美国高超声速导弹武器研制进展及思考

正高超声速导弹武器因具备飞行速度快、机动性强等突出特点,能有效突破敌方防空和导弹防御系统的拦截,实施对高价值目标的精确打击,是主要军事国家优先发展的武器装备。为了在大国战略博弈中获得竞争优势,尤其是应对俄罗斯高超声速导弹进入实战部署带来的挑战,美国积极推动高超声速攻防导弹武器系统的发展,加强高超声速导弹研制基础设施建设。本文在分析美国高超声速导弹武器最新进展的基础上,提出几点启示与思考。     

临近空间高超声速目标及其防御

介绍了美国临近空间高超声速飞行器的发展历程,分析了临近空间高超飞行器的战略意义和目标特性.根据临近空间高超声速目标对防御系统预警能力时间性、高速机动目标精确探测、拦截弹机动过载和高精度制导控制等要求,阐述了预警探测系统、指挥控制系统和拦截武器系统可采取的措施.     

临近空间高超声速飞行器关键技术及展望

随着各国对提高军队通信、反应和作战能力的需求与日俱增,发展临近空间高超声速 飞行器技术的重要性愈发明显。综述了临近空间高超声速飞行器国内外的发展现状与趋 势,系统全面地分析了发展临近空间高超声速飞行器的关键技术,包括总体设计技术、气动 力和气动热技术、高温长时间热防护技术、高精度GNC技术、有效载荷抛撒技术以及发动机 技术。在此基础上,最后提出了适合我国国情的临近空间高超声速飞行器技术的发展设想。
     

美国典型高超飞行器项目研发及启示

简要回顾了美国典型高超声速飞行器项目及其动力系统发展的历程,分析了其发展的态势、经验和教训。美国始终将高超声速技术作为航空航天事业发展的重要领域,高超声速飞行器和动力技术方案与国家战略及应用背景密切相关。为了降低技术风险,采取了多方案并行的研发模式。高超声速技术的研发应充分重视顶层设计,注重技术的继承性,发挥不同单位的技术优势,加强基础研究、关键技术攻关和实验设施建设。     

国外高超声速组合推进技术概述

推进技术是高超声速武器的核心技术,以超燃冲压发动机为基础的高超声速组合推进技术是高超声速武器的首选动力方案。本文介绍了几种以超燃冲压发动机为基础的组合推进方案,并简要介绍了美国、日本以及印度的技术发展现状。     

新型高超声速飞行器的气动设计技术探讨

气动技术是高超声速飞行器的重要支撑技术。目前高超声速飞行器迅速发展,飞行器向外形 复杂化、大气层滑翔飞行方向发展。高超声速飞行器飞行时间加长,飞行距离延长。新型高 超声速飞行器的迅速发展向空气动力学领域提出了众多高难度的问题,需要研究新的技术加 以解决。结合高超声速飞行器发展的方向和一些典型项目的气动需求,针对高超声速飞 行器可能的新型气动布局和相应的气动设计技术进行了探讨。
     

高超声速跳跃飞行武器研究

介绍了高超声速跳跃飞行武器的基本概念和发展历程。阐明了弹道一升力式和跳跃式再入大气层返回轨道两种沿大气层跳跃飞行轨道技术的原理、实现途径，以及高超声速跳跃飞行武器的基本特性。此外还分析了美国Demo方案中高超声速航天飞机的主要用途、性能参数及主要的关键技术。     

航天高超声速颤振试验填补国内技术空白

近日，由中国航天科技集团公司十一院1所设计的高超声速颤振试验完成了首次吹风试验。这是我国首次开展的高超声速风洞颤振试验，填补了国内相关技术的空白，结束了国外对此类试验技术长达60多年的垄断。此次试验对于我国新型高超声速飞行器设计研究、特种试验技术发展具有重要意义。     

