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摘 要：临近空间飞行器利用临近空间独特的环境特点，采用升力体构型，基于助推滑翔式弹道，实现高超声速滑翔和机动，极具发展潜力。介绍临近空间高超声速飞行器的发展历程，根据其飞行特点深入分析临近空间高超声速滑翔机动飞行所需的高精度GNC技术，并对其发展前景进行展望。
关键词：临近空间；高超声速；滑翔机动；GNC
中图分类号：V448．2 文献标识码：A
1 引言
临近空间是指距地面20～100 km的空域，大致包括大气平流层、中间层和部分电离层。临近空间在通信保障、情报收集、电子压制、预警等方面极具发展潜力，其重要的开发应用价值在国际上引起了广泛关注。美国空军和NASA在上世纪中后期就开始了高超声速飞行器的研究试验，2004年X-43A飞行实验的成功更给高超声速技术的研究带来了新的希望。美国国防高级研究计划局(DARPA)目前正在同空军联合执行“猎鹰”(从美国本土进行军事力量应用及发射，简称FALCON)计划，近期目标(2010年以前)是研制出通用航空器(CAV)和小型发射火箭(SLV)；远期目标(2025年)是研制出高超声速巡航飞行器(HCV)。美国高超声速飞行器的发展历程如图1所示。
“猎鹰”计划的飞行器利用临近空间独特的环境特点，采用升力体构型实现高超声速飞行或滑翔，能够实现远程、快速、精确打击和ISR任务，由于飞行速度高、机动能力强，具有相当高的突防概率，是一种非常重要的新型战略威慑和战术运用武器平台。然而，超高速飞行的机动能力，远程的精确打击，无疑是对现有GNC技术的巨大挑战，因而先进的制导、导航与控制技术成为“猎鹰”计划亟待突破的关键技术之一。
2 临近空间高超声速飞行的特点
高超声速机动飞行器通常在大气上层或边缘的临近空间进行任务目标飞行。地球表面的大气层无明显上限，但其各种特性在垂直方向上的差异非常明显。如随高度的增加，大气压力和密度会快速衰减而趋于真空。因此，高超声速飞行在大气稠密区与稀薄区的技术问题或难点有很大的不同。在大气层边缘，高超声速机动飞行所遇到的空气阻力和气动加热大为减少。如美国跨大气层高超声速飞行试验机X215，飞行试验的马赫数为6.7，最大飞行高度107.8 km，其机身温度最高仅为704℃，并可获得较大的升阻比，利于机动飞行和远程攻击突防。同时，因其约2／3的时间飞行在大气稀薄边缘，相当部分的气动热以辐射形式散入空间，这样可减小燃料消耗和飞行器的平均热载荷，从而增大任务活动半径和降低热管理的要求。临近空间高超声速机动飞行器通常先用火箭助推或由母机携带至一定高度，获得预定飞行速度后分离脱落或投放，然后飞行器自行启动、加速和爬升，作机动或循环机动以实施任务目标飞行。
3 高超声速高精度GNC技术
GNC系统是飞行器的大脑与神经系统，高精度的导航、制导与控制技术是临近空间飞行器完成作战任务的根本保证。临近空间飞行器要在环境极其复杂的亚轨道空间作超高声速飞行，由于稀薄大气的影响，使得飞行过程中会出现长时间的黑障区，卫星导航、天文导航的使用受到限制。临近空间环境的不确定性，使得终端状态的精确预测十分困难，因而要求制导方法具有自适应能力。高超声速飞行器全航程飞行过程中，空气密度低，气动控制效率低，可采用喷射反作用控制系统(RCS)作为执行机构，但RCS喷流与飞行器流场之间存在复杂的相互干扰问题，直接力饩动力复合控制方法在分析上也存在很多困难，而新概念控制方式仍存在一系列问题。因此，作战任务与飞行环境给GNC系统的设计提出了大量复杂的约束和极高的要求，要求GNC系统必须能够适应飞行环境的剧烈变化并以较高的末端精度完成作战任务。
3．1 动力学与制导技术
3．1．1 多约束下弹道优化技术
弹道优化要求在满足多种约束条件下，充分考虑临近空间飞行器的任务目标，对整个弹道进行优化设计。CAV就采用了非常规的助推一滑翔一跳跃式弹道，即一种势能和动能互换的周期性弹道，具有很强的远程突放能力。由于防御系统对弹道导弹轨迹的预测是将弹道限定在一个管形区内，逐渐缩小预测弹道管形区的半径，当其足够小时，就可以发射拦截器进行拦截，若弹道跳跃的幅度越大，管形区的面积就会越大，从而给防御系统的管形区预测带来更大的困难。因此，加大弹道跳跃的幅度是提高突防能力的重要手段。这就需要选用适当的优化策略，在满足多种约束的条件下，优化各种控制参数，使得飞行器航程最远或是弹道跳跃的幅度最大，最大程度地隐蔽导弹的飞行弹道，以有效地提高临近空间飞行器的作战效能。
