临近空间低动态飞行器控制研究综述

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronautjcaSinicaFeb．252014V01．35No．2320-33IISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu，cnhkxb@buaa．edu．Crl临近空间低动态飞行器控制研究综述郭建国*，周军西北工业大学精确制导与控制研究所，陕西西安710072摘要：针对临近空间低动态飞行器出现的新的控制问题，分析和总结了临近空间低动态飞行器控制进展状况和发展趋势。首先，基于飞艇和浮空器等临近空间低动态飞行器的特点，归纳总结了其飞行控制问题。在此基础上，结合这类飞行器的当前

2、发展状况，从飞行器控制角度出发，着重介绍总结了临近空间低动态飞行器在控制系统执行机构配置、数学模型、姿态控制、定点控制、速度控制、航迹优化、轨迹跟踪控制、升空和返回控制、压力控制，以及应用的多种控制策略的研究进展。最后，在已有的控制问题研究发展的基础上，提出了临近空间低动态飞行器在控制研究领域所要解决和关注的若干问题。关键词：飞艇；浮空器；数学模型；飞行控制系统；姿态控制；航迹中图分类号：V274；V249．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)02—0320—12随着航空航天技术的迅速发展，距地面20～100km空域的临近空间的战略价值受到了世界强

3、国的普遍重视[1’4]，它们相继开展了关于临近空间低动态飞行器的研究工作。所谓临近空间低动态飞行器是指一类能够飞行在临近空间执行特定任务的飞行器，其依靠空气静浮力作为升力，同时执行机构响应的动态特性较低，因此称为低动态飞行器。该类飞行器主要包括平流层飞艇[5]和浮空器[6]。这两大类飞行器具有的共同特点是利用自身携带的轻质气体(如氦气等)，依靠静浮力进入临近空间，来完成一定的飞行任务。飞行控制问题是I临近空间低动态飞行器的关键技术问题，与其他航空飞行器相比，临近空间低动态飞行器所面临的新的控制问题主要有：1)飞行器自身动力学模型所具有的问题一般情况下，在对这类飞行器的

4、受力分析中，除了静浮力和一般的空气动力外，还要考虑特殊的流体惯性力。由于这类飞行器均依靠轻质气体产生的浮力来抵消重力的影响，因此需要大量的浮升气体来满足升空需求，就产生了巨大的外形结构，使飞行器在加速运动时，空气产生同样大小而方向相反的力和力矩作用在飞行器上，即为流体惯性力，相当于增加了飞行器质量，这被称为附加质量效应。此外，飞行器弹性形变问题和执行机构配置问题也影响到飞行器的动力学建模。2)临近空间飞行环境下的动力学特性与控制问题首先，飞行器具有大惯量、大时滞和低动态的动力学特性。这样的动力学特性直接给整个控制系统带来了独有的大滞后和控制特性弱的控制问题。其次，由于

5、这类飞行器要穿越对流层到达临收稿El期：2013．09—03；退修日期：2013—10—08；录用日期：2013—10—17；网络出版时间：2013-11一0416：27网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929V．201311041627．003html基金项目：航天科技创新基金(N13XW0001)*通讯作者Tel：029．88493113E-mail：guojianguo@nwpu．edu．Cn引用棒武：GuoJG，ZhouJ．Reviewofthecontroloflowdynamicvehiclesinnearspace[

6、J]ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2014，35(2)：320．331i郭建国，周军．临近空问低动态飞行器控钢研究综述!∞．航空学报．2014．35(2)：320-331．郭建国等：临近空间低动态飞行器控制研究综述321近空间，因此两种飞行环境下就会产生不同的控制问题。与传统航空飞行器所处的飞行环境相比，I晦近空间还是一个人们正在探究的领域。虽然目前已经获知一些环境状况[7_8]，但整个临近空间的大气密度、温度、压力、风场等复杂的环境特性还有待于进一步研究，多种流场耦合和昼夜变化的环境问题将给低动态飞行器控制增添许多不确定的特

7、殊控制问题[9]。对于对流层来说，虽然人们已经基本掌握了整个环境状况，但如何使得这类飞行器安全穿过复杂多变的对流层，所涉及的升空和返回控制成为临近空间低动态飞行器特有的控制问题。此外还有飞行任务所赋予的控制问题。这类低动态飞行器具有通信、空间观测、大气测量、军事侦察监视监测口叩等应用价值，因此要求其控制系统能够确保飞行器在临近空间内长期定点驻空。要实现长时问驻空，就要获得太阳能[1u的支撑，因此需要进行相应的姿态控制，以确保飞行器太阳能接收结构面的方向，能够最大程度获得太阳能。3)气动布局和控制系统的执行机构所产生的控制问题新型的临近空间低动态飞行器