飞行器与飞行器控制的研究

朱俊璋

(山东省莱芜市第一中学 山东 莱芜 271100)

随着我国国际地位的不断提高及综合国力的不断增强,国家对航空航天技术的发展也越来越重视。航空航天技术是目前世界各国都非常重视的研究领域,它也是一个国家综合国力强弱和科学技术发展水平高低的重要评价标准。目前,世界各国对于航天飞行器的研究都在不断深入,通过世界各国航天领域研究者的不断努力,对于飞行器控制的研究也取得了显著的进步。本文所将对航天飞行器进行介绍,并且对飞行器的控制研究及飞行器控制研究所面临的问题及挑战进行分析。

一、飞行器的技术发展

众所周知,莱特兄弟在1903年以前人的研究成果为基础解决了飞机的三轴可控及平衡问题,实现了动力式飞机的第一次飞行,为未来飞行器的发展奠定了坚定的基础。上个世纪60年代,飞机发展遇到一个难题,之前的常规设计已经不能够满足人们对飞机的使用性能的要求。所以再后来的设计中,出现了把飞机设计为静不定及中立稳定的模型,并能控制飞机结构模型。随后,在飞机研究领域中产生了两个非常重要的概念：电传时示控制系统和主动控制技术。这两个概念的进一步推动航天飞行器的发展。电传时示控制系统和主动控制技术后来被广泛的应用于第三代军用飞机中。

90年代后期,航天时示器在构型、超音速、隐身化、无人机等方面的发展愈发的受到重视。随着信息融合的一体化发展,飞行器控制一体化的现象也日益明显,这也对飞行器提出了更高的要求：

1)包线明示：更宽、更高、更快

2)空间布局：变体布局

3)结构材料：尽量采用强度高的高强材料

4)信息控制：计算及通信尽量做到网络一体化

5)环境及其他：尽量适用于不同环境及满足成本低、性能好的要求

二、飞行器控制发展面临的挑战

飞行器技术的不断发展,对飞行器的控制提出了更高的要求和挑战。目前飞行器的控制发展不但要求技术上的创新发展,更需要研究人员去挖掘一种新的控制理念,因此,飞行器的控制就面临着一些新的挑战：

1)飞行器控制动力模型更加复杂

飞行器控制系统的研究设计是以动力学模型为基础,大多数情况下是以线性模型为基础。但是,因为飞行器的先进化布局关系到许多非线性和强藕合的问题,传统的飞行器控制系统大多把配平状态下小扰动的线性化和线性的控制理论作为基础,这成为飞行器控制系统的时：一个很大的挑战。因为动力学具有很强的非线性,当气动参数到非线性的区域：横测向和侧向运动的藕合很严重就会导致飞行器的运动具有不确定性。

2)飞行器控制涉及到多个学科的交叉设计和研究

以前多个学科的交叉设计和研究总是停滞在飞行器总体的设计阶段,对于飞行器飞行的性能应该把气动力、动力装置[1]、结构装置和飞行器的控制技术进行综合分析。未来的飞行器发展需要将气动力、动力装置、结构装置和飞行器的控制结合的更加紧密来满足飞行器发展的新需求。在三者的组合过程中,动力装置不仅可以提供气动力,还能够起重要的控制作用,各个控制作用互相催进和影响对方。因此,关于飞行器控制涉及多个学科的交叉设计和研究这个问题,不能仅仅停留在飞行器设计的总体阶段,还要深入到飞行器的控制系统。

3)飞行器的控制作用：多元、混合、创新、异构

飞行器多元、混合、创新、异构的控制作用包含气流主动控制、矢量射流喷管、气动连续控制面、材料的变形控制等,以上所列出的创新型控制作用与传统的气动控制相结合,就能够解决未来可能出现的新的使用条件下新气动布局的飞行器的性能及控制作用。飞行器空天一体化[2]使飞行器的发展进入了高潮,使飞行器达到了不同的飞行阶段和不同的过度飞行阶段都能得到有效的控制。因此,应该深入研究飞行器的控制作用。

4)飞行器控制发射适应性不够

目前,飞行器最大的应用领域就是航天领域,在航空飞行器升空起飞的过程中,对于运载发射的火箭精度要求越来越高,虽然我国针对之一问题已经采取有效的措施,但是依然不能对飞行器进行非常精确的控制。飞行器的控制系统是飞行器最重要的一部分,所以,提高飞行器的控制系统对于整个航空飞行器的安全性和稳定性有着决定性的作用。与此同时,航天飞行器的控制系统稳定性对飞行器的控制系统的整体设计设定了更高的目标。

三、飞行器控制的关键技术的分析

目前,中国对于飞行器的研究非常重视,并且在飞行器控制方面有非常显著的进步,其中飞行器控制系统体现出精确性、稳定性、普适性的基本性能,有较快的响应速度、返回稳定的性能并且有效解决在飞行中出现的各种故障,很好的满足在以后的宇宙空间航空飞行器的作战及飞行要求,以及实现在天空及大地间的往返过程中相对复杂的工作操作要求。对于航天飞行器的控制系统工作,有以下几个基础性技术：

1)飞行器在上升阶段的最优控制轨迹技术[3]

在飞行器起飞和上升的过程中最主要的的障碍就是大气层中气流这一因素,在起飞和上升的这一过程中,也可能出现在平时难以预料的问题和事故,此时最优控制轨迹技术就显得尤为重要。通过对飞行器进行最优的上升和起飞轨迹设计,能够使航天飞行器安全的进入太空中,与此同时,飞行器在上升阶段的最优控制轨迹技术的应用也成功降低了资金的投入。

2)航天轨道的大气层的超声速控制技术及往返技术

飞行器在刚开始进入到宇宙和从宇宙返回地面时,度过了三个重要的飞行阶段,三个阶段分别为真空大气层、稀薄空气层、浓密空气层。在这个过程中,飞行器需要满足各个方面的飞行要求,这其中主要包括飞行过程中的约束因素和终端的约束条件。因此,这就要求飞行器的控制系统具备良好的稳定性和适应性能等。与此同时,还要对飞行器的运动轨迹切入及各个方面的约束条件进行控制和解决。

3)复杂结构的飞行器进行空天一体化时的姿态控制

由于科技发展的广大需求,现在的飞行器需要达到的要求非常高,需要完成的任务与越来越复杂,而且现在飞行器的工作模式多样化,能够充分满足目前航空航天技术发展的需求。但是,在大面积的区域中飞行,会遇到许多来自外界的各个方面的干扰因素,并且飞行器会表现出内部参数的不稳定性。因此,为了能够更加充分的满足飞行器在进行轨道转变和脱离轨道过程中需要的高要求,真正地完成空天一体化的高姿态目标,这就要求研究人员针对飞行器的高姿态系统进行多次的演练模拟,提高控制的准确性,加强对各类不确定因素的控制。

总 结 综上所述,飞行器及飞行器的控制研究在未来充满着挑战,同时也是我国航空航天技术发展的最基本也是最重要的因素。对于飞行器的控制是我国航空航天领域发展的关键点,我们必须抓住这个关键点,正面面对飞行器控制方面的挑战,努力加强飞行器的控制与研究,积极推动我国航空航天技术的发展。

[1]方洋旺,柴栋,毛东辉,张磊．吸气式高超声速飞行器制导与控制研究现状及发展趋势[J]．航空学报,2014,35(07)：1776－1786．

[2]杨成顺．多旋翼飞行器建模与飞行控制技术研究[D]．南京航空航天大学,2013．

[3]蔡红明．微型涵道飞行器的设计与控制研究[D]．南京航空航天大学,2012．