飛行器與飛行器控制的研究

朱俊璋

(山東省萊蕪市第一中學(xué) 山東 萊蕪 271100)

隨著我國(guó)國(guó)際地位的不斷提高及綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng),國(guó)家對(duì)航空航天技術(shù)的發(fā)展也越來越重視。航空航天技術(shù)是目前世界各國(guó)都非常重視的研究領(lǐng)域,它也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力強(qiáng)弱和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平高低的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前,世界各國(guó)對(duì)于航天飛行器的研究都在不斷深入,通過世界各國(guó)航天領(lǐng)域研究者的不斷努力,對(duì)于飛行器控制的研究也取得了顯著的進(jìn)步。本文所將對(duì)航天飛行器進(jìn)行介紹,并且對(duì)飛行器的控制研究及飛行器控制研究所面臨的問題及挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。

一、飛行器的技術(shù)發(fā)展

眾所周知,萊特兄弟在1903年以前人的研究成果為基礎(chǔ)解決了飛機(jī)的三軸可控及平衡問題,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力式飛機(jī)的第一次飛行,為未來飛行器的發(fā)展奠定了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。上個(gè)世紀(jì)60年代,飛機(jī)發(fā)展遇到一個(gè)難題,之前的常規(guī)設(shè)計(jì)已經(jīng)不能夠滿足人們對(duì)飛機(jī)的使用性能的要求。所以再后來的設(shè)計(jì)中,出現(xiàn)了把飛機(jī)設(shè)計(jì)為靜不定及中立穩(wěn)定的模型,并能控制飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型。隨后,在飛機(jī)研究領(lǐng)域中產(chǎn)生了兩個(gè)非常重要的概念：電傳時(shí)示控制系統(tǒng)和主動(dòng)控制技術(shù)。這兩個(gè)概念的進(jìn)一步推動(dòng)航天飛行器的發(fā)展。電傳時(shí)示控制系統(tǒng)和主動(dòng)控制技術(shù)后來被廣泛的應(yīng)用于第三代軍用飛機(jī)中。

90年代后期,航天時(shí)示器在構(gòu)型、超音速、隱身化、無人機(jī)等方面的發(fā)展愈發(fā)的受到重視。隨著信息融合的一體化發(fā)展,飛行器控制一體化的現(xiàn)象也日益明顯,這也對(duì)飛行器提出了更高的要求：

1)包線明示：更寬、更高、更快

2)空間布局：變體布局

3)結(jié)構(gòu)材料：盡量采用強(qiáng)度高的高強(qiáng)材料

4)信息控制：計(jì)算及通信盡量做到網(wǎng)絡(luò)一體化

5)環(huán)境及其他：盡量適用于不同環(huán)境及滿足成本低、性能好的要求

二、飛行器控制發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

飛行器技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)飛行器的控制提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。目前飛行器的控制發(fā)展不但要求技術(shù)上的創(chuàng)新發(fā)展,更需要研究人員去挖掘一種新的控制理念,因此,飛行器的控制就面臨著一些新的挑戰(zhàn)：

1)飛行器控制動(dòng)力模型更加復(fù)雜

飛行器控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)是以動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ),大多數(shù)情況下是以線性模型為基礎(chǔ)。但是,因?yàn)轱w行器的先進(jìn)化布局關(guān)系到許多非線性和強(qiáng)藕合的問題,傳統(tǒng)的飛行器控制系統(tǒng)大多把配平狀態(tài)下小擾動(dòng)的線性化和線性的控制理論作為基礎(chǔ),這成為飛行器控制系統(tǒng)的時(shí)：一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因?yàn)閯?dòng)力學(xué)具有很強(qiáng)的非線性,當(dāng)氣動(dòng)參數(shù)到非線性的區(qū)域：橫測(cè)向和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的藕合很嚴(yán)重就會(huì)導(dǎo)致飛行器的運(yùn)動(dòng)具有不確定性。

2)飛行器控制涉及到多個(gè)學(xué)科的交叉設(shè)計(jì)和研究

以前多個(gè)學(xué)科的交叉設(shè)計(jì)和研究總是停滯在飛行器總體的設(shè)計(jì)階段,對(duì)于飛行器飛行的性能應(yīng)該把氣動(dòng)力、動(dòng)力裝置[1]、結(jié)構(gòu)裝置和飛行器的控制技術(shù)進(jìn)行綜合分析。未來的飛行器發(fā)展需要將氣動(dòng)力、動(dòng)力裝置、結(jié)構(gòu)裝置和飛行器的控制結(jié)合的更加緊密來滿足飛行器發(fā)展的新需求。在三者的組合過程中,動(dòng)力裝置不僅可以提供氣動(dòng)力,還能夠起重要的控制作用,各個(gè)控制作用互相催進(jìn)和影響對(duì)方。因此,關(guān)于飛行器控制涉及多個(gè)學(xué)科的交叉設(shè)計(jì)和研究這個(gè)問題,不能僅僅停留在飛行器設(shè)計(jì)的總體階段,還要深入到飛行器的控制系統(tǒng)。

3)飛行器的控制作用：多元、混合、創(chuàng)新、異構(gòu)

