可重复使用飞行器导航制导控制技术展望

王国庆，郭建国，周 军，张月玲

(1.西北工业大学精确制导与控制研究所，西安710072；2.中国运载火箭技术研究院研发中心，北京100076）

可重复使用飞行器导航制导控制技术展望

王国庆1，郭建国1，周 军1，张月玲2

(1.西北工业大学精确制导与控制研究所，西安710072；2.中国运载火箭技术研究院研发中心，北京100076）

针对当前可重复使用飞行器的发展现状，总结了其特点、优势和发展趋势。通过飞行任务，分析了可重复使用飞行器所面临的复杂环境特性和飞行控制特性。从飞行控制角度出发，概括了可重复使用飞行器导航制导控制所面临的技术挑战，包括高精度导航技术、多约束航迹优化技术、再入段和能量管理段的制导技术以及强耦合强不确定强鲁棒姿态控制技术等。最后，针对技术挑战，对可重复使用飞行器导航制导控制技术提出了若干建议。

可重复使用飞行器；导航；制导控制；轨迹优化

Abstract：The feather，advantage and tendency of reused launch vehicle are summarized according to the state of arts of vehicle.The complicated environment characteristics and flight control properties are analyzed according to flight mission.Furthermore，the challenges in navigation，guidance and control technology for reused launch vehicle in the view of flight control are presented including navigation technology with high precision，trajectory optimization technology with multi⁃constraints，guidance technology in the reentry phase and energy management，and robust coupling attitude control technology under strong uncertainties.Finally，some key issues are proposed for navigation，guidance and control of reused launch vehicle on the basis of the challenges.

Key words：reusable launch vehicle;navigation;guidance and control;trajectory optimization

0 引言

自由往返于天地之间是人类发展航天、探索太空的必备能力。虽然采用火箭发射技术实现了返回式卫星和载人飞船进出天地空间的能力，但是真正意义下的重复进出空间的飞行器应该是航天飞机。美国的 “哥伦比亚号” “挑战者号” “发现号”和 “亚特兰蒂斯号”航天飞机代表了一个航天飞机的时代，航天飞机能够重复进入空间完成各种科学实验。但是，2011年7月21日 “亚特兰蒂斯号”的 “谢幕之旅”正式宣告了美国30年航天飞机时代的终结［1］。

虽然航天飞机时代结束，但对于自由出入空间可重复使用飞行器的研究一直都在进行。目前，可重复使用飞行器主要分为以下3大类：

(1）可重复使用火箭

如图1所示，美国的SpaceX公司研制的 “猎鹰9号”火箭于2015年12月21日首次实现了发射和回收的圆满成功，也是人类第一次实现一级火箭回收的轨道飞行器。其中，火箭回收技术、火箭发动机推力可调与多次启动功能和火箭发动机重复使用技术，这3大关键技术支撑了可重复使用火箭的发展，不仅低成本地将有效载荷送到近地轨道，同时满足载人航天的条件，引起航天工业的重大变革。

图1 猎鹰9号火箭Fig.1 Rocket of Falcon 9

(2）可重复使用的迷你航天飞机

虽然美国的航天飞机自2011年退役了，但这种类型的航天器却并未退出历史舞台。美国的内华达山脉公司正在研制一种利用火箭垂直发射升空，能像飞机那样水平着陆返回的迷你航天飞机—— “追梦者”。如图2所示，“追梦者”采用一半像飞船一半像飞机的升力体外形的飞行器，体积大约是航天飞机的1/3，它将开启新的迷你型航天飞机的时代，实现可重复使用的目标。

图2 “追梦者”迷你航天飞机Fig.2 Mini space shuttle of Dreamer

图3 X⁃37空间机动飞行器Fig.3 Space maneuvering vehicle of X⁃37

(3）可重复使用空间机动飞行器

空间机动飞行器是一种跨越航空和航天两个技术领域的新型飞行器，它可以自由往返于天地之间，实现航天飞机的功能。美国空军于2010年首次成功地开展了X⁃37的轨道实验。如图3所示，X⁃37能够在轨持续使用数月，维修性强，几个小时后即可再次飞行，发射费用低廉并可以将航天器送往任何轨道［2］。

X⁃37的成功试飞，使得俄、德、英、法、日、印等国重启原先的空间机动飞行器研制任务。俄罗斯重启冷战时期的 “多用途空天系统计划”，即MAKS计划。德国设计的 “桑格尔”空天飞机将在普通机场起飞，可一级入轨，并能水平着陆，预计可重复使用150次。英国提出 “霍托尔”空间机动飞行器研究计划和 “云霄塔”空间机动飞行器计划。印度启动了 “奇瓦塔”计划，研制可重复使用100次的空间机动飞行器。日本也提出了“希望号”无人驾驶空间机动飞行器计划［3］。

