03 高超聲速巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

高超聲速巡航導(dǎo)彈系統(tǒng)研制涉及到總體一體化、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)體/推進(jìn)一體化、材料/結(jié)構(gòu)與熱防護(hù)等眾多關(guān)鍵技術(shù)，但作為精確打擊武器，只有通過高精度探測、控制及制導(dǎo)，才能夠有效地從復(fù)雜背景中探測、識別及跟蹤目標(biāo)，并自動(dòng)的修正飛行彈道，控制飛行器按照期望軌跡飛行，最終實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)精確打擊與摧毀。因此，滿足高超聲速巡航導(dǎo)彈全包線高精度制導(dǎo)控制需求，是保證高超聲速巡航導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)精確打擊的關(guān)鍵，在高超聲速巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制過程中需要關(guān)注以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1控制對象精細(xì)化建模

高超聲速巡航導(dǎo)彈采用一體化技術(shù)設(shè)計(jì)，其不同于其它常規(guī)飛行器的關(guān)鍵在于氣動(dòng)、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、控制高度耦合的全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。在控制對象建模時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)與控制的禍合穩(wěn)定性和靜/動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及與發(fā)動(dòng)機(jī)控制禍合等，建模難度非常大。此外，由于設(shè)計(jì)可行域較小，高超聲速巡航導(dǎo)彈還需考慮基于導(dǎo)引頭、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備能力的高度一體化飛行控制設(shè)計(jì)，在控制對象建模時(shí)，也要關(guān)注導(dǎo)引頭和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型對飛行器控制的影響。

從美國的X-43A飛行器首發(fā)飛行異常和HTV-2首發(fā)飛行異常的分析結(jié)果來看，在飛行器總體設(shè)計(jì)過程中沒有建立與控制相關(guān)的高精度動(dòng)力學(xué)模型，飛行器控制能力設(shè)計(jì)不足是導(dǎo)致飛行失敗的重要原因之一。因此，高超聲速巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)控制的風(fēng)險(xiǎn)很大程度上存在于對飛行器特性和飛行環(huán)境的了解程度上，而建立精細(xì)化的飛行器動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行準(zhǔn)確力學(xué)性能分析、降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案保守性、實(shí)現(xiàn)高精度制導(dǎo)控制、提高飛行器性能的前提和基礎(chǔ)，這也是從美國高超聲速演示驗(yàn)證飛行試驗(yàn)結(jié)果中獲得的重要啟示。

高超聲速飛行器的動(dòng)力學(xué)建模一直是國內(nèi)外的研究重點(diǎn)。目前，動(dòng)力學(xué)建模工作的研究重點(diǎn)在于規(guī)律性的研究，主要包括機(jī)體/推進(jìn)/結(jié)構(gòu)的相互影響規(guī)律以及大氣層內(nèi)高超聲速飛行條件的影響和數(shù)據(jù)庫不確定性等的影響，雖然相關(guān)研究在國內(nèi)外高超聲速飛行器制導(dǎo)控制方法的研究方面起到了很大的支撐作用，但由于精細(xì)度和動(dòng)力學(xué)規(guī)律體現(xiàn)的不足，距離高超聲速巡航導(dǎo)彈的精細(xì)化動(dòng)力學(xué)建模需求還存在一定差距。據(jù)報(bào)道，NASA和美國空軍都在分別資助相關(guān)小組進(jìn)行高精度的面向控制的高超聲速飛行器動(dòng)力學(xué)建模研究，但能夠查閱到的文獻(xiàn)很少。

3.2高精度強(qiáng)魯棒飛行控制

高超聲速巡航導(dǎo)彈飛行環(huán)境復(fù)雜、動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)理及特性復(fù)雜，且不確定性大，被控對象具有強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合性、時(shí)變性和模型不確定性大的動(dòng)力學(xué)特征;高超聲速巡航導(dǎo)彈任務(wù)剖面復(fù)雜，對飛行軌跡/姿態(tài)的高精度協(xié)調(diào)控制需求強(qiáng)，這些特點(diǎn)為其飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來前所未有的挑戰(zhàn)。