涡轮基组合循环发动机的发展现状及关键技术浅析

近年来,世界各国在高超声速武器领域的竞争日益激烈,作为高超声速武器核心的动力系统更是成为高超声速武器研制的重中之重。要实现高超声速武器在宽速域、大空域飞行状态下对动力的需求,集成涡轮发动机、亚燃/超燃冲压发动机的涡轮基组合循环发动机(TBCC)是一种较为理想的方案。TBCC根据飞行器所处飞行阶段、飞行高度切换到最合适的工作模态,可以满足天地往返的空天飞行对动力装置的需求,且具有较好的经济性能。本文主要对几种典型TBCC方案及关键技术进行分析。     

高超声速飞行器制导与控制性能评估方法

针对高超声速飞行器的特点,探讨了高超声速飞行器制导与控制系统性能评估问题。对控制系统性能定性评估原则及需考虑的影响因素进行了描述,建立了较完整的制导与姿态控制性能评估指标体系。根据层次化分析思想,通过定性分析与定量评估相结合,提出了一套适用于高超声速飞行器制导与姿态控制性能评估方法。最后,提出了制导与姿态控制性能综合评估验证系统的框架,为后续仿真验证平台搭建及不同制导姿控方法评估提供了重要依据。     

含扩张状态观测器的高超声速飞行器动态面姿态控制

针对高超声速飞行器复杂非线性、高不确定性和强通道耦合等特点,提出了一种飞行器姿态控制的非线性设计方法。根据高超声速飞行器无动力飞行的姿态运动方程组,给出一个可面向姿态控制的非线性设计模型。针对一类非线性系统,提出了一种基于扩张状态观测器（ESO）的动态逆设计方法,并通过动态面控制理论,将其应用于高超声速飞行器的三通道姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的动态面控制方案,本文所提出的控制方案可以保证飞行器快速、精确地跟踪角位置指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。     

临近空间高超声速飞行器测控通信的需求及策略分析

对运行在临近空间的高超声速飞行器,由于其速度快、加速度大、距离跨度大等特点,对其试验及运行过程中的遥测遥控通信问题是一个关键难题。从临近空间的概念、特点出发,结合高超声速飞行器飞行状态、环境,分析了对试验过程中测控通信技术的需求,给出了分析结论及初步应对策略,可对有关高超声速飞行器的测控系统设计提供参考输入。     

高超声速飞行器再入段LQR自抗扰控制方法设计

针对高超声速飞行器(HSV)再入过程中强非线性、强耦合、气动参数变化剧烈的不确定性的特点，提出一种基于线性二次型调节器(LQR)和自抗扰控制(ADRC)的高超声速飞行器再入段的姿态控制方法。首先，建立高超声速飞行器再入段线性化模型，并采用LQR方法完成了状态反馈控制律设计。然后，结合自抗扰控制技术，设计了扩张状态观测器(ESO)对系统的模型不确定性和外部干扰进行补偿，大幅增强了系统的扰动抑制能力。最后，将得到的高超声速飞行器再入段LQR自抗扰姿态控制器(LQRADRC)应用于高超声速飞行器六自由度仿真，仿真结果表明本文所提出的控制方法能够快速、精确地跟踪角位置指令，并且对系统不确定性具有强鲁棒性。     

高超声速乘波飞行器气动实验研究

以绕楔高超声速流场为基础，用流线追踪法生成了一种高超声速飞行器气动概念构形、初步探索了高超声速飞行器机身/推进系统一体化气动构形设计方法，开展了高超声速测压实验，结果表明：该类构形飞行器在高超声速飞行时，可以产生较高的升阻比，前体的预压缩效果明显，是以吸气式冲压发动机动力的有效途的飞行器构形。     

高超声速飞行器控制技术研究进展与展望

针对一类包含可变构型在内的高超声速飞行器的难点,分析了工程应用需求,综述了几类典型的非线性控制方法的研究进展。首先针对高超声速飞行器的几类常见研究模型,总结了模型来源及特点;其次,以实际工程需求为出发点,分析了此类飞行器的控制难点及对于控制系统能力提出的需求;再者,总结了高超声速飞行器几种典型非线性控制及智能控制研究的基本情况和进展,并给出了各类控制方案的框架;最后,面向未来任务形式多样化、环境复杂化的飞行器控制,讨论了可以进一步研究的问题和方向。     

