超高声速临近空间飞行器控制的关键技术.doc

临近空间超高声速飞行器控制的关键技术航 空对流层平流层中间层热 层临近空间航 天20km100km0. 引言图1 临近空间示意图临近空间是指传统的航天和航空之间的空白区域，一般认为在20100km之间的空间领域，包括平流层的大部分区域、中间层和热层的部分区域。其下面的空域我们通常称之为“天空”，是传统航空器的主要活动空间；其上面的空域就是我们平常说的“太空”，是卫星等航天器的运行空间。图2 临近空间飞行器的分类高 速亚轨道飞行器 低 速高超声速临近空间飞行器超声速临近空间飞行器高超声速临近空间飞行器无 人 机太阳能飞机飞 艇气 球临 近 空 间 飞 行 器临近空间飞行器特指能在临近空间作持续飞行并完成一定使命的飞行器, 因此不包括只是穿越该区域飞行的飞行器。临近空间飞行器根据飞行速度的不同，可分为低速临近空间飞行器和高速临近空间飞行器。低速临近空间飞行器类型主要有：气球、飞艇、无人机和太阳能飞机等；高速临近空间飞行器一般包括超声速、高超声速临近空间飞行器和亚轨道飞行器等。临近空间高超声速飞行器是指主要在临近空间内飞行，并且完成特定任务的马赫数大于5的飞行器。本文重要以X-51巡航导弹为代表，对临近空间高超声速飞行器进行了介绍，并系统地分析了其导航与控制的关键技术，最后给出了临近空间高超声速飞行器的发展趋势。1. 临近空间高超声速飞行器图3 X-51超燃冲压飞行器高速临近空间飞行器主要可分为两大类:以火箭为动力的高超声速飞行器(hypersonic rocket vehicles,HRV)和以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器(hypersonic air-breathing vehicles,HAV)，如:高超声速巡航导弹、远程机动弹道导弹、高超声速飞机、可重复使用的高超声速空天飞行器等。20世纪60年代以来,以火箭为动力的高超声速航天飞行器(如:各类导弹、卫星、载人航天器、空间实验室、空间站和大型运载工具等),有了很大发展,目前技术已达到成熟。以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器,受到广泛关注。从20世纪50年代末开始对超燃发动机的探索性研究,70年代后期,出现低潮,几经周折,到80年代后期、90年代初中期,关键技术问题取得突破性进展,目前已进入飞行演示验证阶段。近年来，临近空间高超声速飞行器受到了美国军方的高度重视。美国于2010年5月26日在加利福尼亚州南部太平洋海岸的军事基地，成功试飞一架高压喷气动力驱动的高超音速X-51A飞行试验机。该试验机采用普惠公司制造的吸气式超音速燃烧冲压引擎，可提供超过200秒的动力冲压支持，使飞机在短时间内提速至5马赫。可以认为，这类飞行器是继螺旋桨、喷气式推进飞机之后航空史上的第三次革命。临近空间高超声速飞行器可用于远程机动作战和精确打击,包括高超声速的巡航飞行器和巡航弹,通用航空飞行器(CAV)等。临近空间飞行器既是武器平台,又是进攻武器,能大大加快未来信息战、空间战中获取信息和毁伤目标的速度,实现机械化和信息化的复合发展。在临近空间众多的飞行器中,高超声速武器具有高超声速、高机动的远程精确打击能力,因此已成为世界军事热点,将引发未来战争概念和模式的革命,也将对人类生活产生极为深远的影响。上世纪50年代提出高超声速飞行概念以来,世界各军事强国都在研究高超声速武器,特别是在超燃冲压发动机和高超声速飞行器一体化设计方面。近年来,美、俄、法、澳等国相继取得重大技术突破,并确立了基本可行的技术路线美国先后提出高超声速技术计划、高超声速飞行器试验计划等,开发验证了多项关键技术。欧洲以法国为代表,正在积极开展超燃冲压发动机的研究工作,并探索高超声速的巡航导弹和飞机及空天飞机。俄罗斯在高超声速技术领域一直处于世界领先地位,先后实施了“彩虹”-D2、“鹰”、“鹰”-31等高超声速计划。目前,美、法等国正在加紧进行以高超声速巡航导弹为主要应用背景的全尺寸外形动力试飞器的研究工作,高超声速巡航导弹有望2020年前装备部队。2. X-51高超声速巡航导弹2.1 X-51导弹2010年5月26日上午10时左右，左翼装载了X-51的空军飞行试验中心的B-52同温层堡垒的从基地起飞。然后，在飞行至穆谷海军航空作战中心领海范围内5万英尺的高空时，X-51被释放出来。四秒钟后，在X-51与连接架分离之前，由陆军战术导弹固体火箭助推器驱动的X-51已提速至约4.8马赫。图4 X-51从B-52轰炸机下落 图5 左翼装载了X-51的B-52X-51是美国全球高速摧毁武器，被称为“乘波者”（WaveRider），它是一种从B-52轰炸机上发射的巡航导弹，由助推火箭加速到超声速，再利用冲压发动机使其达到高超声速。X-51导弹头部扁平，弹身中部设有四片可以偏转的小翼（襟翼）和腹部进气道，弹体长约3.5米，弹体采用标准的镍合金制造，并非稀有材料，其重量和体积与联合防区外空对地导弹差不多，因此可以搭载在B-52等轰炸机和其他喷气战斗机上发射。