飛行器與飛行器控制研究

王漢元

摘 要：本文重點(diǎn)對(duì)飛行器以及對(duì)飛行器的控制進(jìn)行了分析，總結(jié)了當(dāng)前我國(guó)在航天飛行器研究方面存在的問(wèn)題以及挑戰(zhàn)，然后概括了我國(guó)未來(lái)在航天發(fā)展領(lǐng)域中對(duì)飛行器控制技術(shù)的發(fā)展和基礎(chǔ)問(wèn)題的解決，針對(duì)性分析了當(dāng)前航天飛行器控制技術(shù)的研究進(jìn)展，對(duì)未來(lái)我國(guó)在航天飛行器研究和發(fā)展提出了建議。

關(guān)鍵詞：航天飛行器；控制；動(dòng)力學(xué)

航天技術(shù)是當(dāng)前世界科技發(fā)展歷程中比較高端的科技技術(shù)之一，同時(shí)也是象征著一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展層次和國(guó)力強(qiáng)弱的重要標(biāo)志。當(dāng)前，世界上各大航天大國(guó)以及相關(guān)的研究工作者對(duì)飛行器的研究進(jìn)程不斷的深入，其中對(duì)飛行器的進(jìn)入空間、提升空間大小控制以及有效實(shí)現(xiàn)天地往返等方面技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)各種頂尖科技技術(shù)的研究，將全新的設(shè)計(jì)概念融入到世界各國(guó)的發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中，并且取得了階段性的進(jìn)展。本文所介紹的航天器，重點(diǎn)是針對(duì)進(jìn)入到宇宙空間中的運(yùn)載火箭和空間飛行器，對(duì)這種飛行器的研究涉及到了飛行器控制理論與技術(shù)屬于當(dāng)前對(duì)空間飛行器研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容，具有一定的挑戰(zhàn)性、前瞻性、先進(jìn)性以及基礎(chǔ)性等方面的特點(diǎn)，對(duì)該技術(shù)的分析研究已經(jīng)成為了我國(guó)航天事業(yè)在未來(lái)工作發(fā)展過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。

1 航天飛行器控制技術(shù)領(lǐng)域中的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

1.1 空間控制和控制技術(shù)問(wèn)題

我國(guó)在歷經(jīng)四十多年的研究和發(fā)展，我國(guó)在運(yùn)載火箭技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了突破性的緊張，已經(jīng)獨(dú)立自主研發(fā)出了十四種不同型號(hào)的“長(zhǎng)征”系列的空間運(yùn)載火箭，空間運(yùn)載火箭具有近地發(fā)射軌道、地球同步軌道以及太陽(yáng)同步軌道等多種不同類(lèi)型的運(yùn)行途徑，飛行器的入軌精度已經(jīng)充分達(dá)到了世界飛行器研究先進(jìn)水平。盡管當(dāng)前我國(guó)在人造運(yùn)行火箭技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，在國(guó)際航天技術(shù)研究領(lǐng)域當(dāng)中占據(jù)了重要地位，并且已經(jīng)通過(guò)了高密度發(fā)射測(cè)試考核，在航天技術(shù)控制方面已經(jīng)得到了有效的驗(yàn)證。盡管如此，我國(guó)在和世界上一些頂尖的航天器研究大國(guó)相比，還是存在著一定的差距和不足。因此，我們是需要在航天技術(shù)研究份工作上不斷的努力，爭(zhēng)取達(dá)到世界航天技術(shù)的頂端水平[1]。

1.2 對(duì)運(yùn)載火箭出現(xiàn)問(wèn)題故障的處理能力不足

在航天器飛行器發(fā)射和運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，因?yàn)榉菫?zāi)難性的問(wèn)題造成航天飛行器發(fā)射工作出現(xiàn)故障，以至于造成了航天飛行器發(fā)射失敗。針對(duì)這些方面的問(wèn)題原因，通?？梢酝ㄟ^(guò)一些理論設(shè)計(jì)的方式方法來(lái)進(jìn)行解決，這就需要航天研究人員通過(guò)判斷與防御的方式，來(lái)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)的故障實(shí)施監(jiān)控和檢測(cè)，然后在通過(guò)技術(shù)隔離的方式進(jìn)行防護(hù)，從中可以有效的檢測(cè)出飛行器系統(tǒng)中出現(xiàn)問(wèn)題的部分，針對(duì)這部分的問(wèn)題進(jìn)行有效的解決，這對(duì)航天飛行器任務(wù)調(diào)整提供出了決策方面的支撐能力，同時(shí)對(duì)航天飛行器設(shè)施維護(hù)與更改工作提供一定的建議和指導(dǎo)。

