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1、简析航天飞行器控制技术研究现状与发展趋势1航天飞行器控制领域前沿问题与挑战 1.1可靠进入空间的控制前沿问题与挑战 经过40多年的不懈努力,我国的运载火箭得到了长足的发展,独立自主地研制了14种不同型号的长征系列运载火箭,具备发射近地轨道、太阳同步轨道、地球同步转移轨道等多种轨道有效载荷的运载能力,入轨精度达到国际先进水平.虽然我国运载火箭已取得举世瞩目的成就,已在世界商用航天发射市场占有一席之地,并且通过了高密度发射的考核,控制技术得到了充分验证,但是与国外先进的航天运载技术相比,还存在一些不足: 1)运载火箭
2、应对故障的能力不足:由非灾难性故障而导致发射任务难以顺利完成或失败,而这些故障往往可以通过理论方法来克服,需要具备能够采用诊断和预测的方法进行系统故障的监控、检测、隔离,能够评估系统故障的影响并为任务调整提供决策支持的能力,对设备的维护和更换提供指导性建议. 2)火箭发射成本和经济性有待进一步提升:我国运载火箭与国外相比,入轨精度处于同一个量级甚至更高,但现役运载火箭的价格优势正在逐步丧失,同时也暴露出运载能力不足、发射准备周期长、任务适应性差的缺点,难以满足高效率、多样化的航天发射和空间运输需求. 3)对任务的适应
3、能力存在不足:火箭对发射零时的要求较高,现有方法不具备对发射时间敏感任务的适应性.控制系统是运载火箭的神经中枢,提高控制系统的可靠性,对于提高整个运载系统的可靠性至关重要.因此,可以通过制导与控制理论方法的革新来提高运载火箭的可靠性、经济性.同时,系统的高可靠性要求也对控制系统的设计提出了更高的挑战. 挑战1.对环境载荷影响的控制问题 由于对大气、引力等环境因素的影响机理尚未完全认知,故而未能对环境载荷的影响实现有效控制,导致火箭采取保守设计加强了结构强度,大大影响了运载能力和有效投送比.如从制导控制角度能降低环境载
4、荷不确定性的影响,将有助于降低运载火箭总体结构质量,提升有效运载能力. 挑战2.对故障的诊断与应对能力 当前运载火箭制导控制系统在面对典型非致命的动力、控制机构等故障时缺乏自适应能力,导致对非灾难性故障的应对能力不足.1.2空天飞行器的控制前沿问题与挑战 空天飞行器集航空、航天技术于一身,兼有航空器和航天器的特点与功能,既可以像普通飞机一样在稠密大气层内飞行,又可以在近空间稀薄大气层内作高超声速巡航飞行,还可以穿过大气层进入轨道运行.归纳起来空天飞行器具有五个方面的特点: 1)任务维数多:主要包括在轨运行、再入返
5、回两类任务,在轨飞行任务包括初态建立、轨道机动、轨道维持、高精度对地观测、在轨稳定运行等任务模式,是迄今最为复杂的一类飞行器. 2)飞行状态跨度大:飞行空域跨越几百公里地球轨道至地球表面,速度跨越水平着陆低速到第一宇宙速度,在轨飞行时间达到200天以上,再入返回时间约3000s左右,经历的环境温度从零下几十度到1000度以上. 3)飞行环境恶劣:跨越纯空间、稀薄流区和稠密大气层,经历空间辐照、高低温、气动热等复杂环境. 4)动力学特性复杂:包括轨道动力学和再入动力学,为适应不同飞行环境,配备了RCS(Reactio
6、ncontrolsystem)和多操纵气动舵,如体襟翼、升降舵、V形垂尾、阻力板等,姿控系统结构复杂,且多气动舵结构导致姿控系统存在多维强耦合特性. 5)升力式返回模式:出于任务需要和时间限制,空天飞行器再入模式与飞船完全不同,它采用升力式再入模式,从轨道快速返回,利用高升力体外形在临近空间长时间非惯性、大范围横向机动飞行.从这些特点可以看出,空天飞行器具备卫星、导弹和飞机的特性,是航空航天技术的融合.空天飞行器具有多任务、多工作模式、大范围高速机动等特点,其控制问题是国内外相关研究机构和学者关注的热点领域之一,是我国
7、一种未曾实现过的制导控制模式,其理论和方法需进一步完善、创新和发展,对我国控制技术提出了新的需求和挑战. 挑战3.如何有效、安全地从轨道空间返回一直以来都是制约航天发展的一个重要难题,传统的航天器变轨模式需要创新 大部分航天器仅具备轨道平面内的机动能力,异面变轨需要消耗相当大的速度冲量,超出航天器本身能力.如能够利用空天飞行器升力体外形,通过降低轨道高度,利用稀薄气动力进行辅助变轨,同时采用发动机弥补阻力损失,将极大提高飞行器轨道机动能力.国外上世纪80年代就开始了研究,并试图开展试验验证. 挑战4.对理论和方法的
8、挑战 传统导弹、飞船的控制方法已经不能够完全满足现有需求,需要针对空天飞行器的特点,进一步完善、创新和发展制导与控制的基础支撑理论和方法.如混合异类多执行机构的控制与稳定性分析、抗失控敏感控制的理论和方法等. 挑战5.对工程技术的挑战 全自主飞行、长时间工作、设备可重用、满足多种任务、适应多种载荷的要求对控制技
