飞行器与飞行器控制研究

王汉元

摘 要：本文重点对飞行器以及对飞行器的控制进行了分析，总结了当前我国在航天飞行器研究方面存在的问题以及挑战，然后概括了我国未来在航天发展领域中对飞行器控制技术的发展和基础问题的解决，针对性分析了当前航天飞行器控制技术的研究进展，对未来我国在航天飞行器研究和发展提出了建议。

关键词：航天飞行器；控制；动力学

航天技术是当前世界科技发展历程中比较高端的科技技术之一，同时也是象征着一个国家科技发展层次和国力强弱的重要标志。当前，世界上各大航天大国以及相关的研究工作者对飞行器的研究进程不断的深入，其中对飞行器的进入空间、提升空间大小控制以及有效实现天地往返等方面技术进行了研究，通过各种顶尖科技技术的研究，将全新的设计概念融入到世界各国的发展规划当中，并且取得了阶段性的进展。本文所介绍的航天器，重点是针对进入到宇宙空间中的运载火箭和空间飞行器，对这种飞行器的研究涉及到了飞行器控制理论与技术属于当前对空间飞行器研究领域的重点内容，具有一定的挑战性、前瞻性、先进性以及基础性等方面的特点，对该技术的分析研究已经成为了我国航天事业在未来工作发展过程中的一项关键性技术。

1 航天飞行器控制技术领域中的问题和挑战

1.1 空间控制和控制技术问题

我国在历经四十多年的研究和发展，我国在运载火箭技术研究方面已经取得了突破性的紧张，已经独立自主研发出了十四种不同型号的“长征”系列的空间运载火箭，空间运载火箭具有近地发射轨道、地球同步轨道以及太阳同步轨道等多种不同类型的运行途径，飞行器的入轨精度已经充分达到了世界飞行器研究先进水平。尽管当前我国在人造运行火箭技术研究方面已经取得了一定的成绩，在国际航天技术研究领域当中占据了重要地位，并且已经通过了高密度发射测试考核，在航天技术控制方面已经得到了有效的验证。尽管如此，我国在和世界上一些顶尖的航天器研究大国相比，还是存在着一定的差距和不足。因此，我们是需要在航天技术研究份工作上不断的努力，争取达到世界航天技术的顶端水平[1]。

1.2 对运载火箭出现问题故障的处理能力不足

在航天器飞行器发射和运行过程当中，因为非灾难性的问题造成航天飞行器发射工作出现故障，以至于造成了航天飞行器发射失败。针对这些方面的问题原因，通常可以通过一些理论设计的方式方法来进行解决，这就需要航天研究人员通过判断与防御的方式，来对系统当中出现的故障实施监控和检测，然后在通过技术隔离的方式进行防护，从中可以有效的检测出飞行器系统中出现问题的部分，针对这部分的问题进行有效的解决，这对航天飞行器任务调整提供出了决策方面的支撑能力，同时对航天飞行器设施维护与更改工作提供一定的建议和指导。

1.3 对航天飞行器发射活动的适应性不足

在航天飞行器起飞环节当中，对运载火箭发射的精确程度要求非常高，当前我在这方面的应对措施已经取得良好的进展，但是其中还是不具备对发射时间中敏感性工作的充分适应能力。因为控制系统属于航天飞行器中的大脑中枢，提升航天飞行器中枢控制系统的稳定性和准确性，对提升航天飞行器整体的运行系统的安全性和稳定性有着决定性的意义。所以说，我们可以通过对航天飞行器中枢控制技术的不断革新，以及对航天飞行器控制系统理论知识深度的加深来不断的提升航天飛行器运行的稳定性和经济性。同时，航天飞行器中枢控制系统的稳定性对飞行器控制系统整体设计技术提出了更高的挑战[2]。

2 航天飞行器控制中的关键性技术分析

当前，我国在航天飞行器的研究方面取得了非常明显的进展，其中对航天飞行器的控制系统的稳定性、精准性、适应性以及自主飞行技术作为基本特性，具有响应速度较快、应急返回稳定以及对飞行过程中出现各种故障进行解决，充分的满足了航天飞行器在未来宇宙空间中的作战要求，以及在天地之间往返实现比较复杂的操作工作要求。对航天飞行器系统控制工作中，具有以下几个方面的基础性技术：

2.1 航天飞行器上升阶段的最优轨迹控制技术

在航天飞行器的起飞上升过程中最优轨迹的控制技术，重点是受到大气层当中的内气流的影响，在具体的飞行过程当中可能会出现难以预料的问题故障，通过对航天飞行器最优化的上升轨迹的设计方式，可以充分的实现飞行器的自主性和快速性的上升，通过这种方式来满足对航天飞行器的安全稳定进入到太空当中，同时还实现了降低资金投入成本的作用。其中所包含了关键性技术包含了：飞行器的轨迹在线规划、飞行器故障在线处理、风载荷技术控制、自动化指导控制技术以及自动故障检测等方面的功能[3]。