由于高超聲速巡航導(dǎo)彈彈體與發(fā)動(dòng)機(jī)高度一體化設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都對彈體姿態(tài)的變化高度敏感。飛行攻角、側(cè)滑角的變化會顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道流量特性與流場品質(zhì)，研究表明，攻角變化1°，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量系數(shù)可以變化5%~10%，發(fā)動(dòng)機(jī)推力也將變化5%~10%甚至更大;此外，攻角、側(cè)滑角的快速變化也可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道氣流脈動(dòng)，引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振造成發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)損壞，或引起進(jìn)氣道溢流不啟動(dòng)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或推力急劇下降。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作和推力性能的最優(yōu)發(fā)揮，必須根據(jù)飛行姿態(tài)變化對發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油做出快速實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，因此機(jī)體/推進(jìn)一體化控制技術(shù)是高超聲速巡航導(dǎo)彈的一項(xiàng)關(guān)鍵控制技術(shù)。

針對高超聲速巡航導(dǎo)彈機(jī)體/推進(jìn)一體化控制技術(shù)，國外文獻(xiàn)中鮮有報(bào)道，目前一個(gè)可行的手段是通過軌跡和速度的協(xié)調(diào)控制策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量在地面理論設(shè)計(jì)點(diǎn)附近工作，減小燃油調(diào)節(jié)量，當(dāng)接近安全邊界狀態(tài)時(shí)，主要依靠發(fā)動(dòng)機(jī)自行調(diào)節(jié)，一體化的程度尚有不足。后續(xù)需要進(jìn)一步考慮機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)控制的緊禍合問題，通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)最優(yōu)推阻性能匹配，研究基于安全裕度的高超聲速飛行器/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化控制方法。

直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制是高超聲速巡航導(dǎo)彈需要關(guān)注的另一個(gè)關(guān)鍵方面，高超聲速飛行器寬空域大機(jī)動(dòng)需求使得單一的氣動(dòng)力或推力矢量控制都難以滿足飛行控制要求。例如，高空稀薄大氣中，氣動(dòng)舵面控制效率難以提供足夠控制力矩來快速改變導(dǎo)彈姿態(tài)，而在高速俯沖段，有可能需要在導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo)的數(shù)秒時(shí)間內(nèi)對彈道進(jìn)行較大調(diào)節(jié)，這種情況下，就適合利用彈體對直接力控制的更快響應(yīng)速度來實(shí)現(xiàn)彈道調(diào)整，從而提高高超聲速導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)性、快速性、穩(wěn)定性，大大改善導(dǎo)彈的可控性。直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制中的控制分配算法是復(fù)合控制系統(tǒng)研制核心之一，從現(xiàn)有發(fā)展情況看，控制分配算法可大體分為兩大類:非優(yōu)化算法和優(yōu)化算法，非優(yōu)化算法具有計(jì)算量小、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)但存在保守性大、效率低的問題;優(yōu)化算法解決了上述問題但存在計(jì)算復(fù)雜、狀態(tài)難以測量、實(shí)時(shí)性差的問題，但隨著自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等先進(jìn)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，分配算法的效率和品質(zhì)得到了大幅提升。

3.3制導(dǎo)體制選擇與導(dǎo)引律設(shè)計(jì)

制導(dǎo)體制又稱制導(dǎo)方式，它的分析和選取是高超聲速導(dǎo)彈研制的關(guān)鍵任務(wù)。不僅與制導(dǎo)精度、打擊多目標(biāo)能力、抗干擾能力等因素相關(guān)，還將受到目標(biāo)機(jī)動(dòng)性、武器成本、技術(shù)水平可實(shí)現(xiàn)性等因素的影響，是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程問題，需要對各種制導(dǎo)體制利弊權(quán)衡和眾多制約因素通盤考慮，最終做出優(yōu)化選擇。

