魯雙峰 沈顯慶

摘 要：我國(guó)作為一個(gè)快速進(jìn)步的發(fā)展中國(guó)家，尖端科技成為我國(guó)未來的發(fā)展目標(biāo)，航天技術(shù)成為未來優(yōu)先發(fā)展的方向。一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力和科技水平的高低在航天技術(shù)方面也會(huì)有著重要的體現(xiàn)。所以，國(guó)家非常重視航天技術(shù)的發(fā)展。為此，在航天飛行器控制領(lǐng)域做出深入的研究和探討，包括目前航天飛行控制領(lǐng)域遇到的前沿問題及挑戰(zhàn)及所遇到的問題、航天飛行器控制技術(shù)基礎(chǔ)問題與關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)研究發(fā)展和未來航天飛行控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：航天飛行器;研究現(xiàn)狀;未來發(fā)展趨勢(shì)問題

引言

我國(guó)航天事業(yè)未來發(fā)展的核心和關(guān)鍵放在了運(yùn)載火箭和空天飛行器領(lǐng)域。這類技術(shù)的前沿性、基礎(chǔ)性以及綜合性更強(qiáng)，因此也成為世界發(fā)達(dá)國(guó)家和科研工作者的高度重視。為此，在自由進(jìn)入空間、增強(qiáng)空間利用和速度控制等技術(shù)方面，都具有不同程度的研究問題和探討難點(diǎn)。相比較我國(guó)現(xiàn)階段的航天技術(shù)發(fā)展而言，不管是研發(fā)機(jī)構(gòu)還是航天研究工作者，都與國(guó)外還是具有一定的差距，但是我國(guó)已經(jīng)高度重視，投入了相當(dāng)大的人力、物力以及科研力量，繼續(xù)向航天大國(guó)的路上邁進(jìn)。

1 航天飛行器控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 航天飛行器控制領(lǐng)域前沿問題與挑戰(zhàn)

我國(guó)目前已經(jīng)在航天領(lǐng)域已經(jīng)有一定地位。比如，在運(yùn)載火箭方面研究出了14種不同型號(hào)的運(yùn)載火箭，其功能具備了太陽同步軌道以及發(fā)射近地軌道等。經(jīng)過高精度的發(fā)射，它的運(yùn)載能力和入軌的精確度已經(jīng)驗(yàn)證了處于世界的領(lǐng)先水平[1]。即便這樣還是和發(fā)達(dá)國(guó)家的航天技術(shù)，存在比較大的差距。主要表現(xiàn)在運(yùn)載火箭發(fā)生的故障問題，和問題應(yīng)對(duì)方面存在較多不足。在火箭發(fā)射時(shí)會(huì)遇到一些較小問題，而這些問題由于不具備專業(yè)的診斷儀器和專業(yè)的預(yù)測(cè)能力，為系統(tǒng)故障問題做出解決辦法，以及對(duì)故障后果做出精確預(yù)測(cè)，致使對(duì)火箭發(fā)射產(chǎn)生不良影響。

航天飛行器的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人體的神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)于整個(gè)航天運(yùn)載系統(tǒng)至關(guān)重要。為了提高運(yùn)載火箭的安全性，對(duì)控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。航天飛行器的控制系統(tǒng)主要受環(huán)境載荷以及故障診斷應(yīng)對(duì)能力的影響。在環(huán)境載荷方面，在氣流、大氣和以及引力等方面，認(rèn)識(shí)、了解尚不全面。導(dǎo)致環(huán)境載荷無法受到有效控制，所遇到的問題無法得到很好解決。在火箭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上有所加強(qiáng)，但這對(duì)飛行器的運(yùn)載能力和有效投送比方面產(chǎn)生不良影響。在故障診斷以及應(yīng)對(duì)方面，現(xiàn)階段的運(yùn)載火箭面對(duì)非災(zāi)難性故障問題時(shí)，其制導(dǎo)控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力差，應(yīng)變能力不足。

1.2 航天飛行器控制技術(shù)基礎(chǔ)問題與關(guān)鍵技術(shù)

未來航天技術(shù)未來發(fā)展方向是自由進(jìn)入空間、天地順利往返以及完成空間作戰(zhàn)方面的任務(wù)。因此，也對(duì)航天飛行器中的控制系統(tǒng)提出了更高的要求，因?yàn)楹教祜w行器造價(jià)高，構(gòu)建復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題，影響較大[2]。

航天飛行器控制系統(tǒng)方面遇到的問題，包括，上升段最優(yōu)在線控制技術(shù)、軌道返回與大氣層高超聲速多約束制導(dǎo)技術(shù)以及空天一體全速域復(fù)雜結(jié)構(gòu)飛行器姿態(tài)控制的技術(shù)。在上升最優(yōu)在線控制技術(shù)中，飛行器在飛行過程中可能會(huì)因?yàn)榇髿鈱觾?nèi)氣動(dòng)因素，造成飛行器在高空出現(xiàn)故障，而上升段最優(yōu)技術(shù)滿足自主、快熟規(guī)劃、安全可靠進(jìn)入太空的能力，可以將發(fā)生故障概率降到最低。其中制導(dǎo)控制回路可重構(gòu)、在線故障識(shí)別與管理、自主制導(dǎo)控制技術(shù)的檢驗(yàn)和驗(yàn)證、軌跡在線規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)都有運(yùn)用到。

