可重復(fù)使用飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)展望

王國慶，郭建國，周 軍，張?jiān)铝?/p>

(1.西北工業(yè)大學(xué)精確制導(dǎo)與控制研究所，西安710072；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076）

可重復(fù)使用飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)展望

王國慶1，郭建國1，周 軍1，張?jiān)铝?

(1.西北工業(yè)大學(xué)精確制導(dǎo)與控制研究所，西安710072；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京100076）

針對(duì)當(dāng)前可重復(fù)使用飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了其特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)。通過飛行任務(wù)，分析了可重復(fù)使用飛行器所面臨的復(fù)雜環(huán)境特性和飛行控制特性。從飛行控制角度出發(fā)，概括了可重復(fù)使用飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)控制所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括高精度導(dǎo)航技術(shù)、多約束航跡優(yōu)化技術(shù)、再入段和能量管理段的制導(dǎo)技術(shù)以及強(qiáng)耦合強(qiáng)不確定強(qiáng)魯棒姿態(tài)控制技術(shù)等。最后，針對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)可重復(fù)使用飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)提出了若干建議。

可重復(fù)使用飛行器；導(dǎo)航；制導(dǎo)控制；軌跡優(yōu)化

Abstract：The feather，advantage and tendency of reused launch vehicle are summarized according to the state of arts of vehicle.The complicated environment characteristics and flight control properties are analyzed according to flight mission.Furthermore，the challenges in navigation，guidance and control technology for reused launch vehicle in the view of flight control are presented including navigation technology with high precision，trajectory optimization technology with multi?constraints，guidance technology in the reentry phase and energy management，and robust coupling attitude control technology under strong uncertainties.Finally，some key issues are proposed for navigation，guidance and control of reused launch vehicle on the basis of the challenges.

Key words：reusable launch vehicle;navigation;guidance and control;trajectory optimization

0 引言

自由往返于天地之間是人類發(fā)展航天、探索太空的必備能力。雖然采用火箭發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了返回式衛(wèi)星和載人飛船進(jìn)出天地空間的能力，但是真正意義下的重復(fù)進(jìn)出空間的飛行器應(yīng)該是航天飛機(jī)。美國的 “哥倫比亞號(hào)” “挑戰(zhàn)者號(hào)” “發(fā)現(xiàn)號(hào)”和 “亞特蘭蒂斯號(hào)”航天飛機(jī)代表了一個(gè)航天飛機(jī)的時(shí)代，航天飛機(jī)能夠重復(fù)進(jìn)入空間完成各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)。但是，2011年7月21日 “亞特蘭蒂斯號(hào)”的 “謝幕之旅”正式宣告了美國30年航天飛機(jī)時(shí)代的終結(jié)［1］。

雖然航天飛機(jī)時(shí)代結(jié)束，但對(duì)于自由出入空間可重復(fù)使用飛行器的研究一直都在進(jìn)行。目前，可重復(fù)使用飛行器主要分為以下3大類：

(1）可重復(fù)使用火箭

如圖1所示，美國的SpaceX公司研制的 “獵鷹9號(hào)”火箭于2015年12月21日首次實(shí)現(xiàn)了發(fā)射和回收的圓滿成功，也是人類第一次實(shí)現(xiàn)一級(jí)火箭回收的軌道飛行器。其中，火箭回收技術(shù)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力可調(diào)與多次啟動(dòng)功能和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用技術(shù)，這3大關(guān)鍵技術(shù)支撐了可重復(fù)使用火箭的發(fā)展，不僅低成本地將有效載荷送到近地軌道，同時(shí)滿足載人航天的條件，引起航天工業(yè)的重大變革。

圖1 獵鷹9號(hào)火箭Fig.1 Rocket of Falcon 9

(2）可重復(fù)使用的迷你航天飛機(jī)

