对于在大气中高超声速飞行且配备有红外成像检测系统的高超声速飞行器,其光学窗口与空气热流直接接触被加热,温度极速上升,并导致形变分布不均匀,给飞行造成危险。过高的温度会带来大量的红外辐射噪声,同时光学窗口会因热光效应,弹光效应导使其折射率场分布不再均匀,会大幅降低红外探测系统的探测质量。因此,常使用喷流冷却的方式对光学窗口实施保护。喷流冷却能够有效降低光学窗口表面温度,但对整个窗口温差分布的影响仍需探究。另一方面,喷流使整流罩的外流场结构将变得更加复杂,出现诸如混合层、剪切层等复杂结构,使得穿过流场的光传输成像质量明显下降。所以探究冷却喷流对外流场的气动特性、窗口的气动热特性以及窗口的气动光传输特性的综合影响是极其有必要的。本文主要基于FLUENT、ANSYS软件进行飞行器高速飞行时的流场仿真与热仿真,研究喷流冷却条件下飞行器的流场特性与光学窗口的气动热特性,然后根据仿真得到的数据,以光线追迹的方式来计算光线经过流场与光学窗口后的OPD。最后以波像差、点扩散函数、图像失真程度作为光学性能的评价指标,结合飞行器气动特性和光学窗口的热特性,对喷流冷却的影响进行综合评价。主要内容包括:(1)喷流冷却条件下高速飞行器外流场气动特性研究。以有限元思想建立带凹腔头罩的流场计算模型。研究飞行工况(飞行高度、飞行马赫数)、喷流参数(喷口速度、温度)以及面型对飞行器流场气动特性以及光学窗口冷却效果的影响。初步确定合适的飞行工况及喷流参数,为后面热响应分析以及光传输分析打好基础。(2)喷流冷却条件下光学窗口气动热效应研究。根据传热学原理和弹性力学理论,以流场仿真的结果作为输入载荷,对喷流冷却条件下光学窗口进行气动热仿真计算,得到光学窗口的温度场、热形变场等结果,与无喷流情况下的结果进行对比分析,从而评估喷流冷却效果。(3)喷流冷却条件下高速飞行器流场及光学窗口联合光传输研究。根据流场仿真得到的密度场,以及侧窗热仿真得到的温度场、形变场,利用Gladstone-Dale公式和热光效应重构出流场及侧窗的折射率场,并利用四阶龙格库塔算法进行光线追迹得到到达入瞳面处的波像差。以波像差作为喷流冷却条件下高速飞行器整流罩的光学性能评价标准,分析喷流冷却对光传输质量的影响。