1.3 對(duì)航天飛行器發(fā)射活動(dòng)的適應(yīng)性不足

在航天飛行器起飛環(huán)節(jié)當(dāng)中，對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射的精確程度要求非常高，當(dāng)前我在這方面的應(yīng)對(duì)措施已經(jīng)取得良好的進(jìn)展，但是其中還是不具備對(duì)發(fā)射時(shí)間中敏感性工作的充分適應(yīng)能力。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)屬于航天飛行器中的大腦中樞，提升航天飛行器中樞控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，對(duì)提升航天飛行器整體的運(yùn)行系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性有著決定性的意義。所以說(shuō)，我們可以通過(guò)對(duì)航天飛行器中樞控制技術(shù)的不斷革新，以及對(duì)航天飛行器控制系統(tǒng)理論知識(shí)深度的加深來(lái)不斷的提升航天飛行器運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，航天飛行器中樞控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)飛行器控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)[2]。

2 航天飛行器控制中的關(guān)鍵性技術(shù)分析

當(dāng)前，我國(guó)在航天飛行器的研究方面取得了非常明顯的進(jìn)展，其中對(duì)航天飛行器的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性、適應(yīng)性以及自主飛行技術(shù)作為基本特性，具有響應(yīng)速度較快、應(yīng)急返回穩(wěn)定以及對(duì)飛行過(guò)程中出現(xiàn)各種故障進(jìn)行解決，充分的滿足了航天飛行器在未來(lái)宇宙空間中的作戰(zhàn)要求，以及在天地之間往返實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的操作工作要求。對(duì)航天飛行器系統(tǒng)控制工作中，具有以下幾個(gè)方面的基礎(chǔ)性技術(shù)：

2.1 航天飛行器上升階段的最優(yōu)軌跡控制技術(shù)

在航天飛行器的起飛上升過(guò)程中最優(yōu)軌跡的控制技術(shù)，重點(diǎn)是受到大氣層當(dāng)中的內(nèi)氣流的影響，在具體的飛行過(guò)程當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)難以預(yù)料的問(wèn)題故障，通過(guò)對(duì)航天飛行器最優(yōu)化的上升軌跡的設(shè)計(jì)方式，可以充分的實(shí)現(xiàn)飛行器的自主性和快速性的上升，通過(guò)這種方式來(lái)滿足對(duì)航天飛行器的安全穩(wěn)定進(jìn)入到太空當(dāng)中，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了降低資金投入成本的作用。其中所包含了關(guān)鍵性技術(shù)包含了：飛行器的軌跡在線規(guī)劃、飛行器故障在線處理、風(fēng)載荷技術(shù)控制、自動(dòng)化指導(dǎo)控制技術(shù)以及自動(dòng)故障檢測(cè)等方面的功能[3]。

2.2 軌道往返技術(shù)和大氣層超聲速控制技術(shù)

航天飛行器在進(jìn)入宇宙和返回地面的過(guò)程中，穿過(guò)了真空層、空氣稀薄層、空氣濃密層這三個(gè)重要的軌跡階段，在此過(guò)程當(dāng)中需要充分的滿足飛行器在運(yùn)行過(guò)程中的各種不同的需求條件，其中包含了運(yùn)行過(guò)程的約束條件、終端約束他條件等，這就要求在航天飛行器當(dāng)中的制導(dǎo)系統(tǒng)就要具備優(yōu)良的穩(wěn)定性、自動(dòng)型以及自適應(yīng)能力等。除此之外，我們還需要對(duì)航天飛行器的運(yùn)行軌跡快速切入、多方面條件約束等大范圍下的橫向機(jī)動(dòng)飛行制導(dǎo)等方面的問(wèn)題加以解決。其中所包含的關(guān)鍵性技術(shù)有：航天飛行器制動(dòng)返回軌道制導(dǎo)技術(shù)、終端能量制動(dòng)管理技術(shù)以及大范圍性的橫向機(jī)動(dòng)和預(yù)防規(guī)避飛行制導(dǎo)技術(shù)等[4]。

2.3 空天一體化全區(qū)域復(fù)雜結(jié)構(gòu)飛行器姿態(tài)控制技術(shù)