可重复使用飞行器采用可重复使用的火箭技术，或者采用吸气式组合发动机，具备可重复使用的能力，能够自由往返于稠密大气、临近空间和近地轨道，是新一代的空天飞行器。这种飞行器具有地面设施简单、维修使用方便、操作成本低、可以上百次重复使用等重要优势，同时也具有侦察、攻击等潜在的军事用途，因此可重复使用飞行器具有极其重要的应用价值，也是未来航空航天领域一体化的发展方向。

基于以上分析，可以看到可重复使用飞行器的发展趋势主要如下：

(1）从有人驾驶到无人飞行器发展

航天飞机的失事，促使可重复使用飞行器向“无人”方向发展，并引发一系列的技术革新。

(2）从单级入轨到多级入轨的方向发展

由于各种组合发动机技术的发展，推动了可重复使用飞行器的入轨要求，不仅可以采用重复使用的火箭技术，而且也可采用航空发动机、新型燃料的火箭发动机技术。目前，各国方案多使用超声速燃烧冲压发动机＋火箭发动机或涡轮喷气＋冲压喷气＋火箭发动机组合方式，实现多级入轨的飞行任务。

(3）向体积小、质量轻、低成本的方向发展

从大型航天飞机到迷你型航天飞机，从一次型火箭到多次使用火箭，可重复使用飞行器均朝着体积小、质量轻、低成本的方向发展。美国空军工程大学对不可重复使用运载器和可重复使用运载器的运输成本进行了对比分析，在同等有效载荷规模的运载器，当发射次数达到21次以后，可重复使用运载器逐渐显示出成本优势。特别是当发射次数达到100次以后，可重复使用运载器可将成本降低至2000美元/磅，成本缩减为不可重复使用运载器的 1/10［4］。

(4）向高可靠性的方向发展

可重复使用飞行器在发射后，如果发生故障或事故，就能够根据自身特性或高升阻比特性进行无动力滑翔并返回，减少故障或事故条件下的安全问题，也避免了原来出现故障或事故，就启动自毁程序，减少了飞行器自身损失以及对环境的影响。

(5）向快速重复使用的方向发展

可重复使用飞行器的优势是重复使用，快速重复使用就可以使飞行器快速响应，再次升空，有效地提高飞行器的使用效率。

1 飞行任务分析

可重复使用飞行器在未来空间的开发、利用、科学研究以及空间的军事应用方面处于重要地位，针对其应用前景，主要执行以下3类飞行任务。

1.1 自由往返天地的运输任务

发展可重复使用飞行器的主要目的是降低天地之间的运输费用。因此，对于可重复使用飞行器来说，首要任务是完成自由往返天地的运输任务。要完成这样的任务，可重复使用飞行器就要经历亚声速、超声速和高超声速等各种飞行状态，跨越大气层内、临近空间和低轨空间等各种环境，这对飞行器导航制导控制系统提出很高的控制要求。

1.2 空间机动飞行任务

除了作为运载器的应用，可重复使用飞行器另一个应用是集飞机和航天器等多重功能于一体的空天飞行器。因此，不仅可以在大气层内的临近空间做高超声速机动飞行，还能在大气层外的外部空间作轨道机动飞行，完成预定的变轨机动。

1.3 空间机动平台对抗任务

作为军事应用平台，可重复使用飞行器还可以作为空间机动平台，进行快速机动部署，来应对新的大气层内和大气层外威胁，在复杂环境下完成平台对抗任务。

2 导航制导控制技术面临的挑战

可重复使用飞行器在复杂的飞行环境中，要完成上述3类典型的飞行任务，对导航制导控制技术提出更高的挑战。导航制导控制系统要具有导航功能、入轨、轨道机动、离轨、再入返回控制功能、能量管理功能、自主着陆功能和控制系统冗余管理与系统重构等功能［5⁃8］。

2.1 高精度导航技术

由于可重复使用飞行器经历入轨、离轨、再入返回、能量管理和自主着陆整个飞行阶段，对于其导航系统来说，必须能够适应整个飞行时间下的要求，而且也要适应长航时的较高精度，才能完成不同飞行任务下的导航任务。一般来说，单一的导航系统难以满足整个飞行需求，需要综合考虑多种导航系统，采用组合导航系统，形成长航时的组合容错导航系统。例如，可以采用捷联惯导/太阳敏感器/星敏感器/GPS/雷达高度表等组合导航方案，来适应在高动态载体下的飞行，以及采用相应的冗余、容错和补偿技术，从而达到高精度导航的目的。

2.2 多约束航迹优化技术

对于可重复使用飞行器来说，由于经历的空域范围大，速度变化大，因此飞行环境对整个飞行任务的约束就会增多，为了能够更好地完成相应的飞行任务，常常考虑航迹的优化设计［9］。对于多约束条件，常常考虑热约束、动压约束、过载约束、控制量约束和终端约束等约束条件，借助于一定的优化算法，从而形成满足各种约束条件的最优航迹，为可重复使用飞行器实际飞行提供支撑。