3．1．2 滑翔控制技术
航程是衡量邻近空间飞行器作战能力的重要指标，应通过飞行器总体设计与制导系统设计，使其航程满足要求。临近空间高超声速飞行器一般都具有较远的航程，借助滑翔控制技术它可以对远程目标进行精确打击。其原理是利用飞行器在飞行中产生的升力与重力平衡，升力主要由飞行器自身的升力体结构和动力舵控制来实现，同时可通过调整滑翔规律参数(如舵偏角)进行制导控制，以满足滑翔控制和导引精度要求。滑翔控制技术是实现临近空间飞行器远程精确打击的关键技术之一。
3．1．3 快速发射及弹道重构技术
快速发射技术即飞行器接到任务命令后，在极短的时间内投入使用的能力。“猎鹰”计划要求高速无人飞行器和相关的滑翔武器能够在2小时内将传统的非核武器从美国本土投送到地球的任何地方。
自适应弹道重构与控制(Adaptive TrajectoryReshaping and Control，简记为ATRC)是临近空间高超声速飞行器的一种先进制导控制技术。当飞行器在飞行过程中接收到作战指令，改变作战任务时，能够迅速地根据当前位置和目标位置制定制导策略，即要求飞行器具有在线实时自适应制导能力。
3．2 先进控制技术
3．2．1 气动布局与控制机构布局
在高超声速飞行条件下，具有高升阻比是确保临近空间飞行器滑翔达到很远的航程(几千公里以上)的必要条件。对于长时间飞行的高超声速飞行器来说，实现高升阻比与降低防热要求通常是矛盾的。一般情况下，高超声速高升阻比飞行器的头部与翼前缘的气动外形比较尖，必然会产生高加热问题，给防热系统设计带来压力；还可能出现横向和纵向气动特性不对称，即横向压心和纵向压心一般相距较远，在实际应用中会引起纵、横向稳定性不匹配的问题，给飞行器的稳定飞行和控制带来很大的困难。此外，理论上升阻比很高的外形往往无法满足装填性能要求，在实际工程设计中需要综合考虑气动与装填的要求。这些问题需要很好的协同解决，抑制高升阻比气动外形的负面效应。
控制机构的布局对控制系统设计影响重大，合理高效的控制机构布局有助于提高控制系统的稳定性和可靠性。携带动力系统的HCV，其控制系统的布局有别于无动力的CAV，控制系统设计还必须考虑推力变化对控制系统稳定性的影响。
3．2．2 自适应控制方法
由于CAV特别是HCV飞行速度高，机动范围大，飞行器状态参数变化大，对控制系统稳定性和可靠性提出了更高的要求。临近空间高超声速飞行器一般采用两种或多种导航方式相结合的组合导航技术，并采用具有自适应能力的制导与控制系统。
变结构控制是控制系统的一种综合方法，已被用于解决复杂的控制问题，其主要特点是滑动模态具有对系统摄动及外干扰的不变性，即理想的、完全的鲁棒性。变结构控制的设计主要包括两方面：①选取切换面(滑模面)，使滑动运动渐进稳定，动态品质良好。②选择控制律，使满足到达条件，即切换面以外的相轨线于有限时间内到达切换面。相应地，变结构控制系统中的运动包括位于切换面之外的趋近运动和位于切换面之上的滑动运动，而过渡过程的品质决定于这两段的运动品质。
4 前景展望
近年来，国际上关于高超声速飞行器的研究兴趣不断增加，不断有新的研究成果面世。特别是水平起降航天飞行器、超高速导弹和跨大气层飞行器等超高速飞行器关键技术的研究更为深入，在动力推进、结构气动、制导、导航与控制等方面取得了一定进展。借助于高超声速飞行器技术实现远程、快速、对地攻击的各种新概念武器的研究也都进展迅速。这些都可为我们研究远程、快速无人飞行器技术提供有益的参考。
可以预见，今后临近空间高超声速技术研究和试验将与军事紧密结合继续进行下去，把陆地、海上、空中、临近空间和空间资产集成为一体，互为补充，以获取作战空间的态势感知优势，进而赢得作战优势。今后也将出现多个研究计划共存的局面，这些计划将相互取长补短，更好地推进临近空间高超声速技术的发展研究。
5 结束语
