蓝宝石红外整流罩原理及设计

摘要

现代武器的高速化发展要求整流罩用材料在具有优秀光学性能的同时，还须具备良好的机械及热性能。蓝宝石单晶由于具有高硬度、高机械强度以及高温稳定性，能够承受新一代高速导弹产生的热冲击力，且其透过波段覆盖紫外、可见及红外等较宽的范围，使其成为高马赫导弹整流罩材料的理想选择。
　　本文从蓝宝石材料和整流罩设计技术两方面综述了当前蓝宝石整流罩在国内外的研究现状，并通过与其他材料的对比，论证了蓝宝石作为高速导弹用整流罩材料的可行性；接着从蓝宝石单晶的晶体结构入手，分析了蓝宝石晶体的各项特性，包括机械性能、热性能及光性能等，并综合阐述了蓝宝石在作为红外窗口/整流罩材料、微电子领域衬底基片及激光基质等领域的应用；在介绍晶体的生长方法的基础上，对当前可以应用于蓝宝石单晶生长的几种方法进行比较和分析，包括提拉法、导模法、热交换法、温度梯度法、泡生法和冷心放肩微量提拉法等，并重点分析了冷心放肩微量提拉法在蓝宝石整流罩应用领域的优势；在分析整流罩各设计要素的基础上，重点研究了红外整流罩的气动外形设计原理，并通过对球形浅穹整流罩、八棱锥拼接整流罩、激波针型红外整流罩及共形整流罩的特点进行对比分析，论证共形整流罩可以作为未来红外整流罩的发展方向；共形罩的非球面结构给导引头中光学系统的设计带来诸多困难，文中在分析共形结构一阶特性的基础上，利用矢量像差理论详细分析了该结构中初级像差产生的原因及特点，并提出通过控制元件的倾斜和偏心来平衡所有观察视场中像差的方法。软件分析结果表明：加入倾斜偏心元件后可适当放大小观察视场中的像差，共形整流罩在各观察视场中具有较为稳定的像差特性，有效地改善了该结构的成像质量。