雖然美國的航天飛機(jī)自2011年退役了，但這種類型的航天器卻并未退出歷史舞臺(tái)。美國的內(nèi)華達(dá)山脈公司正在研制一種利用火箭垂直發(fā)射升空，能像飛機(jī)那樣水平著陸返回的迷你航天飛機(jī)—— “追夢(mèng)者”。如圖2所示，“追夢(mèng)者”采用一半像飛船一半像飛機(jī)的升力體外形的飛行器，體積大約是航天飛機(jī)的1/3，它將開啟新的迷你型航天飛機(jī)的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用的目標(biāo)。

圖2 “追夢(mèng)者”迷你航天飛機(jī)Fig.2 Mini space shuttle of Dreamer

圖3 X?37空間機(jī)動(dòng)飛行器Fig.3 Space maneuvering vehicle of X?37

(3）可重復(fù)使用空間機(jī)動(dòng)飛行器

空間機(jī)動(dòng)飛行器是一種跨越航空和航天兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的新型飛行器，它可以自由往返于天地之間，實(shí)現(xiàn)航天飛機(jī)的功能。美國空軍于2010年首次成功地開展了X?37的軌道實(shí)驗(yàn)。如圖3所示，X?37能夠在軌持續(xù)使用數(shù)月，維修性強(qiáng)，幾個(gè)小時(shí)后即可再次飛行，發(fā)射費(fèi)用低廉并可以將航天器送往任何軌道［2］。

X?37的成功試飛，使得俄、德、英、法、日、印等國重啟原先的空間機(jī)動(dòng)飛行器研制任務(wù)。俄羅斯重啟冷戰(zhàn)時(shí)期的 “多用途空天系統(tǒng)計(jì)劃”，即MAKS計(jì)劃。德國設(shè)計(jì)的 “桑格爾”空天飛機(jī)將在普通機(jī)場起飛，可一級(jí)入軌，并能水平著陸，預(yù)計(jì)可重復(fù)使用150次。英國提出 “霍托爾”空間機(jī)動(dòng)飛行器研究計(jì)劃和 “云霄塔”空間機(jī)動(dòng)飛行器計(jì)劃。印度啟動(dòng)了 “奇瓦塔”計(jì)劃，研制可重復(fù)使用100次的空間機(jī)動(dòng)飛行器。日本也提出了“希望號(hào)”無人駕駛空間機(jī)動(dòng)飛行器計(jì)劃［3］。

可重復(fù)使用飛行器采用可重復(fù)使用的火箭技術(shù)，或者采用吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)，具備可重復(fù)使用的能力，能夠自由往返于稠密大氣、臨近空間和近地軌道，是新一代的空天飛行器。這種飛行器具有地面設(shè)施簡單、維修使用方便、操作成本低、可以上百次重復(fù)使用等重要優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具有偵察、攻擊等潛在的軍事用途，因此可重復(fù)使用飛行器具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值，也是未來航空航天領(lǐng)域一體化的發(fā)展方向。

基于以上分析，可以看到可重復(fù)使用飛行器的發(fā)展趨勢(shì)主要如下：

(1）從有人駕駛到無人飛行器發(fā)展

航天飛機(jī)的失事，促使可重復(fù)使用飛行器向“無人”方向發(fā)展，并引發(fā)一系列的技術(shù)革新。

(2）從單級(jí)入軌到多級(jí)入軌的方向發(fā)展

由于各種組合發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了可重復(fù)使用飛行器的入軌要求，不僅可以采用重復(fù)使用的火箭技術(shù)，而且也可采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)、新型燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。目前，各國方案多使用超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)＋火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪噴氣＋沖壓噴氣＋火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合方式，實(shí)現(xiàn)多級(jí)入軌的飛行任務(wù)。

