航空航天概论

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1、航空航天概论 摘要】：制导与控制技术是开展高超声速飞行器的关键技术,同时也是控制学科研究的热点问题,许多先进控制理论在此领域得到应用。鉴于此,分析了吸气式高超声速飞行器动力学模型非线性、强耦合和不确定性等特点,指出高超声速飞行器制导与控制技术面临的挑战。在综述国内外研究成果的根底上,对吸气式高超声速飞行器制导与控制中基于线性化的非线性控制办法和直接针对非线性模型的控制办法分类讨论,分析了尚待解决的问题和缺乏。最后,结合吸气式高超声速飞行器鲁棒性、自适应性和智能化的目标,从面向机动目标制导律、高速目标拦截器制导律、全空域机动飞行控制和先进智能控制理论等方面展望了此领域研究的开展趋势。【关键词】：

2、 吸气式高超声速飞行器制导与控制 飞行控制【背景】：高超声速飞行器普遍兼有航天器与航空器的优点，融合了人类诸多航空航天的前沿技术，是未来飞行器的一个重要开展方向。高超声速飞行器因其飞行速度快、机动性能好、突防能力强以及远程精确打击等优点,具有重要的战略意义和极高的应用价值。高超声速飞行器技术包括气动、推进、传热、材料和飞行控制等多个学科,其中飞行控制技术是开展高超声速飞行器的核心和关键技术之一。通常在研究中可以将高超声速飞行器分为吸气式动力的高超声速飞行器和无动力的再入高超声速飞行器,近期吸气式动力的高超声速巡航导弹和高超声速飞机成为研究开展的热点。高超声速巡航导弹在攻击时间敏感目标时具有明显

3、的优势,同时在抗击高超声速飞机和导弹的攻击中可以作为高超声速防空武器,这类飞行器的制导主要针对机动目标,通过特定的制导律对目标实施打击;高超声速飞机可以作为携带多种载荷的武器投放平台,这类飞行器制导的目的是引导飞行器达到预定区域并对目标进行跟踪。高超声速飞行器的飞行包线大,飞行特性复杂,外部环境多变,其动态特性存在强非线性和不确定性,且飞行器气动与推进系统之间严重耦合。高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器,具有较高的突防成功率和侦查效能,能大大扩展战场空间。高超声速飞行器潜在的巨大军事和经济价值使得当前世界各军事大国纷纷投巨资到该领域,成为21世纪

4、世界航空航天事业开展的一个主要方向。近年来,各军事大国在推进技术、结构材料、空气动力和飞行控制等关键技术研究方面积累了丰盛经验,对高超声速飞行器未来的开展奠定了根底。高超声速飞行器根本概念1.1高超声速的产生和特点1-3高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快、侧向机动性好的优点,能在很短的时间内抵达地球上的任何一点,迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。这主要是因为它具有高性能动力推进系统。超燃冲压动员机、脉冲爆震动员机是高超声速飞行器的关键技术。目前,各国开展高超声速技术主要选用燃料可在高超声速内流中稳定焚烧的高超声速燃料(简称超燃)冲压动员机。超燃冲压动员机的适用范围为马赫数516,飞行时

5、不需要自身携带氧化剂,直接从大气中吸收氧气,作为助燃剂。 超燃冲压动员机冲压动员机是吸气式动员机的一种，它利用大气中的氧气作为全部或局部的氧化剂,与自身携带的燃料进行反馈。与压气机增压的航空动员机不同，它利用结构部件产生激波来对高速气流进行压缩，实现气流减速与增压,整体结构相对简单。工作原理是首先通过进气道将高速气流减速增压,在焚烧室内空气与燃料发生化学反馈,通过焚烧将化学能转变为气体的内能。最终气体经过喷管膨胀加速,排入大气中,此时喷管出口的气体速度要高于进气道入口的速度,因此就产生了向前的推力。超燃冲压动员机主要由进气道、隔离段、焚烧室与尾喷管组成。其中进气道的主要功能是捕获足够的空气,并

6、通过一系列激波系进行压缩,为焚烧室提供一定流量、温度、压力的气流,便于焚烧的组织。隔离段是位于进气道与焚烧室之间的等直通道,其作用是打消焚烧室的压力波动对进气道的影响,实现进气道与焚烧室在不同工况下的良好匹配。当焚烧室着火后压力升高,隔离段中会产生一系列激波串,激波串的长度和位置会随着焚烧室反压的变化而变化。当隔离段的长度足够时,就能保证焚烧室的压力波动不会影响进气道.焚烧室是燃料喷注和焚烧的地方,超燃冲压动员机中燃料可从壁面和支板或喷油杆喷射。超燃冲压动员机中的火焰稳定与亚燃冲压动员机不同,它不能采用“V型槽等侵入式火焰稳定装置,因为它们将带来巨大的阻力,因此目前普遍采用凹腔作为火焰稳定器.