2.2 轨道往返技术和大气层超声速控制技术

航天飞行器在进入宇宙和返回地面的过程中，穿过了真空层、空气稀薄层、空气浓密层这三个重要的轨迹阶段，在此过程当中需要充分的满足飞行器在运行过程中的各种不同的需求条件，其中包含了运行过程的约束条件、终端约束他条件等，这就要求在航天飞行器当中的制导系统就要具备优良的稳定性、自动型以及自适应能力等。除此之外，我们还需要对航天飞行器的运行轨迹快速切入、多方面条件约束等大范围下的横向机动飞行制导等方面的问题加以解决。其中所包含的关键性技术有：航天飞行器制动返回轨道制导技术、终端能量制动管理技术以及大范围性的横向机动和预防规避飞行制导技术等[4]。

2.3 空天一体化全区域复杂结构飞行器姿态控制技术

因为科技技术发展的需求，现在空天航天飞行器需要做到的任务非常多，并且工作模式比较的多样化，充分满足了大面积区域内的空间飞行要求，在大面积区域中的飞行状况下，会存在很多外界方面因素的干扰，并且表现出航天飞行器内部参数不稳定的状况，为了充分的满足航天飞行器在轨道转变与轨道脱离过程中所需要的高姿态要求，真正实现空天一体化的全速飞行要求，这就需要相关的研究人员对航天飞行器的姿态系统实施反复输入，提高设计精确度、加强设计耦合度以及其他方面的不确定性的控制技术。

2.4 冗余和重构飞行控制技术

航天飞行器对其本身的设备控制的形态、装载空间、实际重量以及在多种不同环境下的自适应能力等方面，在进入到太空当中之后，太空当中辐射以及苛刻的环境下，会对航天飞行器的热平衡性和对电磁波的兼容能力提出了非常高的要求，为了充分的满足航天飞行器在长期飞行过程中对出现故障的分析和排出能力，这就需要对航天飞行器中的控制系统的可靠性加以提升[5]，进而实现了飞行器在故障结构下飞行控制方面的问题。其中主要涉及到的控制技术有：高稳定性和控制设备冗余设施控制技术、冗余度控制问题监测和问题分离技术、故障状态下实现制导系统的重构技术等。

3 对我国航天航空技术在未来发展的展望

基于当前世界上在航天航空技术方面的发展状况，对航天飞行器在之后的技术发展过程中关键性的问题和技术分析，我国在航天飞行器运载系统技术方面的发展必须要不断缩短和世界上顶尖航天技术发展大国之间的差距；从另一个方面考虑，要不断推动我国航天飞行器研究事业在国际上的竞争能力，推动我国航天航空技术走向市场化、产业化以及国际化的发展历程当中。在步入到太空上升阶段当中，需要不断的提升航天飞行器研发的自主性、可靠性、反复性以及尽可能的降低投资成本等方式。其中航天飞行器对一个国家的安全性和稳定有着非常重要的意义，开展全新的宇宙空间作战武器也是非常必要的，航天飞行控制技术具备了较高的稳定性、精确性、强适应性以及自主操作等方面的优良特性，具备对任务工作快速反应、对故障问题重新构造等方面的能力，充分的加强了我国航天飞行控制技术方面的重视程度。航天飞行器的研究需要重视飞行器进入到宇宙空间之后，在沿着轨道运行过程中的基础控制理论研究，航天大国美国在这方面的工作已經取得了比较明显的成绩，但是我们不能就此满足于这种发展现状，仍然还需要不断的研究和发展更加具有影响力的“先进制导控制技术”方面的研究和计划，不断的提升我国航天事业的发展。

4 结语

通过本文对飞行器以及对航天飞行器控制技术的分析研究，从中可以得出飞行器控制理论与技术属于当前对空间飞行器研究领域的重点内容，具有一定的挑战性、前卫性以及基础性等方面的特点，对该技术的分析研究已经成为了我国航天事业在未来工作发展过程中的一项关键性技术。因此，做好飞行器中关键技术的控制和研究，对我国航天航空技术的发展起到了积极的推动作用。

参考文献：

[1]包为民.航天飞行器控制技术研究现状与发展趋势[J].自动化学报，2013，3906：697-702.

[2]张伟堂.临近空间超声速飞行器短时热强钛合金应用分析[J].航空制造技术，2016（10）.

[3]石川，林达.基于自适应积分反步的四旋翼飞行器控制[J].计算机应用研究，2017，11：1-2.

[4]杨浩.基于嵌入式Linux实时控制的四轴飞行器设计与实现[D].西南交通大学，2015.

[5]侯旭阳.碟形飞行器系统设计及其动力学模型和控制方法研究[D].北京工业大学，2013.