光通信技术 教学课件 作者 韩太林 第3章.ppt

（2）明腔和剪切层 不管是借助于明腔还是壳体的凹进部分，去掉边界层之下的舱壁形成剪切层。剪切层还可以产生在转台的出口或是出自飞行器圆柱形突出部位，剪切层本来就比附着边界层光学衰减得更多。此外，它们在明腔轮廓内能产生更大的声学效应。 实物窗口在机载平台上起到两个重要作用：首先，使光学装置与相对外部气动光学环境隔离开；其次，如果窗口是机体平嵌式，则它可在光学孔径上提供可预知的流动。然而，窗口也会有很多缺陷，包括：透射性能差，尤其是当波长超过10μm时；产生光学像差，固有的或是环境产生的（如压力或热激发）；在仪器通带内的强热辐射（红外辐射）。 可以代替实体窗口的是明型腔，它与飞行器周围的外部气流互相作用。存在于明型腔上的中速和超声速流动速度的最重要的气动力学现象称为空腔共振。通常将此称为在腔内存在有序的单频压力变化。如果不受控制，这些压力波动可能会引起设置在腔内部的光学元件的有害振动。这种有害振动以及由此产生的空腔湍流引起总光学性能降低。另外，未受控制的空腔共振结构的实质是潜在有害的，必须不惜任何代价加以避免。 假设气流从左到右遍及空腔横截面上。通常在空腔前缘生成剪切层，该剪切层膨胀并与层叠固有机身边界层及空腔流场互相作用（见图3.35）。风洞和机载平台试验给出自由剪切层的厚度为L=0.25X，X为从形成点沿流动方向的距离。沿光轴Z0的相关长度大约为L的20％。 图3.35剪切层在机载平台前缘形成 3.大气状态方程 大气是由若干气体按一定比例组成的干燥均匀混合物。假设大气作为完全气体来处理，也即大气中任一点的压力P，密度ρ和温度T满足完全气体状态方程 （3-80） ?式中，T（z）表示大气运动温度；M为混合气体的平均分子量，从地球表面到大约90km的高度，M基本保持不变，近似等于28.964×10-3kg/mol；R为气体常数，其值为8.31432J/（K·mol）。 当大气处于流体静力学平衡状态时，下式成立 （3-81） ?式中，z为几何高度（海拔高度）；g（z）为与z有关的重力加速度。 由式（3-80），式（3-81）得 （3-82） 根据万有引力定律有 （3-83） ? 式中，g0为海平面的重力加速度，等于9.80665m/s2；r0为地球的有效半径，其值为6356766m。 下面引进位势高度H，它与几何高度z的关系为 （3-84） 大气运动温度T（z）表征了大气分子的平均动能，分子标称温度TM（z）定义为 （3-85） ?式中，M为海平面处大气分子量；M（z）为高度z处大气的分子量。 在高度低于90km的大气中，大气分子量不随高度变化，此时运动温度即为分子标称温度。但在90km以上高度，大气分子量随高度的增加而递减，于是运动温度与分子标称温度逐渐出现差异。一般研究的机载气动光学效应仅考虑90km以下的大气，此时温度T与位势高度H的关系式由下列方程组成 （3-86） ?式中，b=0～6；Lb的值如表3.9所示。 表3.9温度T与位势高度H的关系系数 b Hb/km Lb/（K/km） 0 0 -6.5 1 11 0.0 2 20 1.0 3 32 2.8 4 47 0.0 5 51 -2.8 6 71 -2.0 当b=0时，Tb=288.15K（海平面的标准温度值），Pb=1.01325×105Pa。将式（3-84）代入式（3-86）即可得到温度与几何高度的关系。 将式（3-83），式（3-84），式（3-86）代入式（3-82）得