7、尾喷管那么是气流膨胀产生推力的地方。 热防护高超声速飞行器研发过程中遇到的另一个难题就是气动加热问题，即所谓热障。它主要是飞行器飞行时由于激波和粘性的作用，其周围空气温度急剧升高，形成激烈的气动加热环境，使一般飞行器结构无法承受。为克服热障，科研人员首先精心设计飞行器的飞行轨道和气动外形，使其在不影响或较少影响飞行器性能的情况下，尽可能降低进入飞行器的气动加热率，即热流。克服热障更主要的伎俩是对飞行器进行热防护，热防护的办法按防热机理划分有：热沉防热；辐射防热；发汗冷却防热和烧蚀防热。热沉防热主要利用材料的热容量来吸收热量。任何材料都有热容量，但作为防热材料使用时有其特殊要求。首先要有大的比热

8、，这样单位质量的材料才能吸收更多的热量；其次要有高的导热率，只有这样才能使热沉材料的温差不致过大，不然的话，受热面已接近或到达材料的破坏温度，而其余局部的温度还较低，就不能充沛发挥材料大热容量的潜力。由于热沉材料的破坏温度一般不是很高，比方说铜的熔点是1357 K，要想吸收大量的热，就必须大量增加热沉材料的质量，形成比拟笨重的防热系统。辐射防热主要利用材料的辐射特性。就是将其外表的气动热再以辐射的形式散发出去。由于辐射热流与外表温度的四次方成正比，因此，选用的辐射防热材料不仅要有高辐射特性外，而且还必需有低导热率和耐高温特性。发汗冷却防热通过从多孔外表渗出流体到达防热的目的。主要靠热阻塞效应或

9、质量引射效应的机理来防热。根本原理是，当流体注入飞行器外表气体边界层时，使边界层结构发生改变，厚度增大而使得温度梯度降低，从而减小进入飞行器的对流传热。飞行器使用发汗冷却防热优点是在飞行中没有气动外形的变化，还可以通过控制流体的渗出量来适应不同大小热流的热防护需求。薄膜冷却防热依靠在飞行器外表的小孔喷出液体或气体，在外表形成一层很薄的液膜或气膜，将飞行器外表与高温气体分隔开，而后液体蒸发吸热，气体注入边界层，产生热阻塞效应，降低进入飞行器的对流传热。薄膜冷却防热与上述发汗冷却防热相类似。很多人把它归结到发汗冷却防热。烧蚀防热通过烧去外层，来到达爱护内层的目的。烧蚀热防护由于有效、可靠、自适应、

10、重量轻、工艺简单、便于搬运和储存等优点而得到广泛应用。中远程弹道导弹弹头、返回式卫星、宇宙飞船、登月飞行返回舱以及航天飞机机头和机翼尾翼前缘，都使用烧蚀防热。经过几十年的研究试验和实际应用，现已研发多种烧蚀材料，供不同用途的飞行器或飞行器的不同部位选用。烧蚀防热是目前高超声速飞行器热防护中应用最成功的一种办法。烧蚀防热的主要缺点是一次性使用和由于烧蚀产生的气动外形变化。后者，将影响再入航天器的稳定性、落点精度和再入机动飞行，以及巡航飞行器的升阻力、稳定性和操纵性。【结束语】：高超速飞行器的复杂飞行特性对控制系统提出更高的要求。这不仅对控制学科带来了新的挑战，而且也促进了高超速飞行器制导与控制的蓬勃开展，虽然在高超声速制导与控制理论中取得了一些突破性的研究成果，但仍有许多理论与项目应用问题尚未解决。随着先进控制理论和办法的进一步开展，为解决高超速飞行器制导与控制问题提供了更多的途径，也必将为项目应用奠定新的根底。