(3）向體積小、質(zhì)量輕、低成本的方向發(fā)展

從大型航天飛機(jī)到迷你型航天飛機(jī)，從一次型火箭到多次使用火箭，可重復(fù)使用飛行器均朝著體積小、質(zhì)量輕、低成本的方向發(fā)展。美國空軍工程大學(xué)對(duì)不可重復(fù)使用運(yùn)載器和可重復(fù)使用運(yùn)載器的運(yùn)輸成本進(jìn)行了對(duì)比分析，在同等有效載荷規(guī)模的運(yùn)載器，當(dāng)發(fā)射次數(shù)達(dá)到21次以后，可重復(fù)使用運(yùn)載器逐漸顯示出成本優(yōu)勢(shì)。特別是當(dāng)發(fā)射次數(shù)達(dá)到100次以后，可重復(fù)使用運(yùn)載器可將成本降低至2000美元/磅，成本縮減為不可重復(fù)使用運(yùn)載器的 1/10［4］。

(4）向高可靠性的方向發(fā)展

可重復(fù)使用飛行器在發(fā)射后，如果發(fā)生故障或事故，就能夠根據(jù)自身特性或高升阻比特性進(jìn)行無動(dòng)力滑翔并返回，減少故障或事故條件下的安全問題，也避免了原來出現(xiàn)故障或事故，就啟動(dòng)自毀程序，減少了飛行器自身損失以及對(duì)環(huán)境的影響。

(5）向快速重復(fù)使用的方向發(fā)展

可重復(fù)使用飛行器的優(yōu)勢(shì)是重復(fù)使用，快速重復(fù)使用就可以使飛行器快速響應(yīng)，再次升空，有效地提高飛行器的使用效率。

1 飛行任務(wù)分析

可重復(fù)使用飛行器在未來空間的開發(fā)、利用、科學(xué)研究以及空間的軍事應(yīng)用方面處于重要地位，針對(duì)其應(yīng)用前景，主要執(zhí)行以下3類飛行任務(wù)。

1.1 自由往返天地的運(yùn)輸任務(wù)

發(fā)展可重復(fù)使用飛行器的主要目的是降低天地之間的運(yùn)輸費(fèi)用。因此，對(duì)于可重復(fù)使用飛行器來說，首要任務(wù)是完成自由往返天地的運(yùn)輸任務(wù)。要完成這樣的任務(wù)，可重復(fù)使用飛行器就要經(jīng)歷亞聲速、超聲速和高超聲速等各種飛行狀態(tài)，跨越大氣層內(nèi)、臨近空間和低軌空間等各種環(huán)境，這對(duì)飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)提出很高的控制要求。

1.2 空間機(jī)動(dòng)飛行任務(wù)

除了作為運(yùn)載器的應(yīng)用，可重復(fù)使用飛行器另一個(gè)應(yīng)用是集飛機(jī)和航天器等多重功能于一體的空天飛行器。因此，不僅可以在大氣層內(nèi)的臨近空間做高超聲速機(jī)動(dòng)飛行，還能在大氣層外的外部空間作軌道機(jī)動(dòng)飛行，完成預(yù)定的變軌機(jī)動(dòng)。

1.3 空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)對(duì)抗任務(wù)

作為軍事應(yīng)用平臺(tái)，可重復(fù)使用飛行器還可以作為空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)，進(jìn)行快速機(jī)動(dòng)部署，來應(yīng)對(duì)新的大氣層內(nèi)和大氣層外威脅，在復(fù)雜環(huán)境下完成平臺(tái)對(duì)抗任務(wù)。

2 導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

可重復(fù)使用飛行器在復(fù)雜的飛行環(huán)境中，要完成上述3類典型的飛行任務(wù)，對(duì)導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)提出更高的挑戰(zhàn)。導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)要具有導(dǎo)航功能、入軌、軌道機(jī)動(dòng)、離軌、再入返回控制功能、能量管理功能、自主著陸功能和控制系統(tǒng)冗余管理與系統(tǒng)重構(gòu)等功能［5?8］。

2.1 高精度導(dǎo)航技術(shù)