目前亞聲速巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)體制復(fù)雜，以美國戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈為例，全程分為初制導(dǎo)、中制導(dǎo)、末制導(dǎo)，其中初制導(dǎo)段用慣性導(dǎo)航、中制導(dǎo)段用慣性導(dǎo)航+衛(wèi)星導(dǎo)航/地形匹配、末制導(dǎo)段用景象匹配，這種制導(dǎo)體制提高了制導(dǎo)精度但增加了彈上設(shè)備，并且對信息保障要求很高，通常執(zhí)行一次任務(wù)前后需要3小時(shí)以上的時(shí)間。高超聲速導(dǎo)彈突出特點(diǎn)是“快”，主要用于打擊高價(jià)值時(shí)敏目標(biāo)，要求簡化制導(dǎo)體制同時(shí)提高制導(dǎo)精度，因此需結(jié)合打擊精度需求和高超聲速導(dǎo)彈自身技術(shù)特點(diǎn)開展制導(dǎo)體制的綜合優(yōu)化選擇。從國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果來看，簡化高超聲速導(dǎo)彈制導(dǎo)流程，將初、中、末三段制導(dǎo)融合為全制導(dǎo)是一個(gè)發(fā)展趨勢，可以提高作戰(zhàn)靈活性。如將制導(dǎo)設(shè)備簡化為“慣性導(dǎo)航+大氣傳感+雷達(dá)導(dǎo)引頭”。其中，“慣性導(dǎo)航+大氣傳感”組合可實(shí)現(xiàn)高超聲速巡航導(dǎo)彈遠(yuǎn)程長航時(shí)精確導(dǎo)航，“慣性導(dǎo)航+大氣傳感+雷達(dá)導(dǎo)引頭”組合實(shí)現(xiàn)俯沖段對目標(biāo)自動(dòng)尋的，通過利用慣導(dǎo)、大氣傳感及雷達(dá)等多種傳感器的信息融合處理，提高高超聲速武器的導(dǎo)航精度、自主抗干擾能力。實(shí)現(xiàn)全程高精度綜合制導(dǎo)，提高精確制導(dǎo)智能探測、自適應(yīng)修正、自動(dòng)尋的和自主抗干擾的智能化作戰(zhàn)能力。這種全制導(dǎo)方案降低了硬件難度，但大大增加了算法和軟件實(shí)現(xiàn)難度，對于其核心“多傳感信息深度融合和信息處理技術(shù)”，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)。

俯沖段作為打擊武器的末段，決定著武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能，而導(dǎo)引律設(shè)計(jì)的優(yōu)劣與導(dǎo)彈速度、機(jī)動(dòng)過載、制導(dǎo)精度等主要指標(biāo)直接相關(guān)，也是一個(gè)系統(tǒng)性很強(qiáng)的問題。與常規(guī)武器相比，高超聲速巡航導(dǎo)彈在俯沖段飛行過程中面臨以下難點(diǎn):(1)復(fù)雜的飛行環(huán)境、極快的飛行速度及有限的控制能力使得俯沖過程中精確命中的難度增加;(2)俯沖段機(jī)動(dòng)時(shí)飛行馬赫數(shù)大、動(dòng)壓高，過載、舵面使用約束強(qiáng)，機(jī)動(dòng)方案需充分考慮導(dǎo)彈特性及使用約束;(3)高超聲速巡航導(dǎo)彈采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，而整個(gè)俯沖段飛行動(dòng)壓大，使得彈體過載和熱環(huán)境都非常嚴(yán)酷，顯著影響彈體氣動(dòng)特性，進(jìn)而不利于導(dǎo)彈的穩(wěn)定控制;(4)為了確保毀傷效果，高超聲速巡航導(dǎo)彈的落地馬赫數(shù)和落角還需要滿足一定要求。此外，為充分發(fā)揮導(dǎo)引頭性能，導(dǎo)引律設(shè)計(jì)需要考慮建立匹配導(dǎo)引頭工作模式的飛行器狀態(tài)，如指定打擊目標(biāo)部位時(shí)雷達(dá)導(dǎo)引頭前斜式成像，還需要考慮導(dǎo)引頭動(dòng)力學(xué)特性，包括隔離度寄生回路、天線罩誤差、角閃爍噪聲影響等。上述問題給高超聲速巡航導(dǎo)彈的導(dǎo)引律設(shè)計(jì)帶來了很大難度。

