摘 要：臨近空間飛行器利用臨近空間獨(dú)特的環(huán)境特點(diǎn)，采用升力體構(gòu)型，基于助推滑翔式彈道，實(shí)現(xiàn)高超聲速滑翔和機(jī)動(dòng)，極具發(fā)展?jié)摿?。介紹臨近空間高超聲速飛行器的發(fā)展歷程，根據(jù)其飛行特點(diǎn)深入分析臨近空間高超聲速滑翔機(jī)動(dòng)飛行所需的高精度GNC技術(shù)，并對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：臨近空間；高超聲速；滑翔機(jī)動(dòng)；GNC

中圖分類號：V448．2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

臨近空間是指距地面20～100 km的空域，大致包括大氣平流層、中間層和部分電離層。臨近空間在通信保障、情報(bào)收集、電子壓制、預(yù)警等方面極具發(fā)展?jié)摿?，其重要的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值在國際上引起了廣泛關(guān)注。美國空軍和NASA在上世紀(jì)中后期就開始了高超聲速飛行器的研究試驗(yàn)，2004年X-43A飛行實(shí)驗(yàn)的成功更給高超聲速技術(shù)的研究帶來了新的希望。美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)目前正在同空軍聯(lián)合執(zhí)行“獵鷹”(從美國本土進(jìn)行軍事力量應(yīng)用及發(fā)射，簡稱FALCON)計(jì)劃，近期目標(biāo)(2010年以前)是研制出通用航空器(CAV)和小型發(fā)射火箭(SLV)；遠(yuǎn)期目標(biāo)(2025年)是研制出高超聲速巡航飛行器(HCV)。美國高超聲速飛行器的發(fā)展歷程如圖1所示。

“獵鷹”計(jì)劃的飛行器利用臨近空間獨(dú)特的環(huán)境特點(diǎn)，采用升力體構(gòu)型實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行或滑翔，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、快速、精確打擊和ISR任務(wù)，由于飛行速度高、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，具有相當(dāng)高的突防概率，是一種非常重要的新型戰(zhàn)略威懾和戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用武器平臺。然而，超高速飛行的機(jī)動(dòng)能力，遠(yuǎn)程的精確打擊，無疑是對現(xiàn)有GNC技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)，因而先進(jìn)的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)成為“獵鷹”計(jì)劃亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 臨近空間高超聲速飛行的特點(diǎn)

高超聲速機(jī)動(dòng)飛行器通常在大氣上層或邊緣的臨近空間進(jìn)行任務(wù)目標(biāo)飛行。地球表面的大氣層無明顯上限，但其各種特性在垂直方向上的差異非常明顯。如隨高度的增加，大氣壓力和密度會快速衰減而趨于真空。因此，高超聲速飛行在大氣稠密區(qū)與稀薄區(qū)的技術(shù)問題或難點(diǎn)有很大的不同。在大氣層邊緣，高超聲速機(jī)動(dòng)飛行所遇到的空氣阻力和氣動(dòng)加熱大為減少。如美國跨大氣層高超聲速飛行試驗(yàn)機(jī)X215，飛行試驗(yàn)的馬赫數(shù)為6.7，最大飛行高度107.8 km，其機(jī)身溫度最高僅為704℃，并可獲得較大的升阻比，利于機(jī)動(dòng)飛行和遠(yuǎn)程攻擊突防。同時(shí)，因其約2／3的時(shí)間飛行在大氣稀薄邊緣，相當(dāng)部分的氣動(dòng)熱以輻射形式散入空間，這樣可減小燃料消耗和飛行器的平均熱載荷，從而增大任務(wù)活動(dòng)半徑和降低熱管理的要求。臨近空間高超聲速機(jī)動(dòng)飛行器通常先用火箭助推或由母機(jī)攜帶至一定高度，獲得預(yù)定飛行速度后分離脫落或投放，然后飛行器自行啟動(dòng)、加速和爬升，作機(jī)動(dòng)或循環(huán)機(jī)動(dòng)以實(shí)施任務(wù)目標(biāo)飛行。

3 高超聲速高精度GNC技術(shù)