临近空间对于情报收集、监视和通信保障来说是一个很有发展前景的新领域。临近空间高超声速武器的大量运用将对未来战争产生深刻的影响，传统的作战理论、组织指挥和作战方法等都将发生重大的变化，未来战争将面貌一新。
关键词：临近空间；高超声速；滑翔机动；GNC
中图分类号：V448．2 文献标识码：A
1 引言
临近空间是指距地面20～100 km的空域，大致包括大气平流层、中间层和部分电离层。临近空间在通信保障、情报收集、电子压制、预警等方面极具发展潜力，其重要的开发应用价值在国际上引起了广泛关注。美国空军和NASA在上世纪中后期就开始了高超声速飞行器的研究试验，2004年X-43A飞行实验的成功更给高超声速技术的研究带来了新的希望。美国国防高级研究计划局(DARPA)目前正在同空军联合执行“猎鹰”(从美国本土进行军事力量应用及发射，简称FALCON)计划，近期目标(2010年以前)是研制出通用航空器(CAV)和小型发射火箭(SLV)；远期目标(2025年)是研制出高超声速巡航飞行器(HCV)。美国高超声速飞行器的发展历程如图1所示。
“猎鹰”计划的飞行器利用临近空间独特的环境特点，采用升力体构型实现高超声速飞行或滑翔，能够实现远程、快速、精确打击和ISR任务，由于飞行速度高、机动能力强，具有相当高的突防概率，是一种非常重要的新型战略威慑和战术运用武器平台。然而，超高速飞行的机动能力，远程的精确打击，无疑是对现有GNC技术的巨大挑战，因而先进的制导、导航与控制技术成为“猎鹰”计划亟待突破的关键技术之一。
2 临近空间高超声速飞行的特点
高超声速机动飞行器通常在大气上层或边缘的临近空间进行任务目标飞行。地球表面的大气层无明显上限，但其各种特性在垂直方向上的差异非常明显。如随高度的增加，大气压力和密度会快速衰减而趋于真空。因此，高超声速飞行在大气稠密区与稀薄区的技术问题或难点有很大的不同。在大气层边缘，高超声速机动飞行所遇到的空气阻力和气动加热大为减少。如美国跨大气层高超声速飞行试验机X215，飞行试验的马赫数为6.7，最大飞行高度107.8 km，其机身温度最高仅为704℃，并可获得较大的升阻比，利于机动飞行和远程攻击突防。同时，因其约2／3的时间飞行在大气稀薄边缘，相当部分的气动热以辐射形式散入空间，这样可减小燃料消耗和飞行器的平均热载荷，从而增大任务活动半径和降低热管理的要求。临近空间高超声速机动飞行器通常先用火箭助推或由母机携带至一定高度，获得预定飞行速度后分离脱落或投放，然后飞行器自行启动、加速和爬升，作机动或循环机动以实施任务目标飞行。
3 高超声速高精度GNC技术
GNC系统是飞行器的大脑与神经系统，高精度的导航、制导与控制技术是临近空间飞行器完成作战任务的根本保证。临近空间飞行器要在环境极其复杂的亚轨道空间作超高声速飞行，由于稀薄大气的影响，使得飞行过程中会出现长时间的黑障区，卫星导航、天文导航的使用受到限制。临近空间环境的不确定性，使得终端状态的精确预测十分困难，因而要求制导方法具有自适应能力。高超声速飞行器全航程飞行过程中，空气密度低，气动控制效率低，可采用喷射反作用控制系统(RCS)作为执行机构，但RCS喷流与飞行器流场之间存在复杂的相互干扰问题，直接力饩动力复合控制方法在分析上也存在很多困难，而新概念控制方式仍存在一系列问题。因此，作战任务与飞行环境给GNC系统的设计提出了大量复杂的约束和极高的要求，要求GNC系统必须能够适应飞行环境的剧烈变化并以较高的末端精度完成作战任务。
3．1 动力学与制导技术
3．1．1 多约束下弹道优化技术
弹道优化要求在满足多种约束条件下，充分考虑临近空间飞行器的任务目标，对整个弹道进行优化设计。CAV就采用了非常规的助推一滑翔一跳跃式弹道，即一种势能和动能互换的周期性弹道，具有很强的远程突放能力。由于防御系统对弹道导弹轨迹的预测是将弹道限定在一个管形区内，逐渐缩小预测弹道管形区的半径，当其足够小时，就可以发射拦截器进行拦截，若弹道跳跃的幅度越大，管形区的面积就会越大，从而给防御系统的管形区预测带来更大的困难。因此，加大弹道跳跃的幅度是提高突防能力的重要手段。这就需要选用适当的优化策略，在满足多种约束的条件下，优化各种控制参数，使得飞行器航程最远或是弹道跳跃的幅度最大，最大程度地隐蔽导弹的飞行弹道，以有效地提高临近空间飞行器的作战效能。