高超声速飞行器非线性自适应姿态控制

分析了影响高超声速飞行器姿态运动的关键要素和不确定性,提出了包括动压关联输出变换、非线性黄金分割自适应控制律Ⅲ、积分器以及可选择的前馈控制在内的一种高超声速飞行器姿态控制新方案,解决了飞行过程中气动动压快速变化对姿态控制系统稳定性和控制精度影响的问题,提高了系统对关键参数不确定性如气动参数偏差、气动阻尼系数偏差、大气密度偏差、惯量偏差以及初始条件偏差的鲁棒性和适应性;所提方案用于高超声速飞行器再入过程高度、速度快速变化导致动压急剧变化的下压段的姿态控制系统设计中。仿真结果表明,在标称和多种偏差组合条件下,性能指标满足要求,控制量满足约束条件。     

从美国2018财年国防预算看其高超声速技术发展动向

2017年5月,美国国防部及直属机构、各军种陆续发布了2018财年预算报告,其中,高超声速技术领域研发投入继续增长,高超声速技术项目总经费7.13亿美元,较2017财年增加约2.16亿美元。美国国防部长办公室(OSD)和国防高级研究计划局(DARPA)延续已有高超声速技术发展计划,空军增加高超声速原型机制造项目,继续推进高超声速技术快速发展;导弹防御局(MDA)新成立高超声速防御专项,针对高超声速助推滑翔武器发展相关预警能力及拦截能力。     

基于地形匹配的高超声速飞行器初始定向偏差在线辨识方法

针对高超声速飞行器机动发射条件下自瞄准时间短、初始定向偏差大的问题，提出一种基于地形匹配的初始定向偏差在线辨识方法。以综合初始对准和姿态控制的惯性系统导航误差模型为分析基础，融合相邻两个地形匹配区两次地形匹配定位结果，建立了初始定向偏差在线辨识模型，并从惯性系统工具误差系数偏差和地形匹配定位误差两方面讨论了辨识模型的适应性。以美国高超声速飞行器CAV H为研究对象建立仿真环境，采用蒙特卡洛法检验初始定向偏差辨识效果。仿真结果表明，在地形匹配定位误差为173.88 m (3σ)情况下，初始定向剩余偏差平均值为8.42″，最大值为34.65″，能够有效提高惯性系统导航精度，并且有助于缩短发射准备时间、提高武器系统生存能力。     

高超声速飞行器姿态角速度的全通道鲁棒镇定方法

根据高超声速飞行器的姿态动力学方程,给出一个可面向姿态角速度镇定的非线性设计模型.针对一类非线性系统,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的鲁棒动态逆设计方法,并将其应用于高超声速飞行器姿态角速度的渐近镇定中.仿真结果表明,相比传统的动态逆控制方案,本文所提出的控制方案可保证飞行器姿态角速度得到快速镇定,并且具备针对模型不确定和结构干扰力矩的强鲁棒性能.     

基于变增益观测器的高超声速飞行器输出反馈控制

针对吸气式高超声速飞行器飞行控制问题，提出一种基于变增益观测器的双回路非线性输出反馈控制方案。首先，为解决部分状态信号不可直接测量的问题，设计了一种可变增益状态观测器。通过状态变换将飞行器模型变换为双回路形式，并设计自适应的观测器增益系数在保证其稳定性的同时提高鲁棒性。在此基础上，将高超声速飞行器本体模型与所设计的观测器一起构成新的严反馈系统，结合反步法与动态面设计控制器。另外，引入扩张状态观测器补偿系统观测误差及耦合项。利用Lyapunov理论证明了闭环系统的一致有界稳定。最后，在不同情况下的数值仿真校验了所提控制方案在存在较大参数不确定情况下可获得理想的指令跟踪效果。