GNC系統(tǒng)是飛行器的大腦與神經(jīng)系統(tǒng)，高精度的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)是臨近空間飛行器完成作戰(zhàn)任務(wù)的根本保證。臨近空間飛行器要在環(huán)境極其復(fù)雜的亞軌道空間作超高聲速飛行，由于稀薄大氣的影響，使得飛行過程中會出現(xiàn)長時(shí)間的黑障區(qū)，衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航的使用受到限制。臨近空間環(huán)境的不確定性，使得終端狀態(tài)的精確預(yù)測十分困難，因而要求制導(dǎo)方法具有自適應(yīng)能力。高超聲速飛行器全航程飛行過程中，空氣密度低，氣動(dòng)控制效率低，可采用噴射反作用控制系統(tǒng)(RCS)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但RCS噴流與飛行器流場之間存在復(fù)雜的相互干擾問題，直接力餼動(dòng)力復(fù)合控制方法在分析上也存在很多困難，而新概念控制方式仍存在一系列問題。因此，作戰(zhàn)任務(wù)與飛行環(huán)境給GNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了大量復(fù)雜的約束和極高的要求，要求GNC系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)飛行環(huán)境的劇烈變化并以較高的末端精度完成作戰(zhàn)任務(wù)。

3．1 動(dòng)力學(xué)與制導(dǎo)技術(shù)

3．1．1 多約束下彈道優(yōu)化技術(shù)

彈道優(yōu)化要求在滿足多種約束條件下，充分考慮臨近空間飛行器的任務(wù)目標(biāo)，對整個(gè)彈道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。CAV就采用了非常規(guī)的助推一滑翔一跳躍式彈道，即一種勢能和動(dòng)能互換的周期性彈道，具有很強(qiáng)的遠(yuǎn)程突放能力。由于防御系統(tǒng)對彈道導(dǎo)彈軌跡的預(yù)測是將彈道限定在一個(gè)管形區(qū)內(nèi)，逐漸縮小預(yù)測彈道管形區(qū)的半徑，當(dāng)其足夠小時(shí)，就可以發(fā)射攔截器進(jìn)行攔截，若彈道跳躍的幅度越大，管形區(qū)的面積就會越大，從而給防御系統(tǒng)的管形區(qū)預(yù)測帶來更大的困難。因此，加大彈道跳躍的幅度是提高突防能力的重要手段。這就需要選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化策略，在滿足多種約束的條件下，優(yōu)化各種控制參數(shù)，使得飛行器航程最遠(yuǎn)或是彈道跳躍的幅度最大，最大程度地隱蔽導(dǎo)彈的飛行彈道，以有效地提高臨近空間飛行器的作戰(zhàn)效能。

3．1．2 滑翔控制技術(shù)

航程是衡量鄰近空間飛行器作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)，應(yīng)通過飛行器總體設(shè)計(jì)與制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使其航程滿足要求。臨近空間高超聲速飛行器一般都具有較遠(yuǎn)的航程，借助滑翔控制技術(shù)它可以對遠(yuǎn)程目標(biāo)進(jìn)行精確打擊。其原理是利用飛行器在飛行中產(chǎn)生的升力與重力平衡，升力主要由飛行器自身的升力體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力舵控制來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可通過調(diào)整滑翔規(guī)律參數(shù)(如舵偏角)進(jìn)行制導(dǎo)控制，以滿足滑翔控制和導(dǎo)引精度要求?；杩刂萍夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)臨近空間飛行器遠(yuǎn)程精確打擊的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3．1．3 快速發(fā)射及彈道重構(gòu)技術(shù)

快速發(fā)射技術(shù)即飛行器接到任務(wù)命令后，在極短的時(shí)間內(nèi)投入使用的能力?！矮C鷹”計(jì)劃要求高速無人飛行器和相關(guān)的滑翔武器能夠在2小時(shí)內(nèi)將傳統(tǒng)的非核武器從美國本土投送到地球的任何地方。

自適應(yīng)彈道重構(gòu)與控制(Adaptive TrajectoryReshaping and Control，簡記為ATRC)是臨近空間高超聲速飛行器的一種先進(jìn)制導(dǎo)控制技術(shù)。當(dāng)飛行器在飛行過程中接收到作戰(zhàn)指令，改變作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，能夠迅速地根據(jù)當(dāng)前位置和目標(biāo)位置制定制導(dǎo)策略，即要求飛行器具有在線實(shí)時(shí)自適應(yīng)制導(dǎo)能力。

3．2 先進(jìn)控制技術(shù)

