精密的機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行加工。磁流變拋光和射流拋光都是新的拋光技術(shù)，拋光效率是傳統(tǒng)拋光技術(shù)的幾十倍，但拋光的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和可控性及面形修正能力還需要進(jìn)一步完善?；瘜W(xué)氣相沉積法適用于容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的晶體材料，可以產(chǎn)生致密、無(wú)空隙、高純度的多晶體材料，由于進(jìn)行的是原子級(jí)加工，所以可以達(dá)到很高的精度。在實(shí)際加工中，根據(jù)具體要求合理的采用各種加工技術(shù)，對(duì)整流罩的不同部位進(jìn)行加工，形成成熟的加工工藝，制造出高可靠性的機(jī)床，實(shí)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(cè)技術(shù)主要有三坐標(biāo)測(cè)量方法(輪廓儀法)、紅外干涉子孔徑測(cè)量、紅外零鏡(Null optics)全口徑測(cè)量、Shack－Hartmann波前測(cè)量法等［11］。其中子孔徑測(cè)量由于不需要高精度的補(bǔ)償鏡，所以受到更多地關(guān)注，基本思想是通過(guò)干涉儀對(duì)共形頭罩的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)拼接算法將重疊部分進(jìn)行拼接，重構(gòu)全孔徑面型誤差。在加工時(shí)需要將單一表面誤差數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)數(shù)控拋光機(jī)器進(jìn)行拋光。

5 結(jié)論

目前我國(guó)在共形光學(xué)技術(shù)方面的工作還處于理論研究階段，隨著各科研機(jī)構(gòu)對(duì)該領(lǐng)域的理論研究不斷成熟，一些關(guān)鍵技術(shù)會(huì)相繼得到突破，共形整流罩勢(shì)必替代我國(guó)導(dǎo)彈現(xiàn)有的球形整流罩，使紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈氣動(dòng)性能獲得大幅提高。

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