可重復使用飛行器導航制導控制技術展望

王國慶，郭建國，周 軍，張月玲

(1.西北工業大學精確制導與控制研究所，西安710072；2.中國運載火箭技術研究院研發中心，北京100076）

可重復使用飛行器導航制導控制技術展望

王國慶1，郭建國1，周 軍1，張月玲2

(1.西北工業大學精確制導與控制研究所，西安710072；2.中國運載火箭技術研究院研發中心，北京100076）

針對當前可重復使用飛行器的發展現狀，總結了其特點、優勢和發展趨勢。通過飛行任務，分析了可重復使用飛行器所面臨的復雜環境特性和飛行控制特性。從飛行控制角度出發，概括了可重復使用飛行器導航制導控制所面臨的技術挑戰，包括高精度導航技術、多約束航跡優化技術、再入段和能量管理段的制導技術以及強耦合強不確定強魯棒姿態控制技術等。最后，針對技術挑戰，對可重復使用飛行器導航制導控制技術提出了若干建議。

可重復使用飛行器；導航；制導控制；軌跡優化

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展航天、探索太空的必備能力。雖然采用火箭發射技術實現了返回式衛星和載人飛船進出天地空間的能力，但是真正意義下的重復進出空間的飛行器應該是航天飛機。美國的 “哥倫比亞號” “挑戰者號” “發現號”和 “亞特蘭蒂斯號”航天飛機代表了一個航天飛機的時代，航天飛機能夠重復進入空間完成各種科學實驗。但是，2011年7月21日 “亞特蘭蒂斯號”的 “謝幕之旅”正式宣告了美國30年航天飛機時代的終結［1］。

雖然航天飛機時代結束，但對于自由出入空間可重復使用飛行器的研究一直都在進行。目前，可重復使用飛行器主要分為以下3大類：

(1）可重復使用火箭

如圖1所示，美國的SpaceX公司研制的 “獵鷹9號”火箭于2015年12月21日首次實現了發射和回收的圓滿成功，也是人類第一次實現一級火箭回收的軌道飛行器。其中，火箭回收技術、火箭發動機推力可調與多次啟動功能和火箭發動機重復使用技術，這3大關鍵技術支撐了可重復使用火箭的發展，不僅低成本地將有效載荷送到近地軌道，同時滿足載人航天的條件，引起航天工業的重大變革。

圖1 獵鷹9號火箭Fig.1 Rocket of Falcon 9

(2）可重復使用的迷你航天飛機

雖然美國的航天飛機自2011年退役了，但這種類型的航天器卻并未退出歷史舞臺。美國的內華達山脈公司正在研制一種利用火箭垂直發射升空，能像飛機那樣水平著陸返回的迷你航天飛機—— “追夢者”。如圖2所示，“追夢者”采用一半像飛船一半像飛機的升力體外形的飛行器，體積大約是航天飛機的1/3，它將開啟新的迷你型航天飛機的時代，實現可重復使用的目標。

圖2 “追夢者”迷你航天飛機Fig.2 Mini space shuttle of Dreamer

圖3 X?37空間機動飛行器Fig.3 Space maneuvering vehicle of X?37

(3）可重復使用空間機動飛行器

空間機動飛行器是一種跨越航空和航天兩個技術領域的新型飛行器，它可以自由往返于天地之間，實現航天飛機的功能。美國空軍于2010年首次成功地開展了X?37的軌道實驗。如圖3所示，X?37能夠在軌持續使用數月，維修性強，幾個小時后即可再次飛行，發射費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動飛行器研制任務。俄羅斯重啟冷戰時期的 “多用途空天系統計劃”，即MAKS計劃。德國設計的 “桑格爾”空天飛機將在普通機場起飛，可一級入軌，并能水平著陸，預計可重復使用150次。英國提出 “霍托爾”空間機動飛行器研究計劃和 “云霄塔”空間機動飛行器計劃。印度啟動了 “奇瓦塔”計劃，研制可重復使用100次的空間機動飛行器。日本也提出了“希望號”無人駕駛空間機動飛行器計劃［3］。

可重復使用飛行器采用可重復使用的火箭技術，或者采用吸氣式組合發動機，具備可重復使用的能力，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施簡單、維修使用方便、操作成本低、可以上百次重復使用等重要優勢，同時也具有偵察、攻擊等潛在的軍事用途，因此可重復使用飛行器具有極其重要的應用價值，也是未來航空航天領域一體化的發展方向。

