03 高超聲速巡航導彈制導控制關鍵技術及難點
高超聲速巡航導彈系統研制涉及到總體一體化、超燃沖壓發動機、機體/推進一體化、材料/結構與熱防護等眾多關鍵技術，但作為精確打擊武器，只有通過高精度探測、控制及制導，才能夠有效地從復雜背景中探測、識別及跟蹤目標，并自動的修正飛行彈道，控制飛行器按照期望軌跡飛行，最終實現對目標精確打擊與摧毀。因此，滿足高超聲速巡航導彈全包線高精度制導控制需求，是保證高超聲速巡航導彈實現精確打擊的關鍵，在高超聲速巡航導彈制導控制系統設計研制過程中需要關注以下關鍵技術。
3.1控制對象精細化建模
高超聲速巡航導彈采用一體化技術設計，其不同于其它常規飛行器的關鍵在于氣動、動力、結構、控制高度耦合的全系統動力學特性。在控制對象建模時，必須考慮結構與控制的禍合穩定性和靜/動態響應以及與發動機控制禍合等，建模難度非常大。此外，由于設計可行域較小，高超聲速巡航導彈還需考慮基于導引頭、執行機構等設備能力的高度一體化飛行控制設計，在控制對象建模時，也要關注導引頭和執行機構模型對飛行器控制的影響。
從美國的X-43A飛行器首發飛行異常和HTV-2首發飛行異常的分析結果來看，在飛行器總體設計過程中沒有建立與控制相關的高精度動力學模型，飛行器控制能力設計不足是導致飛行失敗的重要原因之一。因此，高超聲速巡航導彈制導控制的風險很大程度上存在于對飛行器特性和飛行環境的了解程度上，而建立精細化的飛行器動力學模型是進行準確力學性能分析、降低系統設計方案保守性、實現高精度制導控制、提高飛行器性能的前提和基礎，這也是從美國高超聲速演示驗證飛行試驗結果中獲得的重要啟示。
高超聲速飛行器的動力學建模一直是國內外的研究重點。目前，動力學建模工作的研究重點在于規律性的研究，主要包括機體/推進/結構的相互影響規律以及大氣層內高超聲速飛行條件的影響和數據庫不確定性等的影響，雖然相關研究在國內外高超聲速飛行器制導控制方法的研究方面起到了很大的支撐作用，但由于精細度和動力學規律體現的不足，距離高超聲速巡航導彈的精細化動力學建模需求還存在一定差距。據報道，NASA和美國空軍都在分別資助相關小組進行高精度的面向控制的高超聲速飛行器動力學建模研究，但能夠查閱到的文獻很少。
3.2高精度強魯棒飛行控制
高超聲速巡航導彈飛行環境復雜、動力學耦合機理及特性復雜，且不確定性大，被控對象具有強非線性、強耦合性、時變性和模型不確定性大的動力學特征;高超聲速巡航導彈任務剖面復雜，對飛行軌跡/姿態的高精度協調控制需求強，這些特點為其飛行器控制系統的設計帶來前所未有的挑戰。
由于高超聲速巡航導彈彈體與發動機高度一體化設計，發動機的穩態和動態特性都對彈體姿態的變化高度敏感。飛行攻角、側滑角的變化會顯著影響發動機進氣道流量特性與流場品質，研究表明，攻角變化1°，發動機進氣流量系數可以變化5%~10%，發動機推力也將變化5%~10%甚至更大;此外，攻角、側滑角的快速變化也可能引起發動機進氣道氣流脈動，引發發動機喘振造成發動機結構損壞，或引起進氣道溢流不啟動而造成發動機熄火或推力急劇下降。為保證發動機穩定工作和推力性能的最優發揮，必須根據飛行姿態變化對發動機的燃油做出快速實時調節，因此機體/推進一體化控制技術是高超聲速巡航導彈的一項關鍵控制技術。
針對高超聲速巡航導彈機體/推進一體化控制技術，國外文獻中鮮有報道，目前一個可行的手段是通過軌跡和速度的協調控制策略，使發動機盡量在地面理論設計點附近工作，減小燃油調節量，當接近安全邊界狀態時，主要依靠發動機自行調節，一體化的程度尚有不足。后續需要進一步考慮機體和發動機控制的緊禍合問題，通過動態規劃實現最優推阻性能匹配，研究基于安全裕度的高超聲速飛行器/發動機一體化控制方法。