從近年國內(nèi)外的發(fā)展情況來看，目前帶落角約束的導(dǎo)引方法，包括對比例導(dǎo)引律的改進(jìn)、基于最優(yōu)控制原理的導(dǎo)引方法、非線性導(dǎo)引律和變結(jié)構(gòu)導(dǎo)引律等是目前高超聲速武器的研究熱點(diǎn)。但相關(guān)研究的重點(diǎn)多在于導(dǎo)引方法的推導(dǎo)和研究，在導(dǎo)引律的過載特性、彈道特性以及位置和角度控制精度等重要的導(dǎo)引性能的研究方面還顯不足，存在導(dǎo)引律結(jié)構(gòu)復(fù)雜、導(dǎo)引參數(shù)時(shí)變、導(dǎo)引信息種類和精度需求高等缺點(diǎn)，其工程應(yīng)用相對困難。因此，基于目標(biāo)探測方式和導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)能力等綜合約束條件下，導(dǎo)引律的工程應(yīng)用研究是后續(xù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。

3.4高動(dòng)態(tài)雷達(dá)精確制導(dǎo)

高超聲速武器作為一種快速高精度打擊武器，其高速、高溫、高動(dòng)態(tài)等工作環(huán)境，顯著提高導(dǎo)引頭技術(shù)難度。

美國的高超聲速技術(shù)目前在推進(jìn)系統(tǒng)、熱防護(hù)以及氣動(dòng)和材料等方面的研發(fā)已取得長足進(jìn)展，但在傳感器技術(shù)方面的研發(fā)尚不成熟。基于高超聲速導(dǎo)彈飛行動(dòng)力學(xué)特性的制導(dǎo)雷達(dá)性能設(shè)計(jì)及成像技術(shù)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，俯沖過程中彈體姿態(tài)、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化劇烈，加速度誤差、速度誤差和位置誤差累積效應(yīng)明顯，高動(dòng)態(tài)加速條件下的大斜視雷達(dá)SAR成像會因目標(biāo)的距離方位嚴(yán)重禍合、多普勒頻譜展寬等問題，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，進(jìn)而惡化制導(dǎo)雷達(dá)性能，應(yīng)著重考慮武器平臺加速度、加加速度等飛行參數(shù)的影響，并結(jié)合彈道軌跡的設(shè)計(jì)，思考雷達(dá)高精度制導(dǎo)的約束條件和技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑;此外，為應(yīng)對高馬赫數(shù)巡航彈體頭部承受極高的氣動(dòng)力和熱載荷的現(xiàn)狀，雷達(dá)與天線罩性能的綜合設(shè)計(jì)難度將進(jìn)一步增大，隨著飛行時(shí)間的增長，雷達(dá)天線罩溫度分布的不均勻性和結(jié)構(gòu)形變會造成天線罩電性能變化，影響制導(dǎo)雷達(dá)作用距離、成像分辨率和跟蹤精度等關(guān)鍵性能，制導(dǎo)雷達(dá)與導(dǎo)彈前體外形、結(jié)構(gòu)材料的綜合設(shè)計(jì)是導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)的關(guān)鍵。

從國內(nèi)外高超聲速武器研究現(xiàn)狀來看，末段高速飛行對多類目標(biāo)的高精度打擊問題始終是一項(xiàng)技術(shù)難題，前視成像技術(shù)的攻關(guān)可為高超武器彈載雷達(dá)制導(dǎo)提供有效手段，有效補(bǔ)充雷達(dá)制導(dǎo)工作流程。但當(dāng)雷達(dá)成像天線波束處于前視狀態(tài)時(shí)，成像區(qū)地面目標(biāo)回波多普勒頻率梯度幾乎為零，方位分辨率急速下降，形成SAR或DBS成像的盲區(qū)，既影響導(dǎo)彈的目標(biāo)快速探測性能，又降低目標(biāo)的角度測量精度。實(shí)現(xiàn)前視方位高分辨的一類方法，是將雷達(dá)傳感器輸出的時(shí)間序列信號在方位向視為天線波束與目標(biāo)角度信息的卷積，通過解卷積的方法實(shí)現(xiàn)方位高分辨。如美國洛克希德·馬丁公司采用最優(yōu)FIR濾波器進(jìn)行雷達(dá)實(shí)波束銳化，分辨率可提高2~3倍。距離高分辨技術(shù)與單脈沖測角、波束銳化技術(shù)結(jié)合的前視成像算法是一種很有前途的技術(shù)。前視單脈沖成像技術(shù)能解決SAR, DBS技術(shù)成像盲區(qū)的問題，銳化比可達(dá)10以上，運(yùn)算量小，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。考慮導(dǎo)彈高速打擊目標(biāo)時(shí)的機(jī)動(dòng)能力需求，高超聲速巡航導(dǎo)彈對制導(dǎo)雷達(dá)前視成像的性能需求將更高。

