飛行器與飛行器控制研究

王漢元

摘 要：本文重點對飛行器以及對飛行器的控制進行了分析，總結了當前我國在航天飛行器研究方面存在的問題以及挑戰，然后概括了我國未來在航天發展領域中對飛行器控制技術的發展和基礎問題的解決，針對性分析了當前航天飛行器控制技術的研究進展，對未來我國在航天飛行器研究和發展提出了建議。

關鍵詞：航天飛行器；控制；動力學

航天技術是當前世界科技發展歷程中比較高端的科技技術之一，同時也是象征著一個國家科技發展層次和國力強弱的重要標志。當前，世界上各大航天大國以及相關的研究工作者對飛行器的研究進程不斷的深入，其中對飛行器的進入空間、提升空間大小控制以及有效實現天地往返等方面技術進行了研究，通過各種頂尖科技技術的研究，將全新的設計概念融入到世界各國的發展規劃當中，并且取得了階段性的進展。本文所介紹的航天器，重點是針對進入到宇宙空間中的運載火箭和空間飛行器，對這種飛行器的研究涉及到了飛行器控制理論與技術屬于當前對空間飛行器研究領域的重點內容，具有一定的挑戰性、前瞻性、先進性以及基礎性等方面的特點，對該技術的分析研究已經成為了我國航天事業在未來工作發展過程中的一項關鍵性技術。

1 航天飛行器控制技術領域中的問題和挑戰

1.1 空間控制和控制技術問題

我國在歷經四十多年的研究和發展，我國在運載火箭技術研究方面已經取得了突破性的緊張，已經獨立自主研發出了十四種不同型號的“長征”系列的空間運載火箭，空間運載火箭具有近地發射軌道、地球同步軌道以及太陽同步軌道等多種不同類型的運行途徑，飛行器的入軌精度已經充分達到了世界飛行器研究先進水平。盡管當前我國在人造運行火箭技術研究方面已經取得了一定的成績，在國際航天技術研究領域當中占據了重要地位，并且已經通過了高密度發射測試考核，在航天技術控制方面已經得到了有效的驗證。盡管如此，我國在和世界上一些頂尖的航天器研究大國相比，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研究份工作上不斷的努力，爭取達到世界航天技術的頂端水平[1]。

1.2 對運載火箭出現問題故障的處理能力不足

在航天器飛行器發射和運行過程當中，因為非災難性的問題造成航天飛行器發射工作出現故障，以至于造成了航天飛行器發射失敗。針對這些方面的問題原因，通常可以通過一些理論設計的方式方法來進行解決，這就需要航天研究人員通過判斷與防御的方式，來對系統當中出現的故障實施監控和檢測，然后在通過技術隔離的方式進行防護，從中可以有效的檢測出飛行器系統中出現問題的部分，針對這部分的問題進行有效的解決，這對航天飛行器任務調整提供出了決策方面的支撐能力，同時對航天飛行器設施維護與更改工作提供一定的建議和指導。

1.3 對航天飛行器發射活動的適應性不足

在航天飛行器起飛環節當中，對運載火箭發射的精確程度要求非常高，當前我在這方面的應對措施已經取得良好的進展，但是其中還是不具備對發射時間中敏感性工作的充分適應能力。因為控制系統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的穩定性和準確性，對提升航天飛行器整體的運行系統的安全性和穩定性有著決定性的意義。所以說，我們可以通過對航天飛行器中樞控制技術的不斷革新，以及對航天飛行器控制系統理論知識深度的加深來不斷的提升航天飛行器運行的穩定性和經濟性。同時，航天飛行器中樞控制系統的穩定性對飛行器控制系統整體設計技術提出了更高的挑戰[2]。

2 航天飛行器控制中的關鍵性技術分析

當前，我國在航天飛行器的研究方面取得了非常明顯的進展，其中對航天飛行器的控制系統的穩定性、精準性、適應性以及自主飛行技術作為基本特性，具有響應速度較快、應急返回穩定以及對飛行過程中出現各種故障進行解決，充分的滿足了航天飛行器在未來宇宙空間中的作戰要求，以及在天地之間往返實現比較復雜的操作工作要求。對航天飛行器系統控制工作中，具有以下幾個方面的基礎性技術：

2.1 航天飛行器上升階段的最優軌跡控制技術

在航天飛行器的起飛上升過程中最優軌跡的控制技術，重點是受到大氣層當中的內氣流的影響，在具體的飛行過程當中可能會出現難以預料的問題故障，通過對航天飛行器最優化的上升軌跡的設計方式，可以充分的實現飛行器的自主性和快速性的上升，通過這種方式來滿足對航天飛行器的安全穩定進入到太空當中，同時還實現了降低資金投入成本的作用。其中所包含了關鍵性技術包含了：飛行器的軌跡在線規劃、飛行器故障在線處理、風載荷技術控制、自動化指導控制技術以及自動故障檢測等方面的功能[3]。

