飞行器姿态控制法综述

飞行器姿态控制方法综述

一.引言

经过一个世纪的发展，各种飞行器如雨后春笋般出现，从飞机、导弹到火箭、卫星，从宇宙飞船、航天飞机、空间站到月球探测器、火星探测器。这些飞行器能在空中按预定的轨迹运动总离不开它的姿态控制系统，飞行器在空间的运动是十分复杂的。为使问题简单化，总是将一飞行器的空间运动分解为铅锤平面的纵向运动和水平面内的侧向运动，将飞行器在空间的角运动分解成俯仰、偏航和滚动三个角运动。由于角运.动使飞行器的姿态发生变化，所以对角运动的控制就是对飞行器姿态的控制。对于飞行器姿态的控制，不同的飞行器需要不同的策略，本文主要就飞行器姿态控制方法的应用与发展作一一论述。

二.姿态控制的数学模型

要控制飞行器的姿态，就是要控制使飞行器三个姿态角发生变化的力矩大小。飞行器的姿态模型可以认为是一类不确定MIMO 仿射非线性系统，如式(1)所示：

()//()//()//(cos sin )/cos cos sin sin tan cos tan x y z y x x x x x z x x x y y y x x y x y z z z x x x z x y z I I I M I I I I M I I I I M I ωωωωωωωωωψωθωθϕϕωθωθθωθϕωωθϕ

=-+⎧⎪=-+⎪⎪=-+⎪⎨=-⎪⎪=+⎪=+-⎪⎩&&&&&& （1） 式中，x 、y 、z 下标表示空间飞行器的三个主轴方向；I 表示相对于飞行器质心的惯量矩，设飞行器是主轴对称的，则惯量积可以忽略；ω表示飞行器相对于惯性空间的角速度;M 表示控制力矩；,,ψϕθ分别是飞行器的欧拉角。控制了M 的大小，就可以控制飞行器按我们期望的轨迹运动。M 由飞行器上的执行机构产生，常见的有空气舵、推力矢量发动机、反作用飞轮、喷气执行机构或由其它环境力执行机构。

三.飞行器姿态控制方法

3.1空气动力控制

根据运动的相对性原理和气体流动时的基本定律，当飞行器在大气中以一定

的速度飞行时，飞行器都会受到空气动力的作用。空气动力可以分解为升力、侧力和阻力，而对应的气动力矩可以分解为影响飞行器姿态的滚动力矩、偏航力矩和俯仰力矩。

大量实验表明，空气动力和力矩与飞行器的飞行速度、飞行高度、飞行器的外形及飞行器相对来流的姿态等因素有关。来流速度越大，即飞行器速度越大，动能就越大，来流吹到飞行器上后，由于受到阻滞，大部分动能转换为压力能，总的空气动力也增大。基本上来说，升力、侧力和阻力与飞行速度的平方成正比。空气密度越大，则空气的惯性就越大，飞行器向前飞行需要的推力就越大。根据作用力与反作用力的原理，空气必将以更大的力作用在飞行器上。因此，空气动力与空气密度成正比。由于空气密度随高度增加而减小，所以高度越高，作用在飞行器上的气流速度分布也不同，必然影响着空气动力的大小和方向。另外，飞行器在空气中的姿态不同，空气动力也不同。

使用空气动力来控制飞行器的姿态是一种成熟的技术，其相应的执行机构—舵机也有了很大的发展，对于大气层内飞行的普通飞行器来说是足够的。但它也有很多缺点：

(l)使用空气动力控制姿态的飞行器的飞行区域限制在大层内。

(2)随着对飞行器(大气层内)性能日益提高的要求，普通的气动布局(三个控制面：升降舵、方向舵和副翼)已不能满足要求，需要有更多的控制面：水平鸭翼、垂直鸭翼、缝翼、襟翼、全动平尾、全动垂尾等，这些控制面协同偏转可以完成一般飞行器难以实现的飞行任务，达到较高的飞行性能，但同时飞行控制系统的设计将变得非常复杂。