飛行器多元、混合、創(chuàng)新、異構(gòu)的控制作用包含氣流主動(dòng)控制、矢量射流噴管、氣動(dòng)連續(xù)控制面、材料的變形控制等,以上所列出的創(chuàng)新型控制作用與傳統(tǒng)的氣動(dòng)控制相結(jié)合,就能夠解決未來可能出現(xiàn)的新的使用條件下新氣動(dòng)布局的飛行器的性能及控制作用。飛行器空天一體化[2]使飛行器的發(fā)展進(jìn)入了高潮,使飛行器達(dá)到了不同的飛行階段和不同的過度飛行階段都能得到有效的控制。因此,應(yīng)該深入研究飛行器的控制作用。

4)飛行器控制發(fā)射適應(yīng)性不夠

目前,飛行器最大的應(yīng)用領(lǐng)域就是航天領(lǐng)域,在航空飛行器升空起飛的過程中,對(duì)于運(yùn)載發(fā)射的火箭精度要求越來越高,雖然我國(guó)針對(duì)之一問題已經(jīng)采取有效的措施,但是依然不能對(duì)飛行器進(jìn)行非常精確的控制。飛行器的控制系統(tǒng)是飛行器最重要的一部分,所以,提高飛行器的控制系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)航空飛行器的安全性和穩(wěn)定性有著決定性的作用。與此同時(shí),航天飛行器的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)飛行器的控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)設(shè)定了更高的目標(biāo)。

三、飛行器控制的關(guān)鍵技術(shù)的分析

目前,中國(guó)對(duì)于飛行器的研究非常重視,并且在飛行器控制方面有非常顯著的進(jìn)步,其中飛行器控制系統(tǒng)體現(xiàn)出精確性、穩(wěn)定性、普適性的基本性能,有較快的響應(yīng)速度、返回穩(wěn)定的性能并且有效解決在飛行中出現(xiàn)的各種故障,很好的滿足在以后的宇宙空間航空飛行器的作戰(zhàn)及飛行要求,以及實(shí)現(xiàn)在天空及大地間的往返過程中相對(duì)復(fù)雜的工作操作要求。對(duì)于航天飛行器的控制系統(tǒng)工作,有以下幾個(gè)基礎(chǔ)性技術(shù)：

1)飛行器在上升階段的最優(yōu)控制軌跡技術(shù)[3]

在飛行器起飛和上升的過程中最主要的的障礙就是大氣層中氣流這一因素,在起飛和上升的這一過程中,也可能出現(xiàn)在平時(shí)難以預(yù)料的問題和事故,此時(shí)最優(yōu)控制軌跡技術(shù)就顯得尤為重要。通過對(duì)飛行器進(jìn)行最優(yōu)的上升和起飛軌跡設(shè)計(jì),能夠使航天飛行器安全的進(jìn)入太空中,與此同時(shí),飛行器在上升階段的最優(yōu)控制軌跡技術(shù)的應(yīng)用也成功降低了資金的投入。

2)航天軌道的大氣層的超聲速控制技術(shù)及往返技術(shù)

飛行器在剛開始進(jìn)入到宇宙和從宇宙返回地面時(shí),度過了三個(gè)重要的飛行階段,三個(gè)階段分別為真空大氣層、稀薄空氣層、濃密空氣層。在這個(gè)過程中,飛行器需要滿足各個(gè)方面的飛行要求,這其中主要包括飛行過程中的約束因素和終端的約束條件。因此,這就要求飛行器的控制系統(tǒng)具備良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性能等。與此同時(shí),還要對(duì)飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡切入及各個(gè)方面的約束條件進(jìn)行控制和解決。

3)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的飛行器進(jìn)行空天一體化時(shí)的姿態(tài)控制

由于科技發(fā)展的廣大需求,現(xiàn)在的飛行器需要達(dá)到的要求非常高,需要完成的任務(wù)與越來越復(fù)雜,而且現(xiàn)在飛行器的工作模式多樣化,能夠充分滿足目前航空航天技術(shù)發(fā)展的需求。但是,在大面積的區(qū)域中飛行,會(huì)遇到許多來自外界的各個(gè)方面的干擾因素,并且飛行器會(huì)表現(xiàn)出內(nèi)部參數(shù)的不穩(wěn)定性。因此,為了能夠更加充分的滿足飛行器在進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)變和脫離軌道過程中需要的高要求,真正地完成空天一體化的高姿態(tài)目標(biāo),這就要求研究人員針對(duì)飛行器的高姿態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行多次的演練模擬,提高控制的準(zhǔn)確性,加強(qiáng)對(duì)各類不確定因素的控制。

總 結(jié) 綜上所述,飛行器及飛行器的控制研究在未來充滿著挑戰(zhàn),同時(shí)也是我國(guó)航空航天技術(shù)發(fā)展的最基本也是最重要的因素。對(duì)于飛行器的控制是我國(guó)航空航天領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn),我們必須抓住這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),正面面對(duì)飛行器控制方面的挑戰(zhàn),努力加強(qiáng)飛行器的控制與研究,積極推動(dòng)我國(guó)航空航天技術(shù)的發(fā)展。

[1]方洋旺,柴棟,毛東輝,張磊．吸氣式高超聲速飛行器制導(dǎo)與控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．航空學(xué)報(bào),2014,35(07)：1776－1786．

[2]楊成順．多旋翼飛行器建模與飛行控制技術(shù)研究[D]．南京航空航天大學(xué),2013．

[3]蔡紅明．微型涵道飛行器的設(shè)計(jì)與控制研究[D]．南京航空航天大學(xué),2012．