2.2 軌道往返技術和大氣層超聲速控制技術

航天飛行器在進入宇宙和返回地面的過程中，穿過了真空層、空氣稀薄層、空氣濃密層這三個重要的軌跡階段，在此過程當中需要充分的滿足飛行器在運行過程中的各種不同的需求條件，其中包含了運行過程的約束條件、終端約束他條件等，這就要求在航天飛行器當中的制導系統就要具備優良的穩定性、自動型以及自適應能力等。除此之外，我們還需要對航天飛行器的運行軌跡快速切入、多方面條件約束等大范圍下的橫向機動飛行制導等方面的問題加以解決。其中所包含的關鍵性技術有：航天飛行器制動返回軌道制導技術、終端能量制動管理技術以及大范圍性的橫向機動和預防規避飛行制導技術等[4]。

2.3 空天一體化全區域復雜結構飛行器姿態控制技術

因為科技技術發展的需求，現在空天航天飛行器需要做到的任務非常多，并且工作模式比較的多樣化，充分滿足了大面積區域內的空間飛行要求，在大面積區域中的飛行狀況下，會存在很多外界方面因素的干擾，并且表現出航天飛行器內部參數不穩定的狀況，為了充分的滿足航天飛行器在軌道轉變與軌道脫離過程中所需要的高姿態要求，真正實現空天一體化的全速飛行要求，這就需要相關的研究人員對航天飛行器的姿態系統實施反復輸入，提高設計精確度、加強設計耦合度以及其他方面的不確定性的控制技術。

2.4 冗余和重構飛行控制技術

航天飛行器對其本身的設備控制的形態、裝載空間、實際重量以及在多種不同環境下的自適應能力等方面，在進入到太空當中之后，太空當中輻射以及苛刻的環境下，會對航天飛行器的熱平衡性和對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期飛行過程中對出現故障的分析和排出能力，這就需要對航天飛行器中的控制系統的可靠性加以提升[5]，進而實現了飛行器在故障結構下飛行控制方面的問題。其中主要涉及到的控制技術有：高穩定性和控制設備冗余設施控制技術、冗余度控制問題監測和問題分離技術、故障狀態下實現制導系統的重構技術等。

3 對我國航天航空技術在未來發展的展望

基于當前世界上在航天航空技術方面的發展狀況，對航天飛行器在之后的技術發展過程中關鍵性的問題和技術分析，我國在航天飛行器運載系統技術方面的發展必須要不斷縮短和世界上頂尖航天技術發展大國之間的差距；從另一個方面考慮，要不斷推動我國航天飛行器研究事業在國際上的競爭能力，推動我國航天航空技術走向市場化、產業化以及國際化的發展歷程當中。在步入到太空上升階段當中，需要不斷的提升航天飛行器研發的自主性、可靠性、反復性以及盡可能的降低投資成本等方式。其中航天飛行器對一個國家的安全性和穩定有著非常重要的意義，開展全新的宇宙空間作戰武器也是非常必要的，航天飛行控制技術具備了較高的穩定性、精確性、強適應性以及自主操作等方面的優良特性，具備對任務工作快速反應、對故障問題重新構造等方面的能力，充分的加強了我國航天飛行控制技術方面的重視程度。航天飛行器的研究需要重視飛行器進入到宇宙空間之后，在沿著軌道運行過程中的基礎控制理論研究，航天大國美國在這方面的工作已經取得了比較明顯的成績，但是我們不能就此滿足于這種發展現狀，仍然還需要不斷的研究和發展更加具有影響力的“先進制導控制技術”方面的研究和計劃，不斷的提升我國航天事業的發展。

4 結語

通過本文對飛行器以及對航天飛行器控制技術的分析研究，從中可以得出飛行器控制理論與技術屬于當前對空間飛行器研究領域的重點內容，具有一定的挑戰性、前衛性以及基礎性等方面的特點，對該技術的分析研究已經成為了我國航天事業在未來工作發展過程中的一項關鍵性技術。因此，做好飛行器中關鍵技術的控制和研究，對我國航天航空技術的發展起到了積極的推動作用。

參考文獻：

[1]包為民.航天飛行器控制技術研究現狀與發展趨勢[J].自動化學報，2013，3906：697-702.

[2]張偉堂.臨近空間超聲速飛行器短時熱強鈦合金應用分析[J].航空制造技術，2016（10）.

[3]石川，林達.基于自適應積分反步的四旋翼飛行器控制[J].計算機應用研究，2017，11：1-2.

[4]楊浩.基于嵌入式Linux實時控制的四軸飛行器設計與實現[D].西南交通大學，2015.

[5]侯旭陽.碟形飛行器系統設計及其動力學模型和控制方法研究[D].北京工業大學，2013.