在軌道返回與大氣層高超聲速多約束制導(dǎo)技術(shù)的運(yùn)用中，空中飛行環(huán)境極其復(fù)雜，空中飛行器在進(jìn)行軌道返回時(shí)會(huì)經(jīng)過三個(gè)過程，包括真空、稀薄和稠密。在這過程中，會(huì)有許多不可控制的因素，導(dǎo)致飛行過程受到不同程度影響。為了空中飛行器，能夠在多種惡劣的先天條件下能夠自主性解決問題，并有超強(qiáng)的適應(yīng)能力。這也要求在制導(dǎo)系統(tǒng)和軌道返回系統(tǒng)做出深入研究。其中所用到的關(guān)鍵技術(shù)包括大范圍橫向機(jī)動(dòng)與規(guī)避飛行制導(dǎo)、末端能量管理制倒以及天基離軌制動(dòng)返回軌道規(guī)劃與制倒。

1.3 航天飛行器控制技術(shù)研究進(jìn)展

我國(guó)對(duì)航天技術(shù)非常重視，投入了大量研究。其中在上升段制導(dǎo)方面，早在上個(gè)世紀(jì)60年代，阿波羅計(jì)劃中的土星系的火箭和航天飛機(jī)已經(jīng)運(yùn)用了閉環(huán)近似最優(yōu)指導(dǎo)，只不過當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)不夠發(fā)達(dá)，大氣內(nèi)最優(yōu)制導(dǎo)算法問題得不到快速且有效的解決辦法，所以一直用的是開環(huán)制導(dǎo)的方式。發(fā)達(dá)國(guó)家早在70年代就已經(jīng)對(duì)大氣層內(nèi)閉路制導(dǎo)系統(tǒng)投入大量研究，主要目標(biāo)是在保證了相同的有效荷載能力，還能在發(fā)射前期消耗最短時(shí)間、消耗最少人力，以及在較大軌跡偏離并且系統(tǒng)有性能復(fù)雜的情況下安全運(yùn)行[4]。雖然在上升段最優(yōu)制導(dǎo)方面有了很好的發(fā)展成果，但是實(shí)際上還沒有運(yùn)用到工程里面去。

二、對(duì)我國(guó)航天飛行控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的思考

為了我國(guó)航天飛行控制技術(shù)成為市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化以及國(guó)際化，并且能夠從容應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)壓力，縮小我國(guó)航天運(yùn)載系統(tǒng)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的航天運(yùn)載技術(shù)的差距。為此，需要對(duì)航天飛行器控制技術(shù)進(jìn)行深入研究，并且對(duì)未來發(fā)展中遇到的基礎(chǔ)問題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃。首先，要研究新型的空間武器，未來的航天飛行控制技術(shù)需要具備高可靠性、高自主性、高自主能力以及低成本，可持續(xù)利用的性能。

在加強(qiáng)進(jìn)入空間和空中飛行控制基礎(chǔ)理論領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。美國(guó)已經(jīng)在此領(lǐng)域取得了巨大成就，但是還是有許多需要改進(jìn)的地方，進(jìn)而對(duì)“先進(jìn)制導(dǎo)控制技術(shù)”有了新的研究目標(biāo)，讓控制技術(shù)進(jìn)入新的時(shí)代。我國(guó)也應(yīng)當(dāng)為此技術(shù)進(jìn)行深入性研究，把國(guó)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)企業(yè)和專業(yè)性研發(fā)人才聚集起來，進(jìn)行“飛行器先進(jìn)制與控制專題”研討會(huì)。我國(guó)現(xiàn)在所處的信息化時(shí)代，把遇到的飛行器控制、決策和管理一體化的應(yīng)對(duì)問題，進(jìn)行理論和解決方法上的研究。

在加強(qiáng)飛行器和環(huán)境相互作用上進(jìn)行深入研究。飛行器通道間定量化研究穩(wěn)定性差，導(dǎo)致了飛行器的穩(wěn)定控制難度比較大，而飛行環(huán)境特別復(fù)雜，導(dǎo)致高超聲速會(huì)對(duì)飛行造成影響。為此，要對(duì)飛行器與環(huán)境的相互影響做出深入研究。

在天地一致性問題上進(jìn)行深入研究。傳統(tǒng)的地面試驗(yàn)已經(jīng)應(yīng)對(duì)不了現(xiàn)階段的超聲速飛行，目前需要重視天地一致性的問題。為此，在技術(shù)方面，需要對(duì)高逼真度仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次、反復(fù)試驗(yàn)研究，最后進(jìn)行問題評(píng)估。在國(guó)家方面，需要向具有先進(jìn)航天技術(shù)的發(fā)達(dá)國(guó)家，學(xué)習(xí)科學(xué)的理論知識(shí)和問題解決辦法，加強(qiáng)國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)能力建設(shè)，大力培養(yǎng)科技人才，

結(jié)束語

航天技術(shù)是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，對(duì)于航天技術(shù)我們需要用長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光，為了我國(guó)未來航天技術(shù)的發(fā)展。需要認(rèn)識(shí)到現(xiàn)階段航天飛行技術(shù)的近況，以及對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃。

參考文獻(xiàn)

[1]王靜，楊杰，趙文斌.航天飛行器外防熱復(fù)合材料發(fā)展概況[J].材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（S2）：425-429.

[2]張緒虎，單群，陳永來，杜志惠.鈦合金在航天飛行器上的應(yīng)用和發(fā)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2011，30（06）：28-32+63.

[3]樂秀衛(wèi).航天飛行器用新材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].上海有色金屬，1995（02）：104-112.