3.5高溫高速光電制導(dǎo)

采用光電成像制導(dǎo)體制的高超聲速巡航導(dǎo)彈在稠密大氣中高速飛行時(shí)，將會面臨嚴(yán)重的高溫、強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境和氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)等一系列難題，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)將造成紅外成像探測能力與探測精度的下降，對氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)下的目標(biāo)識別以及試驗(yàn)驗(yàn)證方法等帶來極大挑戰(zhàn)，采用怎樣有效的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)主動(dòng)抑制手段及高溫光電窗口表面光學(xué)鍍膜方式，來應(yīng)對復(fù)雜流場和高熱沖擊環(huán)境對成像探測的影響，將會影響光電精確制導(dǎo)的有效性。

隨著高超聲速巡航導(dǎo)彈高度與速度的變化、溫度與氣壓變化也較大，為克服這種動(dòng)態(tài)變化對光學(xué)成像的影響，必須考慮必要的環(huán)控措施抑制窗口熱輻射和艙體內(nèi)溫度的影響。可采用外部噴流冷卻、內(nèi)部通道致冷以及采用高導(dǎo)熱硬質(zhì)膜等多種致冷技術(shù)，減小高熱環(huán)境對成像探測的影響;也可采取多途徑的主被動(dòng)流場控制方法，減小復(fù)雜流場對光電成像探測影響。

氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)涉及力、熱、光三大要素，近年來對氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)天地一致性的研究也逐漸成為熱點(diǎn)。受彈體的擾動(dòng)、振動(dòng)影響及氣流動(dòng)態(tài)變化影響，圖像信號會受窗口氣動(dòng)熱輻射影響，目標(biāo)信息的有效提取難度較大，受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響的圖像數(shù)據(jù)采集也是研究重點(diǎn)。現(xiàn)有的試驗(yàn)手段無法同時(shí)滿足高超聲速條件下三大要素的真實(shí)模擬，為評估試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，測試窗口響應(yīng)對光傳輸?shù)挠绊懀瑢Φ孛嬖囼?yàn)驗(yàn)證天地一致性準(zhǔn)則進(jìn)行探索，可保障高超聲速條件下氣動(dòng)光學(xué)綜合效應(yīng)解禍的有效性。

04 結(jié)束語

高超聲速巡航導(dǎo)彈憑借其快速反應(yīng)能力、強(qiáng)大的突防能力等巨大優(yōu)勢和潛力，引起了世界各國的極大關(guān)注，但與常規(guī)飛行器相比，高超聲速巡航導(dǎo)彈面臨更復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性、更強(qiáng)的制導(dǎo)約束、更高的穩(wěn)定控制要求以及更大的探測尋的難度。本文重點(diǎn)探討和分析了高超聲速巡航導(dǎo)彈控制對象精細(xì)化建模、高精度強(qiáng)魯棒飛行控制、制導(dǎo)體制選擇及導(dǎo)引律設(shè)計(jì)以及高動(dòng)態(tài)雷達(dá)精確制導(dǎo)和高溫高速光電制導(dǎo)等五個(gè)影響高超聲速巡航導(dǎo)彈全包線高精度制導(dǎo)控制需求實(shí)現(xiàn)和精確打擊效果的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，提出了后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)發(fā)展途徑，為高超聲速精確打擊武器制導(dǎo)控制技術(shù)研究提供一定的參考。

作者：柳青 朱坤 趙欣，原載于《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)》2018年第6期

轉(zhuǎn)載請注明：北緯40° » 高超聲速精確打擊武器制導(dǎo)控制關(guān)鍵技術(shù)