由于可重復(fù)使用飛行器經(jīng)歷入軌、離軌、再入返回、能量管理和自主著陸整個(gè)飛行階段，對(duì)于其導(dǎo)航系統(tǒng)來說，必須能夠適應(yīng)整個(gè)飛行時(shí)間下的要求，而且也要適應(yīng)長航時(shí)的較高精度，才能完成不同飛行任務(wù)下的導(dǎo)航任務(wù)。一般來說，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)難以滿足整個(gè)飛行需求，需要綜合考慮多種導(dǎo)航系統(tǒng)，采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)，形成長航時(shí)的組合容錯(cuò)導(dǎo)航系統(tǒng)。例如，可以采用捷聯(lián)慣導(dǎo)/太陽敏感器/星敏感器/GPS/雷達(dá)高度表等組合導(dǎo)航方案，來適應(yīng)在高動(dòng)態(tài)載體下的飛行，以及采用相應(yīng)的冗余、容錯(cuò)和補(bǔ)償技術(shù)，從而達(dá)到高精度導(dǎo)航的目的。

2.2 多約束航跡優(yōu)化技術(shù)

對(duì)于可重復(fù)使用飛行器來說，由于經(jīng)歷的空域范圍大，速度變化大，因此飛行環(huán)境對(duì)整個(gè)飛行任務(wù)的約束就會(huì)增多，為了能夠更好地完成相應(yīng)的飛行任務(wù)，常?？紤]航跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)［9］。對(duì)于多約束條件，常?？紤]熱約束、動(dòng)壓約束、過載約束、控制量約束和終端約束等約束條件，借助于一定的優(yōu)化算法，從而形成滿足各種約束條件的最優(yōu)航跡，為可重復(fù)使用飛行器實(shí)際飛行提供支撐。

2.3 再入段和能量管理段的制導(dǎo)技術(shù)

由于進(jìn)入大氣層環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，以及自主著陸的要求，使得再入段和能量管理段成為可重復(fù)使用飛行器制導(dǎo)技術(shù)的關(guān)鍵問題。從再入點(diǎn)開始到自主著陸結(jié)束，整個(gè)飛行過程依靠飛行器控制系統(tǒng)對(duì)飛行速度、高度、能量和航向進(jìn)行有效控制，同時(shí)保證在進(jìn)場著陸窗口處達(dá)到滿足性能要求的能量、位置、速度和航向，就需要根據(jù)實(shí)際飛行任務(wù)完成相應(yīng)的制導(dǎo)，保證飛行器的安全飛行和準(zhǔn)確著陸。

2.4 強(qiáng)耦合強(qiáng)不確定強(qiáng)魯棒性姿態(tài)控制技術(shù)

由于飛行器速度、高度和空域跨度范圍大，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，因此可重復(fù)使用飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定控制對(duì)于整個(gè)飛行過程起著重要的支撐作用。一方面，是飛行環(huán)境下不確定因素多，干擾影響大，約束條件多，相應(yīng)的非線性特性和耦合性非常明顯；另一方面，對(duì)于飛行器姿態(tài)控制精度要求高，因此設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制應(yīng)該強(qiáng)耦合強(qiáng)不確定強(qiáng)魯棒性的控制系統(tǒng)，才能有效地抑制各種隨機(jī)不確定的影響，從而有效地協(xié)調(diào)管理操縱控制系統(tǒng)，匹配于整個(gè)飛行過程的制導(dǎo)要求。

2.5 高精度著陸控制技術(shù)

可重復(fù)使用飛行器最終要實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用，就必須有高精度的著陸控制技術(shù)，保證飛行器在預(yù)設(shè)的飛行方案下，以設(shè)定的姿態(tài)角和下沉速率安全著陸到目標(biāo)點(diǎn)。就要解決著陸段多約束條件下，降落時(shí)間短的高精度控制問題，實(shí)現(xiàn)安全著陸。

3 導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)研究的建議

可重復(fù)使用飛行器由于飛行環(huán)境的復(fù)雜性和飛行任務(wù)等要求，對(duì)其導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)提出了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，需要結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外在高超聲速飛行器導(dǎo)航與控制領(lǐng)域的研究成果，深入探究其導(dǎo)航與控制機(jī)理，這里主要從以下4個(gè)方面給出相應(yīng)的建議。