3．2．1 氣動(dòng)布局與控制機(jī)構(gòu)布局

在高超聲速飛行條件下，具有高升阻比是確保臨近空間飛行器滑翔達(dá)到很遠(yuǎn)的航程(幾千公里以上)的必要條件。對于長時(shí)間飛行的高超聲速飛行器來說，實(shí)現(xiàn)高升阻比與降低防熱要求通常是矛盾的。一般情況下，高超聲速高升阻比飛行器的頭部與翼前緣的氣動(dòng)外形比較尖，必然會產(chǎn)生高加熱問題，給防熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來壓力；還可能出現(xiàn)橫向和縱向氣動(dòng)特性不對稱，即橫向壓心和縱向壓心一般相距較遠(yuǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中會引起縱、橫向穩(wěn)定性不匹配的問題，給飛行器的穩(wěn)定飛行和控制帶來很大的困難。此外，理論上升阻比很高的外形往往無法滿足裝填性能要求，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中需要綜合考慮氣動(dòng)與裝填的要求。這些問題需要很好的協(xié)同解決，抑制高升阻比氣動(dòng)外形的負(fù)面效應(yīng)。

控制機(jī)構(gòu)的布局對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響重大，合理高效的控制機(jī)構(gòu)布局有助于提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。攜帶動(dòng)力系統(tǒng)的HCV，其控制系統(tǒng)的布局有別于無動(dòng)力的CAV，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)還必須考慮推力變化對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

3．2．2 自適應(yīng)控制方法

由于CAV特別是HCV飛行速度高，機(jī)動(dòng)范圍大，飛行器狀態(tài)參數(shù)變化大，對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。臨近空間高超聲速飛行器一般采用兩種或多種導(dǎo)航方式相結(jié)合的組合導(dǎo)航技術(shù)，并采用具有自適應(yīng)能力的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)。

變結(jié)構(gòu)控制是控制系統(tǒng)的一種綜合方法，已被用于解決復(fù)雜的控制問題，其主要特點(diǎn)是滑動(dòng)模態(tài)具有對系統(tǒng)攝動(dòng)及外干擾的不變性，即理想的、完全的魯棒性。變結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計(jì)主要包括兩方面：①選取切換面(滑模面)，使滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)漸進(jìn)穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)品質(zhì)良好。②選擇控制律，使?jié)M足到達(dá)條件，即切換面以外的相軌線于有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面。相應(yīng)地，變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)包括位于切換面之外的趨近運(yùn)動(dòng)和位于切換面之上的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而過渡過程的品質(zhì)決定于這兩段的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)。

4 前景展望

近年來，國際上關(guān)于高超聲速飛行器的研究興趣不斷增加，不斷有新的研究成果面世。特別是水平起降航天飛行器、超高速導(dǎo)彈和跨大氣層飛行器等超高速飛行器關(guān)鍵技術(shù)的研究更為深入，在動(dòng)力推進(jìn)、結(jié)構(gòu)氣動(dòng)、制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制等方面取得了一定進(jìn)展。借助于高超聲速飛行器技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、快速、對地攻擊的各種新概念武器的研究也都進(jìn)展迅速。這些都可為我們研究遠(yuǎn)程、快速無人飛行器技術(shù)提供有益的參考。

可以預(yù)見，今后臨近空間高超聲速技術(shù)研究和試驗(yàn)將與軍事緊密結(jié)合繼續(xù)進(jìn)行下去，把陸地、海上、空中、臨近空間和空間資產(chǎn)集成為一體，互為補(bǔ)充，以獲取作戰(zhàn)空間的態(tài)勢感知優(yōu)勢，進(jìn)而贏得作戰(zhàn)優(yōu)勢。今后也將出現(xiàn)多個(gè)研究計(jì)劃共存的局面，這些計(jì)劃將相互取長補(bǔ)短，更好地推進(jìn)臨近空間高超聲速技術(shù)的發(fā)展研究。

5 結(jié)束語

臨近空間對于情報(bào)收集、監(jiān)視和通信保障來說是一個(gè)很有發(fā)展前景的新領(lǐng)域。臨近空間高超聲速武器的大量運(yùn)用將對未來戰(zhàn)爭產(chǎn)生深刻的影響，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)理論、組織指揮和作戰(zhàn)方法等都將發(fā)生重大的變化，未來戰(zhàn)爭將面貌一新。