基于以上分析，可以看到可重復使用飛行器的發展趨勢主要如下：

(1）從有人駕駛到無人飛行器發展

航天飛機的失事，促使可重復使用飛行器向“無人”方向發展，并引發一系列的技術革新。

(2）從單級入軌到多級入軌的方向發展

由于各種組合發動機技術的發展，推動了可重復使用飛行器的入軌要求，不僅可以采用重復使用的火箭技術，而且也可采用航空發動機、新型燃料的火箭發動機技術。目前，各國方案多使用超聲速燃燒沖壓發動機＋火箭發動機或渦輪噴氣＋沖壓噴氣＋火箭發動機組合方式，實現多級入軌的飛行任務。

(3）向體積小、質量輕、低成本的方向發展

從大型航天飛機到迷你型航天飛機，從一次型火箭到多次使用火箭，可重復使用飛行器均朝著體積小、質量輕、低成本的方向發展。美國空軍工程大學對不可重復使用運載器和可重復使用運載器的運輸成本進行了對比分析，在同等有效載荷規模的運載器，當發射次數達到21次以后，可重復使用運載器逐漸顯示出成本優勢。特別是當發射次數達到100次以后，可重復使用運載器可將成本降低至2000美元/磅，成本縮減為不可重復使用運載器的 1/10［4］。

(4）向高可靠性的方向發展

可重復使用飛行器在發射后，如果發生故障或事故，就能夠根據自身特性或高升阻比特性進行無動力滑翔并返回，減少故障或事故條件下的安全問題，也避免了原來出現故障或事故，就啟動自毀程序，減少了飛行器自身損失以及對環境的影響。

(5）向快速重復使用的方向發展

可重復使用飛行器的優勢是重復使用，快速重復使用就可以使飛行器快速響應，再次升空，有效地提高飛行器的使用效率。

1 飛行任務分析

可重復使用飛行器在未來空間的開發、利用、科學研究以及空間的軍事應用方面處于重要地位，針對其應用前景，主要執行以下3類飛行任務。

1.1 自由往返天地的運輸任務

發展可重復使用飛行器的主要目的是降低天地之間的運輸費用。因此，對于可重復使用飛行器來說，首要任務是完成自由往返天地的運輸任務。要完成這樣的任務，可重復使用飛行器就要經歷亞聲速、超聲速和高超聲速等各種飛行狀態，跨越大氣層內、臨近空間和低軌空間等各種環境，這對飛行器導航制導控制系統提出很高的控制要求。

1.2 空間機動飛行任務

除了作為運載器的應用，可重復使用飛行器另一個應用是集飛機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的臨近空間做高超聲速機動飛行，還能在大氣層外的外部空間作軌道機動飛行，完成預定的變軌機動。

1.3 空間機動平臺對抗任務

作為軍事應用平臺，可重復使用飛行器還可以作為空間機動平臺，進行快速機動部署，來應對新的大氣層內和大氣層外威脅，在復雜環境下完成平臺對抗任務。

2 導航制導控制技術面臨的挑戰

可重復使用飛行器在復雜的飛行環境中，要完成上述3類典型的飛行任務，對導航制導控制技術提出更高的挑戰。導航制導控制系統要具有導航功能、入軌、軌道機動、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冗余管理與系統重構等功能［5?8］。

2.1 高精度導航技術

由于可重復使用飛行器經歷入軌、離軌、再入返回、能量管理和自主著陸整個飛行階段，對于其導航系統來說，必須能夠適應整個飛行時間下的要求，而且也要適應長航時的較高精度，才能完成不同飛行任務下的導航任務。一般來說，單一的導航系統難以滿足整個飛行需求，需要綜合考慮多種導航系統，采用組合導航系統，形成長航時的組合容錯導航系統。例如，可以采用捷聯慣導/太陽敏感器/星敏感器/GPS/雷達高度表等組合導航方案，來適應在高動態載體下的飛行，以及采用相應的冗余、容錯和補償技術，從而達到高精度導航的目的。

2.2 多約束航跡優化技術

對于可重復使用飛行器來說，由于經歷的空域范圍大，速度變化大，因此飛行環境對整個飛行任務的約束就會增多，為了能夠更好地完成相應的飛行任務，常常考慮航跡的優化設計［9］。對于多約束條件，常常考慮熱約束、動壓約束、過載約束、控制量約束和終端約束等約束條件，借助于一定的優化算法，從而形成滿足各種約束條件的最優航跡，為可重復使用飛行器實際飛行提供支撐。