2.3 再入段和能量管理段的制导技术

由于进入大气层环境的复杂性和特殊性，以及自主着陆的要求，使得再入段和能量管理段成为可重复使用飞行器制导技术的关键问题。从再入点开始到自主着陆结束，整个飞行过程依靠飞行器控制系统对飞行速度、高度、能量和航向进行有效控制，同时保证在进场着陆窗口处达到满足性能要求的能量、位置、速度和航向，就需要根据实际飞行任务完成相应的制导，保证飞行器的安全飞行和准确着陆。

2.4 强耦合强不确定强鲁棒性姿态控制技术

由于飞行器速度、高度和空域跨度范围大，机动性强，因此可重复使用飞行器的姿态稳定控制对于整个飞行过程起着重要的支撑作用。一方面，是飞行环境下不确定因素多，干扰影响大，约束条件多，相应的非线性特性和耦合性非常明显；另一方面，对于飞行器姿态控制精度要求高，因此设计的姿态控制应该强耦合强不确定强鲁棒性的控制系统，才能有效地抑制各种随机不确定的影响，从而有效地协调管理操纵控制系统，匹配于整个飞行过程的制导要求。

2.5 高精度着陆控制技术

可重复使用飞行器最终要实现可重复使用，就必须有高精度的着陆控制技术，保证飞行器在预设的飞行方案下，以设定的姿态角和下沉速率安全着陆到目标点。就要解决着陆段多约束条件下，降落时间短的高精度控制问题，实现安全着陆。

3 导航制导控制技术研究的建议

可重复使用飞行器由于飞行环境的复杂性和飞行任务等要求，对其导航制导控制技术提出了更大的技术挑战。因此，需要结合当前国内外在高超声速飞行器导航与控制领域的研究成果，深入探究其导航与控制机理，这里主要从以下4个方面给出相应的建议。

3.1 面向飞行任务的新型导航技术研究

开展面向飞行任务的新型导航技术，是解决可重复使用飞行器导航系统应用制约的重要技术途径。特别是执行特殊飞行任务时，对高精度导航系统具有很强的依赖性。2014年，DARPA已经开始发展5项不依赖 GPS的导航技术项目［10］，包括定位、导航与授时微技术、自适应导航系统、量子辅助传感与读出和超速激光科学与工程。因此，探索新型导航技术，如量子导航、偏振导航等技术，成为未来高精度导航技术的发展前沿。

3.2 面向复杂飞行环境下动力学特性研究

可重复使用飞行器自由往返天地，就要面临复杂的环境特性，而当前临近空间下稀薄气体效应、高温气体效应以及流动转捩等机理还需要进一步研究。由于在高空高速下飞行，复杂的飞行环境对飞行器动力学特性影响特别大，如高空高速稀薄流动将在局部位置引起速度滑移与温度梯度跳跃，导致升阻特性和力矩特性发生变化，使得飞行器面临更为复杂的动力学不确定性。

3.3 面向制导控制系统设计的模型研究

由于可重复使用飞行器飞行任务的不同，需要针对不同的任务需求以及复杂飞行环境下的动力学特性，结合制导控制系统设计的要求，面向制导控制系统设计的模型成为可重复使用飞行器飞行控制系统设计的主要保障。

针对可重复使用飞行器制导控制的需求，可以分别从非线性动力学模型、物理模型、半实物模型等方面入手，结合模型参数和阶数的要求，建立飞行器在各个阶段反映飞行器特点的需求模型，表征出飞行器的特性。

此外，模型的保真度将是模型研究的重要考核指标，也是制导控制系统设计基础，是飞行器能够完成实际飞行实验成功的保证。

3.4 面向异常事件下智能自主制导控制技术研究

由于飞行环境的复杂性以及飞行包络的限制，使得可重复使用飞行器在大空域飞行时，可能会出现意想不到的异常事件，如美国HTV⁃2的两次失败。任何微小的异常事件，都将影响到可重复使用飞行器的安全飞行。因此，智能自主控制飞行器在出现未知异常事件时，能够实现飞行器安全返回，将是可重复使用飞行器控制技术研究的关键问题。

4 结论

可重复使用飞行器的导航制导控制技术是目前航空航天技术领域发展中具有挑战的课题之一，这类飞行器所带来的新的导航制导控制技术问题必将促进相关导航制导控制基础的研究与探索，促进人类快速步入自由往返天地的时代。

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Prospects for Navigation，Guidance and Control Technology of Reused Launch Vehicle

WANG Guo⁃qing1,GUO Jian⁃guo1,ZHOU Jun1,ZHANG Yue⁃ling2
(1.Institute of Precision Guidance and Control,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072;2.China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076）

V448

A

1674⁃5558(2017）07⁃01404

10.3969/j.issn.1674⁃5558.2017.05.015

2017⁃05⁃03

王国庆，男，博士，研究方向为飞行器制导、控制与仿真。