3.1 面向飛行任務(wù)的新型導(dǎo)航技術(shù)研究

開展面向飛行任務(wù)的新型導(dǎo)航技術(shù)，是解決可重復(fù)使用飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用制約的重要技術(shù)途徑。特別是執(zhí)行特殊飛行任務(wù)時(shí)，對(duì)高精度導(dǎo)航系統(tǒng)具有很強(qiáng)的依賴性。2014年，DARPA已經(jīng)開始發(fā)展5項(xiàng)不依賴 GPS的導(dǎo)航技術(shù)項(xiàng)目［10］，包括定位、導(dǎo)航與授時(shí)微技術(shù)、自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)、量子輔助傳感與讀出和超速激光科學(xué)與工程。因此，探索新型導(dǎo)航技術(shù)，如量子導(dǎo)航、偏振導(dǎo)航等技術(shù)，成為未來高精度導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展前沿。

3.2 面向復(fù)雜飛行環(huán)境下動(dòng)力學(xué)特性研究

可重復(fù)使用飛行器自由往返天地，就要面臨復(fù)雜的環(huán)境特性，而當(dāng)前臨近空間下稀薄氣體效應(yīng)、高溫氣體效應(yīng)以及流動(dòng)轉(zhuǎn)捩等機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。由于在高空高速下飛行，復(fù)雜的飛行環(huán)境對(duì)飛行器動(dòng)力學(xué)特性影響特別大，如高空高速稀薄流動(dòng)將在局部位置引起速度滑移與溫度梯度跳躍，導(dǎo)致升阻特性和力矩特性發(fā)生變化，使得飛行器面臨更為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)不確定性。

3.3 面向制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模型研究

由于可重復(fù)使用飛行器飛行任務(wù)的不同，需要針對(duì)不同的任務(wù)需求以及復(fù)雜飛行環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)合制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，面向制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模型成為可重復(fù)使用飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要保障。

針對(duì)可重復(fù)使用飛行器制導(dǎo)控制的需求，可以分別從非線性動(dòng)力學(xué)模型、物理模型、半實(shí)物模型等方面入手，結(jié)合模型參數(shù)和階數(shù)的要求，建立飛行器在各個(gè)階段反映飛行器特點(diǎn)的需求模型，表征出飛行器的特性。

此外，模型的保真度將是模型研究的重要考核指標(biāo)，也是制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，是飛行器能夠完成實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)成功的保證。

3.4 面向異常事件下智能自主制導(dǎo)控制技術(shù)研究

由于飛行環(huán)境的復(fù)雜性以及飛行包絡(luò)的限制，使得可重復(fù)使用飛行器在大空域飛行時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)意想不到的異常事件，如美國HTV?2的兩次失敗。任何微小的異常事件，都將影響到可重復(fù)使用飛行器的安全飛行。因此，智能自主控制飛行器在出現(xiàn)未知異常事件時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器安全返回，將是可重復(fù)使用飛行器控制技術(shù)研究的關(guān)鍵問題。

4 結(jié)論

可重復(fù)使用飛行器的導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)是目前航空航天技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展中具有挑戰(zhàn)的課題之一，這類飛行器所帶來的新的導(dǎo)航制導(dǎo)控制技術(shù)問題必將促進(jìn)相關(guān)導(dǎo)航制導(dǎo)控制基礎(chǔ)的研究與探索，促進(jìn)人類快速步入自由往返天地的時(shí)代。

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Prospects for Navigation，Guidance and Control Technology of Reused Launch Vehicle

WANG Guo?qing1,GUO Jian?guo1,ZHOU Jun1,ZHANG Yue?ling2
(1.Institute of Precision Guidance and Control,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072;2.China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076）

V448

A

1674?5558(2017）07?01404

10.3969/j.issn.1674?5558.2017.05.015

2017?05?03

王國慶，男，博士，研究方向?yàn)轱w行器制導(dǎo)、控制與仿真。