采用了乘波构型设计概念，通过专门设计的尖锐头部，可以形成按精确角度分布的激波系，使激波系产生的所有压力直接作用在导弹下方，从而为导弹提供升力。同时，头部形成的激波系还能起到压缩空气的作用，有助于X-51发动机的燃烧过程。飞行速度为马赫数5.0（近6000千米/小时），是世界上第一个能够达到如此高速度的空射巡航导弹。载机将X-51导弹携带到1.5万米高空后投放，然后弹体后部安装的“陆军战术导弹系统”的火箭发动机作为助推器点火，将约730千克的导弹推至马赫数4.5的飞行速度，并在其爬升到约3万米以上的高空后，抛弃助推器，起动冲压发动机加速到最大速度（马赫数5），X-51导弹本身的射程约1000千米。这种超燃冲压发动机的首要目的是开发快速打击能力，不过也可以用于太空运输。随着航天飞机和35年之久的技术的逐渐过时，美国正在寻求以超燃冲压发动机提供动力的运载器。除了用于吸气式太空发射，超燃冲压发动机/冲压喷气发动机组合还能实现飞行器依靠吸气式发动机提供的动力着陆，而不是像航天飞机那样依靠无动力滑翔着陆，承担很高的风险。2.2 X-51导弹的使用优势X-51导弹具有更大的机动优势，当带有X-51导弹的作战飞机升空后，地面决策指挥官可以有充分的时间对各种情报做出及时的反应，作战飞机既不用像潜艇那样要寻找有利的攻击位置，因为即使情报错误造成错误攻击它所会带来的破坏也比“三叉戟”导弹小得多，发动攻击的决策指令也不需要由总统办公室做出。此外，由于X-51不需要载机冒着危险飞过他国领空，特别是有核国家，从而无需担心会引发国际纠纷甚至存在引发核大战的风险。3. 控制中的关键技术3.1 变参数、快速响应、强鲁棒性、高效控制系统设计临近空间飞行器为了追求高的升阻比和优异的机动性能,一般外形都比较复杂,飞行过程中速度和空域变化范围也很大。飞行器在不同速度下,自身的气动特性(升阻比、稳定性和操纵性)也会发生很大变化,这就为飞行控制增加了新的困难。高机动性要求快速响应的控制系统和大的控制力作用,以产生大过载。临近空间飞行器控制问题研究的重点是：面对飞行器所具有的多变量、时变参数、强鲁棒性、高度非线性、纵横向交叉耦合、气动弹性效应显著等挑战性难题，研究系统的动力学建模、控制律设计及稳定性分析方法，尤其是长时间巡航飞行，严酷力、热载荷环境下的伺服机构的设计问题以及高机动状态下的精确控制问题等。高空大气密度稀薄, 气动舵面的控制效率显著下降，已不能满足要求, 因此要借助于喷流反作用控制(reaction jet control system, RCS) 和推力矢量控制(美国的X-31 验证机、F-22 和俄罗斯的Su-37上都采用了这一先进技术)。多个喷流反作用控制单元与气动操纵面以及推力矢量(甚至包括调整质心位置等其他方法)相结合形成的复合控制系统，成为对近空间飞行器实施有效控制的重要手段。俄罗斯首次在R-73先进红外格斗近距空空导弹上应用推力矢量与气动力综合的复合控制技术。在尾喷口四周加装4 片偏转舵面实现推力矢量控制，并与空气动力控制相结合，使导弹的控制通道由传统的双通道控制变为5通道控制，即2个喷流偏转舵控制通道、2个空气动力舵面控制通道和1个副翼控制通道，从而使导弹在主动段上的最大机动过载达到60g。证明了这种方法的有效性。复合控制系统涉及大量的关键技术问题，如:复合控制系统工作模式优化设计与仿真建模，控制发动机点火逻辑与控制周期的设计, 侧向喷流直接力作用和喷流与主流场的气动干扰效应建模与分析计算,控制系统工作频率与舵系统带宽与弹性弹体频率的匹配，复合控制系统的风洞与地面模拟试验等。3.2 制导与控制技术方面（1）.捷联惯导系统的快速初始对准与高动态传递对准技术；（2）.组合导航的信息融合与容错以及误差修正技术；（3）.“黑障”区内的导航信息补偿技术；（4）.高动态下（高马赫与大过载）卫星导航信号的快速捕获技术；（5）.实时通信与目标重定位定向技术；（6）.基于在线智能优化的标准轨道制导技术；（7）.无动力再入滑翔航路点（WayPoint）制导技术；（8）.高精度末段能量管理与制导技术；（9）.气动力与RCS的融合控制技术；（10）.基于动态逆和神经网络的智能自适应控制技术；（11）.大攻角解耦组合与BTT（Bank To Turn）姿态控制技术；（12）.再入轨道、制导与控制一体化设计技术。3.3 智能变形飞行器技术临近空间飞行器从地面或运载平台上起飞，穿越大气层飞行, 执行各种任务使命, 其飞行环境(高度、飞行马赫数等) 变化很大；固定外形的飞行器很难适应如此广泛的环境参数变化, 始终保持优良的使用性能。因此要采用智能变形飞行器技术(morphing aircraft technology, MAT)。随着空气动力、智能材料和控制技术的发展, 这种设想正逐步变成现实。智能变形包括两层含义：对变形进行智能控制和以智能材料与结构为基础实现变形。需要重点解决的关键技术问题有：可变形飞行器气动性能预测和气动布局研究，可变形飞行器总体与设计优化，变形过程及变形前后的飞行稳定性与操纵特性，可变形飞行器的飞行控制技术，智能材料与结构的应用技术。4. 临近空间超高声速飞行器发展趋势虽然高超声速飞行器研制难度很大，但由于临近空间高超声速飞行器的特殊军事使用价值，其研究的广