摘 要： 高超声速飞行器（Hypersonic Flight Vehicle， HFV）作为一种新型快速突防和远程打击与运输的工具， 在国防装备发展与民用空天技术应用中发挥着极其重要的战略作用。 文章回顾了HFV的发展历程， 介绍了HFV的动力学特性及其对控制科学的挑战， 重点阐述了几种常用的HFV飞行控制进展情况， 并指出当前研究的不足之处， 为今后HFV飞行控制指明了研究方向。
关键词： 高超声速飞行器; 动力学特性; 飞行控制; 快速突防; 远程打击
中图分类号： TP273; V249.1 文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2018）01-0047-15
0 引 言
高超声速飞行器（Hypersonic Flight Vehicle， HFV）通常是指以超燃冲压发动机（Supersonic Combustion Ramjet， Scramjet）作为动力， 在临近空间以马赫数5以上速度飞行的一类新型飞行器[1-4]。 HFV飞行速度快， 突防能力强， 作战距离远， 探测、 拦截难度大， 具有极强的生存能力， 可用于执行高空侦察与突防、 远程运输与投送以及战略打击任务， 并可重复使用， 效费比高。 由于飞行在距离海平面20～100 km的临近空间， HFV具备传统航空航天飞行器所不具有的战略、 战术与效费比方面的突出优势， 已经成为各航空航天大国争夺空天权的优先发展方向。 美国是HFV发展的引领者， 在该领域一直处于世界领先地位。 同时， 苏联/俄罗斯、 法国、 德国、 英国、 日本、 中国与印度等国也都开展了HFV的相关研究工作。
控制系统是飞行器的“神经中枢”， 是保证其安全飞行、 顺利完成任务使命的关键， 飞行控制问题更是HFV研制中的关键与核心问题之一[5-6]。 HFV的飞行控制任务是通过调整燃料当量比Φ与升降舵偏角δe， 在纵向运动平面内实现速度V与高度h对各自参考输入的精确跟踪， 并稳定飞行姿态与弹性状态， 还要保证控制律对模型不确定性与外界扰动的强鲁棒性。 其中， 对参考输入的精确跟踪是控制目标， 飞行姿态与弹性状态的稳定是关键前提， 控制系统的鲁棒性是重要保证。 但是， 由于HFV特殊的动力学特性、 超高的飞行速度与复杂多变的飞行环境， 其控制系统设计面临着传统飞行器所未曾遇到过的复杂新问题， 因此， 不能将对传统飞行器控制系统的现有设计理论与方法简单、 机械地移植到HFV的飞行控制中， 必须充分结合HFV的自身特点， 开展为其“量身定做”却又不失通用性的控制新理论与新方法研究。
1 HFV国内外发展现状
美国在HFV的发展中扮演着“领头羊”角色， 一直处于HFV研究的技术最前沿。 2013年5月， X-51A成功试飞， 在18 km的高空以马赫数5.1的速度持续飞行了约240 s， 充分验证了其乘波体气动外形、 碳氢燃料Scramjet、 长时间飞行时的热防护以及飞行器制导与控制等关键技术， 标志着美国的HFV与Scramjet技术已经开始面向工程化应用[7-8]。 苏联/俄罗斯是世界上最早进行Scramjet与高超声速飞行试验的国家， 在HFV设计、 高超声速空气动力学、 Scramjet燃料与高温防护材料
等领域均处于世界领先地位[8]。 此外， 法国、 德国、 英国、 日本与印度等国也都开展了大量的HFV研发工作。
与国外相比， 国内的HFV研究工作起步较晚， 从20世纪80年代后期开始一直对国外的相关研究进行跟踪。 2002年， “空天安全若干重大基础问题”课题正式立项。 2007年， 又启动了“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划[9]。 2009年， 国防科技大學成立了高超声速飞行器技术研究中心。 2010年， 教育部成立了新型飞行器联合研究中心。 此外， 国内还建成了名为“JF12”的9倍音速风洞， 为Scramjet与HFV的研究提供了关键试验装置。 最近， 还有报道称国内成功进行了HFV的自主飞行试验。
2 HFV动力学特性
HFV是一个高动态、 快时变、 不稳定、 强耦合、 多变量、 不确定与多约束的非线性系统， 加之其复杂多变的飞行环境和对控制系统的特殊要求， 使得HFV的飞行控制成为控制领域的前沿问题[10-15]。 HFV在临近空间大包线快速飞行， 其飞行空域的大气密度、 压力、 辐射情况、 温度和风场与传统航空航天飞行器所处环境明显不同， 这使得HFV在动力学特性上表现出比传统飞行器更加显著的交叉耦合、 非线性、 非最小相位行为与模型不确定性， 且对飞行姿态异常敏感， 其控制系统设计受到多重约束[5]。 与传统飞行器相比， HFV独特的动力学特性主要表现在以下几个方面：
（1） 高不确定性
由于HFV独特的气动力特性与气动热特性以及飞行过程中所面临的各种大气干扰， 其模型具有高度不确定性。 HFV飞行在大气特性剧烈变化的临近空间， 机体表面大气流动特性十分复杂， 现有的飞行试验、 风洞试验与流体计算都不足以对其进行精确描述， 模型参数存在很大误差。 气动加热会带来真实气体效应， 直接影响机身特定表面载荷与俯仰力矩系数[16]。 HFV飞行跨度大， 飞行环境较传统飞行器更为复杂， 飞行过程中更易受到各种未知大气干扰， 这对其控制系统的鲁棒性提出了极高的要求。
（2） 强非线性
HFV的动力学与运动学模型是高阶复杂非线性微分方程， 气动力是飞行姿态、 速度、 高度与控制输入的非线性解析或非解析函数。 HFV在临近空间大跨度飞行时， 空气密度、 温度、 压力与辐射情况变化显著， 气动特性也随之发生剧烈的非线性变化， 进一步加剧HFV模型的非线性[17-18]。 因此， 传统飞行器所采用的小扰动线性化与分离通道设计控制器的做法对HFV来讲已经不再适用。
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