2.3 再入段和能量管理段的制導技術

由于進入大氣層環境的復雜性和特殊性，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使用飛行器制導技術的關鍵問題。從再入點開始到自主著陸結束，整個飛行過程依靠飛行器控制系統對飛行速度、高度、能量和航向進行有效控制，同時保證在進場著陸窗口處達到滿足性能要求的能量、位置、速度和航向，就需要根據實際飛行任務完成相應的制導，保證飛行器的安全飛行和準確著陸。

2.4 強耦合強不確定強魯棒性姿態控制技術

由于飛行器速度、高度和空域跨度范圍大，機動性強，因此可重復使用飛行器的姿態穩定控制對于整個飛行過程起著重要的支撐作用。一方面，是飛行環境下不確定因素多，干擾影響大，約束條件多，相應的非線性特性和耦合性非常明顯；另一方面，對于飛行器姿態控制精度要求高，因此設計的姿態控制應該強耦合強不確定強魯棒性的控制系統，才能有效地抑制各種隨機不確定的影響，從而有效地協調管理操縱控制系統，匹配于整個飛行過程的制導要求。

2.5 高精度著陸控制技術

可重復使用飛行器最終要實現可重復使用，就必須有高精度的著陸控制技術，保證飛行器在預設的飛行方案下，以設定的姿態角和下沉速率安全著陸到目標點。就要解決著陸段多約束條件下，降落時間短的高精度控制問題，實現安全著陸。

3 導航制導控制技術研究的建議

可重復使用飛行器由于飛行環境的復雜性和飛行任務等要求，對其導航制導控制技術提出了更大的技術挑戰。因此，需要結合當前國內外在高超聲速飛行器導航與控制領域的研究成果，深入探究其導航與控制機理，這里主要從以下4個方面給出相應的建議。

3.1 面向飛行任務的新型導航技術研究

開展面向飛行任務的新型導航技術，是解決可重復使用飛行器導航系統應用制約的重要技術途徑。特別是執行特殊飛行任務時，對高精度導航系統具有很強的依賴性。2014年，DARPA已經開始發展5項不依賴 GPS的導航技術項目［10］，包括定位、導航與授時微技術、自適應導航系統、量子輔助傳感與讀出和超速激光科學與工程。因此，探索新型導航技術，如量子導航、偏振導航等技術，成為未來高精度導航技術的發展前沿。

3.2 面向復雜飛行環境下動力學特性研究

可重復使用飛行器自由往返天地，就要面臨復雜的環境特性，而當前臨近空間下稀薄氣體效應、高溫氣體效應以及流動轉捩等機理還需要進一步研究。由于在高空高速下飛行，復雜的飛行環境對飛行器動力學特性影響特別大，如高空高速稀薄流動將在局部位置引起速度滑移與溫度梯度跳躍，導致升阻特性和力矩特性發生變化，使得飛行器面臨更為復雜的動力學不確定性。

3.3 面向制導控制系統設計的模型研究

由于可重復使用飛行器飛行任務的不同，需要針對不同的任務需求以及復雜飛行環境下的動力學特性，結合制導控制系統設計的要求，面向制導控制系統設計的模型成為可重復使用飛行器飛行控制系統設計的主要保障。

針對可重復使用飛行器制導控制的需求，可以分別從非線性動力學模型、物理模型、半實物模型等方面入手，結合模型參數和階數的要求，建立飛行器在各個階段反映飛行器特點的需求模型，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，也是制導控制系統設計基礎，是飛行器能夠完成實際飛行實驗成功的保證。

3.4 面向異常事件下智能自主制導控制技術研究

由于飛行環境的復雜性以及飛行包絡的限制，使得可重復使用飛行器在大空域飛行時，可能會出現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，都將影響到可重復使用飛行器的安全飛行。因此，智能自主控制飛行器在出現未知異常事件時，能夠實現飛行器安全返回，將是可重復使用飛行器控制技術研究的關鍵問題。

4 結論

可重復使用飛行器的導航制導控制技術是目前航空航天技術領域發展中具有挑戰的課題之一，這類飛行器所帶來的新的導航制導控制技術問題必將促進相關導航制導控制基礎的研究與探索，促進人類快速步入自由往返天地的時代。

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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，研究方向為飛行器制導、控制與仿真。