因?yàn)榭萍技夹g(shù)發(fā)展的需求，現(xiàn)在空天航天飛行器需要做到的任務(wù)非常多，并且工作模式比較的多樣化，充分滿足了大面積區(qū)域內(nèi)的空間飛行要求，在大面積區(qū)域中的飛行狀況下，會(huì)存在很多外界方面因素的干擾，并且表現(xiàn)出航天飛行器內(nèi)部參數(shù)不穩(wěn)定的狀況，為了充分的滿足航天飛行器在軌道轉(zhuǎn)變與軌道脫離過(guò)程中所需要的高姿態(tài)要求，真正實(shí)現(xiàn)空天一體化的全速飛行要求，這就需要相關(guān)的研究人員對(duì)航天飛行器的姿態(tài)系統(tǒng)實(shí)施反復(fù)輸入，提高設(shè)計(jì)精確度、加強(qiáng)設(shè)計(jì)耦合度以及其他方面的不確定性的控制技術(shù)。

2.4 冗余和重構(gòu)飛行控制技術(shù)

航天飛行器對(duì)其本身的設(shè)備控制的形態(tài)、裝載空間、實(shí)際重量以及在多種不同環(huán)境下的自適應(yīng)能力等方面，在進(jìn)入到太空當(dāng)中之后，太空當(dāng)中輻射以及苛刻的環(huán)境下，會(huì)對(duì)航天飛行器的熱平衡性和對(duì)電磁波的兼容能力提出了非常高的要求，為了充分的滿足航天飛行器在長(zhǎng)期飛行過(guò)程中對(duì)出現(xiàn)故障的分析和排出能力，這就需要對(duì)航天飛行器中的控制系統(tǒng)的可靠性加以提升[5]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了飛行器在故障結(jié)構(gòu)下飛行控制方面的問(wèn)題。其中主要涉及到的控制技術(shù)有：高穩(wěn)定性和控制設(shè)備冗余設(shè)施控制技術(shù)、冗余度控制問(wèn)題監(jiān)測(cè)和問(wèn)題分離技術(shù)、故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)系統(tǒng)的重構(gòu)技術(shù)等。

3 對(duì)我國(guó)航天航空技術(shù)在未來(lái)發(fā)展的展望

基于當(dāng)前世界上在航天航空技術(shù)方面的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)航天飛行器在之后的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中關(guān)鍵性的問(wèn)題和技術(shù)分析，我國(guó)在航天飛行器運(yùn)載系統(tǒng)技術(shù)方面的發(fā)展必須要不斷縮短和世界上頂尖航天技術(shù)發(fā)展大國(guó)之間的差距；從另一個(gè)方面考慮，要不斷推動(dòng)我國(guó)航天飛行器研究事業(yè)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)能力，推動(dòng)我國(guó)航天航空技術(shù)走向市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化以及國(guó)際化的發(fā)展歷程當(dāng)中。在步入到太空上升階段當(dāng)中，需要不斷的提升航天飛行器研發(fā)的自主性、可靠性、反復(fù)性以及盡可能的降低投資成本等方式。其中航天飛行器對(duì)一個(gè)國(guó)家的安全性和穩(wěn)定有著非常重要的意義，開(kāi)展全新的宇宙空間作戰(zhàn)武器也是非常必要的，航天飛行控制技術(shù)具備了較高的穩(wěn)定性、精確性、強(qiáng)適應(yīng)性以及自主操作等方面的優(yōu)良特性，具備對(duì)任務(wù)工作快速反應(yīng)、對(duì)故障問(wèn)題重新構(gòu)造等方面的能力，充分的加強(qiáng)了我國(guó)航天飛行控制技術(shù)方面的重視程度。航天飛行器的研究需要重視飛行器進(jìn)入到宇宙空間之后，在沿著軌道運(yùn)行過(guò)程中的基礎(chǔ)控制理論研究，航天大國(guó)美國(guó)在這方面的工作已經(jīng)取得了比較明顯的成績(jī)，但是我們不能就此滿足于這種發(fā)展現(xiàn)狀，仍然還需要不斷的研究和發(fā)展更加具有影響力的“先進(jìn)制導(dǎo)控制技術(shù)”方面的研究和計(jì)劃，不斷的提升我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)飛行器以及對(duì)航天飛行器控制技術(shù)的分析研究，從中可以得出飛行器控制理論與技術(shù)屬于當(dāng)前對(duì)空間飛行器研究領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容，具有一定的挑戰(zhàn)性、前衛(wèi)性以及基礎(chǔ)性等方面的特點(diǎn)，對(duì)該技術(shù)的分析研究已經(jīng)成為了我國(guó)航天事業(yè)在未來(lái)工作發(fā)展過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。因此，做好飛行器中關(guān)鍵技術(shù)的控制和研究，對(duì)我國(guó)航天航空技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。

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