臨近空間高超聲速滑翔機動ＧＮＣ技術

摘 要：臨近空間飛行器利用臨近空間獨特的環境特點，采用升力體構型，基于助推滑翔式彈道，實現高超聲速滑翔和機動，極具發展潛力。介紹臨近空間高超聲速飛行器的發展歷程，根據其飛行特點深入分析臨近空間高超聲速滑翔機動飛行所需的高精度GNC技術，并對其發展前景進行展望。

關鍵詞：臨近空間；高超聲速；滑翔機動；GNC

中圖分類號：V448．2 文獻標識碼：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、情報收集、電子壓制、預警等方面極具發展潛力，其重要的開發應用價值在國際上引起了廣泛關注。美國空軍和NASA在上世紀中后期就開始了高超聲速飛行器的研究試驗，2004年X-43A飛行實驗的成功更給高超聲速技術的研究帶來了新的希望。美國國防高級研究計劃局(DARPA)目前正在同空軍聯合執行“獵鷹”(從美國本土進行軍事力量應用及發射，簡稱FALCON)計劃，近期目標(2010年以前)是研制出通用航空器(CAV)和小型發射火箭(SLV)；遠期目標(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展歷程如圖1所示。

“獵鷹”計劃的飛行器利用臨近空間獨特的環境特點，采用升力體構型實現高超聲速飛行或滑翔，能夠實現遠程、快速、精確打擊和ISR任務，由于飛行速度高、機動能力強，具有相當高的突防概率，是一種非常重要的新型戰略威懾和戰術運用武器平臺。然而，超高速飛行的機動能力，遠程的精確打擊，無疑是對現有GNC技術的巨大挑戰，因而先進的制導、導航與控制技術成為“獵鷹”計劃亟待突破的關鍵技術之一。

2 臨近空間高超聲速飛行的特點

高超聲速機動飛行器通常在大氣上層或邊緣的臨近空間進行任務目標飛行。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與稀薄區的技術問題或難點有很大的不同。在大氣層邊緣，高超聲速機動飛行所遇到的空氣阻力和氣動加熱大為減少。如美國跨大氣層高超聲速飛行試驗機X215，飛行試驗的馬赫數為6.7，最大飛行高度107.8 km，其機身溫度最高僅為704℃，并可獲得較大的升阻比，利于機動飛行和遠程攻擊突防。同時，因其約2／3的時間飛行在大氣稀薄邊緣，相當部分的氣動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，從而增大任務活動半徑和降低熱管理的要求。臨近空間高超聲速機動飛行器通常先用火箭助推或由母機攜帶至一定高度，獲得預定飛行速度后分離脫落或投放，然后飛行器自行啟動、加速和爬升，作機動或循環機動以實施任務目標飛行。

3 高超聲速高精度GNC技術

GNC系統是飛行器的大腦與神經系統，高精度的導航、制導與控制技術是臨近空間飛行器完成作戰任務的根本保證。臨近空間飛行器要在環境極其復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長時間的黑障區，衛星導航、天文導航的使用受到限制。臨近空間環境的不確定性，使得終端狀態的精確預測十分困難，因而要求制導方法具有自適應能力。高超聲速飛行器全航程飛行過程中，空氣密度低，氣動控制效率低，可采用噴射反作用控制系統(RCS)作為執行機構，但RCS噴流與飛行器流場之間存在復雜的相互干擾問題，直接力餼動力復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，作戰任務與飛行環境給GNC系統的設計提出了大量復雜的約束和極高的要求，要求GNC系統必須能夠適應飛行環境的劇烈變化并以較高的末端精度完成作戰任務。

3．1 動力學與制導技術

3．1．1 多約束下彈道優化技術

彈道優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目標，對整個彈道進行優化設計。CAV就采用了非常規的助推一滑翔一跳躍式彈道，即一種勢能和動能互換的周期性彈道，具有很強的遠程突放能力。由于防御系統對彈道導彈軌跡的預測是將彈道限定在一個管形區內，逐漸縮小預測彈道管形區的半徑，當其足夠小時，就可以發射攔截器進行攔截，若彈道跳躍的幅度越大，管形區的面積就會越大，從而給防御系統的管形區預測帶來更大的困難。因此，加大彈道跳躍的幅度是提高突防能力的重要手段。這就需要選用適當的優化策略，在滿足多種約束的條件下，優化各種控制參數，使得飛行器航程最遠或是彈道跳躍的幅度最大，最大程度地隱蔽導彈的飛行彈道，以有效地提高臨近空間飛行器的作戰效能。