3．1．2 滑翔控制技术
航程是衡量邻近空间飞行器作战能力的重要指标，应通过飞行器总体设计与制导系统设计，使其航程满足要求。临近空间高超声速飞行器一般都具有较远的航程，借助滑翔控制技术它可以对远程目标进行精确打击。其原理是利用飞行器在飞行中产生的升力与重力平衡，升力主要由飞行器自身的升力体结构和动力舵控制来实现，同时可通过调整滑翔规律参数(如舵偏角)进行制导控制，以满足滑翔控制和导引精度要求。滑翔控制技术是实现临近空间飞行器远程精确打击的关键技术之一。
3．1．3 快速发射及弹道重构技术
快速发射技术即飞行器接到任务命令后，在极短的时间内投入使用的能力。“猎鹰”计划要求高速无人飞行器和相关的滑翔武器能够在2小时内将传统的非核武器从美国本土投送到地球的任何地方。
自适应弹道重构与控制(Adaptive TrajectoryReshaping and Control，简记为ATRC)是临近空间高超声速飞行器的一种先进制导控制技术。当飞行器在飞行过程中接收到作战指令，改变作战任务时，能够迅速地根据当前位置和目标位置制定制导策略，即要求飞行器具有在线实时自适应制导能力。
3．2 先进控制技术
3．2．1 气动布局与控制机构布局
在高超声速飞行条件下，具有高升阻比是确保临近空间飞行器滑翔达到很远的航程(几千公里以上)的必要条件。对于长时间飞行的高超声速飞行器来说，实现高升阻比与降低防热要求通常是矛盾的。一般情况下，高超声速高升阻比飞行器的头部与翼前缘的气动外形比较尖，必然会产生高加热问题，给防热系统设计带来压力；还可能出现横向和纵向气动特性不对称，即横向压心和纵向压心一般相距较远，在实际应用中会引起纵、横向稳定性不匹配的问题，给飞行器的稳定飞行和控制带来很大的困难。此外，理论上升阻比很高的外形往往无法满足装填性能要求，在实际工程设计中需要综合考虑气动与装填的要求。这些问题需要很好的协同解决，抑制高升阻比气动外形的负面效应。
控制机构的布局对控制系统设计影响重大，合理高效的控制机构布局有助于提高控制系统的稳定性和可靠性。携带动力系统的HCV，其控制系统的布局有别于无动力的CAV，控制系统设计还必须考虑推力变化对控制系统稳定性的影响。
3．2．2 自适应控制方法
由于CAV特别是HCV飞行速度高，机动范围大，飞行器状态参数变化大，对控制系统稳定性和可靠性提出了更高的要求。临近空间高超声速飞行器一般采用两种或多种导航方式相结合的组合导航技术，并采用具有自适应能力的制导与控制系统。
变结构控制是控制系统的一种综合方法，已被用于解决复杂的控制问题，其主要特点是滑动模态具有对系统摄动及外干扰的不变性，即理想的、完全的鲁棒性。变结构控制的设计主要包括两方面：①选取切换面(滑模面)，使滑动运动渐进稳定，动态品质良好。②选择控制律，使满足到达条件，即切换面以外的相轨线于有限时间内到达切换面。相应地，变结构控制系统中的运动包括位于切换面之外的趋近运动和位于切换面之上的滑动运动，而过渡过程的品质决定于这两段的运动品质。
4 前景展望
近年来，国际上关于高超声速飞行器的研究兴趣不断增加，不断有新的研究成果面世。特别是水平起降航天飞行器、超高速导弹和跨大气层飞行器等超高速飞行器关键技术的研究更为深入，在动力推进、结构气动、制导、导航与控制等方面取得了一定进展。借助于高超声速飞行器技术实现远程、快速、对地攻击的各种新概念武器的研究也都进展迅速。这些都可为我们研究远程、快速无人飞行器技术提供有益的参考。
可以预见，今后临近空间高超声速技术研究和试验将与军事紧密结合继续进行下去，把陆地、海上、空中、临近空间和空间资产集成为一体，互为补充，以获取作战空间的态势感知优势，进而赢得作战优势。今后也将出现多个研究计划共存的局面，这些计划将相互取长补短，更好地推进临近空间高超声速技术的发展研究。
5 结束语
临近空间对于情报收集、监视和通信保障来说是一个很有发展前景的新领域。临近空间高超声速武器的大量运用将对未来战争产生深刻的影响，传统的作战理论、组织指挥和作战方法等都将发生重大的变化，未来战争将面貌一新。