直接力/氣動力復合控制是高超聲速巡航導彈需要關注的另一個關鍵方面，高超聲速飛行器寬空域大機動需求使得單一的氣動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，氣動舵面控制效率難以提供足夠控制力矩來快速改變導彈姿態，而在高速俯沖段，有可能需要在導引頭捕獲目標的數秒時間內對彈道進行較大調節，這種情況下，就適合利用彈體對直接力控制的更快響應速度來實現彈道調整，從而提高高超聲速導彈的機動性、快速性、穩定性，大大改善導彈的可控性。直接力/氣動力復合控制中的控制分配算法是復合控制系統研制核心之一，從現有發展情況看，控制分配算法可大體分為兩大類:非優化算法和優化算法，非優化算法具有計算量小、易于實現的優點但存在保守性大、效率低的問題;優化算法解決了上述問題但存在計算復雜、狀態難以測量、實時性差的問題，但隨著自適應、動態規劃等先進技術的蓬勃發展，分配算法的效率和品質得到了大幅提升。
3.3制導體制選擇與導引律設計
制導體制又稱制導方式，它的分析和選取是高超聲速導彈研制的關鍵任務。不僅與制導精度、打擊多目標能力、抗干擾能力等因素相關，還將受到目標機動性、武器成本、技術水平可實現性等因素的影響，是一項綜合性很強的系統工程問題，需要對各種制導體制利弊權衡和眾多制約因素通盤考慮，最終做出優化選擇。
目前亞聲速巡航導彈制導體制復雜，以美國戰術戰斧巡航導彈為例，全程分為初制導、中制導、末制導，其中初制導段用慣性導航、中制導段用慣性導航+衛星導航/地形匹配、末制導段用景象匹配，這種制導體制提高了制導精度但增加了彈上設備，并且對信息保障要求很高，通常執行一次任務前后需要3小時以上的時間。高超聲速導彈突出特點是“快”，主要用于打擊高價值時敏目標，要求簡化制導體制同時提高制導精度，因此需結合打擊精度需求和高超聲速導彈自身技術特點開展制導體制的綜合優化選擇。從國內外文獻調研結果來看，簡化高超聲速導彈制導流程，將初、中、末三段制導融合為全制導是一個發展趨勢，可以提高作戰靈活性。如將制導設備簡化為“慣性導航+大氣傳感+雷達導引頭”。其中，“慣性導航+大氣傳感”組合可實現高超聲速巡航導彈遠程長航時精確導航，“慣性導航+大氣傳感+雷達導引頭”組合實現俯沖段對目標自動尋的，通過利用慣導、大氣傳感及雷達等多種傳感器的信息融合處理，提高高超聲速武器的導航精度、自主抗干擾能力。實現全程高精度綜合制導，提高精確制導智能探測、自適應修正、自動尋的和自主抗干擾的智能化作戰能力。這種全制導方案降低了硬件難度，但大大增加了算法和軟件實現難度，對于其核心“多傳感信息深度融合和信息處理技術”，應加強技術攻關。
俯沖段作為打擊武器的末段，決定著武器系統的作戰性能，而導引律設計的優劣與導彈速度、機動過載、制導精度等主要指標直接相關，也是一個系統性很強的問題。與常規武器相比，高超聲速巡航導彈在俯沖段飛行過程中面臨以下難點:(1)復雜的飛行環境、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)俯沖段機動時飛行馬赫數大、動壓高，過載、舵面使用約束強，機動方案需充分考慮導彈特性及使用約束;(3)高超聲速巡航導彈采用輕質結構，而整個俯沖段飛行動壓大，使得彈體過載和熱環境都非常嚴酷，顯著影響彈體氣動特性，進而不利于導彈的穩定控制;(4)為了確保毀傷效果，高超聲速巡航導彈的落地馬赫數和落角還需要滿足一定要求。此外，為充分發揮導引頭性能，導引律設計需要考慮建立匹配導引頭工作模式的飛行器狀態，如指定打擊目標部位時雷達導引頭前斜式成像，還需要考慮導引頭動力學特性，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彈的導引律設計帶來了很大難度。
