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随着高速末制导以及炮弹、火箭弹、空空导弹等高速武器成像制导化的发展，光学制导系统急需适应越来越高的飞行速度，但高速飞行也给光学制导系统带来了多重不利影响，包括激波层光学传输效应、高温气体辐射、整流罩的热冲击应力以及热障效应等，这些也是制约光学制导系统高速化发展的难点问题。针对应用最为广泛的前置球形整流罩，本文对上述问题进行了分析和研究，主要研究内容和结论如下: 1.前置光学球罩激波层的光学传输效应分析。为提高光学制导系统成像质量，从激波层时不变流场、湍流边界层和激波层与整流罩的高温热辐射三个方面得出激波层的气动光学效应结论。通过调制传递函数和点扩散函数分析，激波层时不变密度场的光学传输效应为轻微模糊;从流动稳定性、边界层厚度和折射率脉动三方面对湍流边界层光学传输效应进行了分析，结果表明该光学传输效应主要为图像强度衰减及轻微模糊，火箭撬试验验证了上述分析结论，其红外图像中未见扭曲摆动或明显的模糊退化现象，而激波层与整流罩的高温热辐射对红外成像的影响较大，为了提高对目标的捕获、跟踪及打击能力，需先进行热、流、固、光、电多物理场耦合分析得到焦平面热辐射噪声分布，并对该噪声进行整体滤除，再对解耦出的目标与背景信息进行图像增强，以提高目标与背景间对比度;高温平板玻璃热辐射试验表明高温热辐射对可见光系统影响较小，对于可见光系统的光学传输效应，可直接利用图像增强的方法来予以校正。 2.基于驻点热流的等效热导率修正方法。通过对湍流模型能量方程的合理简化，分析得出驻点热流计算偏高的主要原因是湍流模型受整流罩前激波层涡量影响而使流场的涡粘系数计算偏高;针对该问题，提出了等效热导率修正方法，通过流场的热传导降低来提高湍流模型在驻点处的热流的计算精度。该方法可作为对湍流模型的丰富和补充，使湍流模型可更灵活地根据自身参数调整来提高对其它流场参数的计算精度;对相同马赫数条件下不同飞行高度的整流罩进行数值实验，结果表明，等效热导率修正值与飞行高度几乎无关，即受来流密度和温度的影响很小，从而验证了本文关于驻点热流计算偏高的原因分析;该方法同样适用于其他计算模型，且简单高效，具有一定的工程意义。 3.SST模型湍流换热的Bradshaw数修正方法。首先通过壁面第一层网格高度敏感度分析来细化网格以降低网格对数值计算结果的影响;通过数值实验分析了SST模型主要参数对整流罩壁面热流计算结果的影响，其中Bradshaw数仅对峰值热流影响较大，并以Eckert参考温度法为基础，对Bradshaw数进行修正，使SST模型对球形整流罩湍流换热计算达到工程精度。经等效热导率和Bradshaw数修正的SST模型，可作为热、流、固、光、电多物理场耦合分析的流场及对流换热的计算环节，用于光学传输效应和热辐射噪声等气动光学效应的分析与校正，有利于提高气动光学效应校正的精度，为光学制导系统的末制导弹道设计或任务飞行轨迹规划提供基础。 4.整流罩抗热冲击能力分析。长波红外因积分时间短，能降低整流罩的热障效应影响，CVD ZnS兼具中波和长波红外的透射能力，是目前唯一工程可用的抗热冲击长波红外整流罩材料，本文针对CVD ZnS整流罩，较系统地对其抗热冲击能力进行了分析和测试;利用三点弯曲法测得ZnS晶体材料的高温弯曲强度;对于给定飞行条件，将基于Eckert参考温度法的湍流换热系数作为边界条件，利用有限元法求解固体瞬态传热微分方程，得到整流罩在对换热过程中的瞬时温度及热应力分布，通过与高温弯曲强度比对，得到整流罩在该飞行条件下的安全系数，并据此安全系数对飞行条件进行调整;同样利用有限元法分析了整流罩厚度对抗热冲击能力的影响，结果表明较薄整流罩因温升快而具有更高的抗热冲击能力，但较薄整流罩也因其温升较快，而更易产生热障效应问题，因此，需根据实际情况综合考虑整流罩厚度、半径以及末制导飞行参数的选择;最后，通过热风洞试验考核了对于给定飞行条件下的整流罩抗热冲击能力。相关试验数据能为后续整流罩以及末制导弹道设计提供参考，但由于ZnS的强度随制备及热处理工艺有一定的散布，应根据实际应用情况来选择和管控相关工艺，必要时可设计专门实验对材料进行筛选，以保证其抗热冲击能力。 5.基于来流雷诺数的球形整流罩换热状态工程判别。从熵层涡干扰势的角度并结合Stetson的转捩实验，分析了基于整流罩直径的来流雷诺数对整流罩表面边界层流动稳定性的影响机理，根据Stine等的风洞试验及作者单位的火箭撬试验结果，给出的判断整流罩表面流动状态的临界来流雷诺数为2.7×106，可用于2～3马赫飞行条件下、整流罩直径约为80～170mm的制导系统的初步设计阶段，该值具有一定的鲁棒性和工程精度;根据Van Driest球面层流公式和正激波后等熵关系推导出当地换热参数仅是来流马赫数和物面倾角的函数，从而可证当来流马赫数固定不变时，Stine关于当地换热参数在球面层流换热条件下独立于来流雷诺数的结论;进一步推导出当地换热参数的马赫数无关属性，这与Stine的预测相一致，并在Crawford及Beckwith的实验中得到体现;通过与Stine的风洞试验结果比对验证了Van Driest球面层流公式对较大张角球面处的适用性，而非仅对驻点附近区域。根据当地换热参数在给定马赫数下的来流雷诺数无关属性以及马赫数无关属性，可通过风洞或飞行试验来细致研究球面转捩问题，也可为气动热数值计算程序的开发和校核提供理论判据。 6.长航时复合整流罩的设计。针对高速长航时整流罩的热障效应问题，以Van Driest球面层流换热系数为边界条件，采用有限元法计算了球形整流罩层流换热条件下的瞬时温升，结果表明，整流罩的温升较快，对于红外制导系统，需要结合任务轨迹规划来规避热障效应问题;针对高速长航时的应用需求，提出了一种分段小球头钝锥型复合整流罩结构设计，其前部采用多孔功能陶瓷材料，以其低热导率所产生的高温度梯度来阻滞小钝头处强烈对流换热的向后传导，截锥型ZnS整流罩布置在小球头后的层流区，采用同样的间接流固耦合方法对新型复合整流罩的瞬时温升进行了计算，结果表明，该复合整流罩能够有效延长飞行时间，且相对于侧窗系统，该复合整流罩的气动光学效应小，比较适用于长波红外制导系统的应用;在复合整流罩的基础上，提出了设计一种适于长航时应用的复合制导系统方案。