(3)对低速、低动压(高空空气稀薄)的条件下，不能实现姿态的控制，如一些垂直短距起降的飞行器和一些高空气飞行器。空气动力控制用于大气层内飞行的大多数飞机、导弹。

3.2推力矢量控制

所谓推力矢量控制是指改变发动机排出的气流方向来控制飞行器飞行的一种控制方法。不采用推力矢量技术的飞行器，发动机的喷流都是与飞行器的轴线重合的，产生的推力也沿轴线向前，这种情况下发动机的推力只是用于克服飞行器所受到的阻力，提供飞行器加速的动力。采用推力矢量技术的飞行器，则是通过喷管偏转，利用发动机产生的推力，获得多余的控制力矩，实现飞行器的姿态控制。其突出特点是控制力矩与发动机紧密相关，而不受飞行器本身姿态的影响。实现推力矢量控制的方法主要有：小辅助喷管控制、固定喷管的喷流偏转、摆动喷管和侧向二次喷射等。文章[4——11]介绍了推力矢量技术及其发展和运用综

述。推力矢量控制的优点是：

(1)可以保证在飞行器作低速、大攻角机动飞行，而操纵舵面几近失效时，利用推力矢量提供的额外操纵力矩来控制飞行器机动。它可使飞行器获得更大的机动性，实现过失速机动飞行，突破“失速障碍”。

(2)使用推力矢量技术的飞行器不仅其机动性大大提高，而且还具有前所未有的短距起落能力，这是因为使用推力矢量技术的飞行器的超环量升力和推力，在升力方向的分量都有利于减小飞行器的离地和接地速度，缩短飞行器的滑跑距离。另外，由于推力矢量喷管很容易实现推力反向，飞行器在降落之后的制动力也大幅提高，因此，着陆滑跑离更加缩短了。

(3)推力矢量技术的运用提高了飞行器控制效率，使飞行器的气动控制面，例如垂尾和立尾可以大大缩小，从而飞行器的重量可以减轻。另外，垂尾和立尾形成的角反射器也因此缩小，飞行器的隐身性能也得到了改善。

推力矢量控制的主要应用有：

(l)具有超机动性和具有垂直/短距起飞的飞机，如俄罗斯的苏-37战斗机装备的发动机，不仅推重比大，而且采用了最先进的推力矢量技术，可以做的机动动作有；在“普加乔夫眼镜蛇”机动动作后，接着做一个360度滚转、尾冲:在垂直平面内作360度后向转向的圆形机动；低速360度转弯；高速高旋时以大攻角攻击目标;甚至可以在大迎角情况下以接近零速的状态飞行。除此之外，还有其他尚未命名的机动作，因此被称为“超机动性”。美国的F-22“猛禽”战斗机也可实现“零”速度和大攻角下的高机动性。实现全推力矢量控制还可能导致无尾飞机的问世，美国麦道公司提出的X-36无人战斗机方案就是其中的一种。

(2)战略导弹。战略导弹均为垂直发射，所以，有了推力矢量控制技术将大大提高其发射安全性和空间变轨能力。如前苏联的陆基战略弹道导弹的固体发动机主要以燃气舵、空气舵、二次喷射方式等实现推力矢量控制；白杨导弹第一级发动机就采用了燃气舵加空气舵(4个栅格翼、4个稳定翼)的推力矢量控制方法。而使用了柔性摆动喷管推力矢量控制技术的白杨-M导弹的主要战术技术性能更是大大改进，投掷重量和命中精度均明显提高，并具有独特的突防反拦截能力。

(3)舰载导弹垂直发射系统。采用垂直发射方式，必须解决导弹自身转向问题，但导弹刚发射时速度小、动压低，空气舵几乎没有控制效果，因此，必须采用推力矢量控制系统来提供转弯所需要的控制力。现在世界上服役的舰载导弹垂直发射系统主要有美国的Mk41型导弹垂直发射系统和Mk48型导弹垂直发射系统，英国的“海狼”导弹垂直发射系统，法国的“西尔维亚”A43型导弹垂直发射系统，俄罗斯的SA-N-6、SA-N-9、55-N-19导弹垂直发射系统，以色列的“巴拉克”I型导弹垂直发射系统。而最具代表性的是美国的Mk41型导弹垂直发射