3．1．2 滑翔控制技術

航程是衡量鄰近空間飛行器作戰能力的重要指標，應通過飛行器總體設計與制導系統設計，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的航程，借助滑翔控制技術它可以對遠程目標進行精確打擊。其原理是利用飛行器在飛行中產生的升力與重力平衡，升力主要由飛行器自身的升力體結構和動力舵控制來實現，同時可通過調整滑翔規律參數(如舵偏角)進行制導控制，以滿足滑翔控制和導引精度要求。滑翔控制技術是實現臨近空間飛行器遠程精確打擊的關鍵技術之一。

3．1．3 快速發射及彈道重構技術

快速發射技術即飛行器接到任務命令后，在極短的時間內投入使用的能力。“獵鷹”計劃要求高速無人飛行器和相關的滑翔武器能夠在2小時內將傳統的非核武器從美國本土投送到地球的任何地方。

自適應彈道重構與控制(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制導控制技術。當飛行器在飛行過程中接收到作戰指令，改變作戰任務時，能夠迅速地根據當前位置和目標位置制定制導策略，即要求飛行器具有在線實時自適應制導能力。

3．2 先進控制技術

3．2．1 氣動布局與控制機構布局

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到很遠的航程(幾千公里以上)的必要條件。對于長時間飛行的高超聲速飛行器來說，實現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外形比較尖，必然會產生高加熱問題，給防熱系統設計帶來壓力；還可能出現橫向和縱向氣動特性不對稱，即橫向壓心和縱向壓心一般相距較遠，在實際應用中會引起縱、橫向穩定性不匹配的問題，給飛行器的穩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，在實際工程設計中需要綜合考慮氣動與裝填的要求。這些問題需要很好的協同解決，抑制高升阻比氣動外形的負面效應。

控制機構的布局對控制系統設計影響重大，合理高效的控制機構布局有助于提高控制系統的穩定性和可靠性。攜帶動力系統的HCV，其控制系統的布局有別于無動力的CAV，控制系統設計還必須考慮推力變化對控制系統穩定性的影響。

3．2．2 自適應控制方法

由于CAV特別是HCV飛行速度高，機動范圍大，飛行器狀態參數變化大，對控制系統穩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航方式相結合的組合導航技術，并采用具有自適應能力的制導與控制系統。

變結構控制是控制系統的一種綜合方法，已被用于解決復雜的控制問題，其主要特點是滑動模態具有對系統攝動及外干擾的不變性，即理想的、完全的魯棒性。變結構控制的設計主要包括兩方面：①選取切換面(滑模面)，使滑動運動漸進穩定，動態品質良好。②選擇控制律，使滿足到達條件，即切換面以外的相軌線于有限時間內到達切換面。相應地，變結構控制系統中的運動包括位于切換面之外的趨近運動和位于切換面之上的滑動運動，而過渡過程的品質決定于這兩段的運動品質。

4 前景展望

近年來，國際上關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、超高速導彈和跨大氣層飛行器等超高速飛行器關鍵技術的研究更為深入，在動力推進、結構氣動、制導、導航與控制等方面取得了一定進展。借助于高超聲速飛行器技術實現遠程、快速、對地攻擊的各種新概念武器的研究也都進展迅速。這些都可為我們研究遠程、快速無人飛行器技術提供有益的參考。

可以預見，今后臨近空間高超聲速技術研究和試驗將與軍事緊密結合繼續進行下去，把陸地、海上、空中、臨近空間和空間資產集成為一體，互為補充，以獲取作戰空間的態勢感知優勢，進而贏得作戰優勢。今后也將出現多個研究計劃共存的局面，這些計劃將相互取長補短，更好地推進臨近空間高超聲速技術的發展研究。

5 結束語

臨近空間對于情報收集、監視和通信保障來說是一個很有發展前景的新領域。臨近空間高超聲速武器的大量運用將對未來戰爭產生深刻的影響，傳統的作戰理論、組織指揮和作戰方法等都將發生重大的變化，未來戰爭將面貌一新。