從近年國內外的發展情況來看，目前帶落角約束的導引方法，包括對比例導引律的改進、基于最優控制原理的導引方法、非線性導引律和變結構導引律等是目前高超聲速武器的研究熱點。但相關研究的重點多在于導引方法的推導和研究，在導引律的過載特性、彈道特性以及位置和角度控制精度等重要的導引性能的研究方面還顯不足，存在導引律結構復雜、導引參數時變、導引信息種類和精度需求高等缺點，其工程應用相對困難。因此，基于目標探測方式和導彈機動能力等綜合約束條件下，導引律的工程應用研究是后續發展的一個重點方向。
3.4高動態雷達精確制導
高超聲速武器作為一種快速高精度打擊武器，其高速、高溫、高動態等工作環境，顯著提高導引頭技術難度。
美國的高超聲速技術目前在推進系統、熱防護以及氣動和材料等方面的研發已取得長足進展，但在傳感器技術方面的研發尚不成熟。基于高超聲速導彈飛行動力學特性的制導雷達性能設計及成像技術是一項挑戰，俯沖過程中彈體姿態、速度和加速度等運動學參數變化劇烈，加速度誤差、速度誤差和位置誤差累積效應明顯，高動態加速條件下的大斜視雷達SAR成像會因目標的距離方位嚴重禍合、多普勒頻譜展寬等問題，嚴重影響成像質量，進而惡化制導雷達性能，應著重考慮武器平臺加速度、加加速度等飛行參數的影響，并結合彈道軌跡的設計，思考雷達高精度制導的約束條件和技術實現途徑;此外，為應對高馬赫數巡航彈體頭部承受極高的氣動力和熱載荷的現狀，雷達與天線罩性能的綜合設計難度將進一步增大，隨著飛行時間的增長，雷達天線罩溫度分布的不均勻性和結構形變會造成天線罩電性能變化，影響制導雷達作用距離、成像分辨率和跟蹤精度等關鍵性能，制導雷達與導彈前體外形、結構材料的綜合設計是導彈實現精確制導的關鍵。
從國內外高超聲速武器研究現狀來看，末段高速飛行對多類目標的高精度打擊問題始終是一項技術難題，前視成像技術的攻關可為高超武器彈載雷達制導提供有效手段，有效補充雷達制導工作流程。但當雷達成像天線波束處于前視狀態時，成像區地面目標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，既影響導彈的目標快速探測性能，又降低目標的角度測量精度。實現前視方位高分辨的一類方法，是將雷達傳感器輸出的時間序列信號在方位向視為天線波束與目標角度信息的卷積，通過解卷積的方法實現方位高分辨。如美國洛克希德·馬丁公司采用最優FIR濾波器進行雷達實波束銳化，分辨率可提高2~3倍。距離高分辨技術與單脈沖測角、波束銳化技術結合的前視成像算法是一種很有前途的技術。前視單脈沖成像技術能解決SAR, DBS技術成像盲區的問題，銳化比可達10以上，運算量小，具有較高的工程實用價值。考慮導彈高速打擊目標時的機動能力需求，高超聲速巡航導彈對制導雷達前視成像的性能需求將更高。
3.5高溫高速光電制導
采用光電成像制導體制的高超聲速巡航導彈在稠密大氣中高速飛行時，將會面臨嚴重的高溫、強振動環境和氣動光學效應等一系列難題，氣動光學效應將造成紅外成像探測能力與探測精度的下降，對氣動光學效應下的目標識別以及試驗驗證方法等帶來極大挑戰，采用怎樣有效的氣動光學效應主動抑制手段及高溫光電窗口表面光學鍍膜方式，來應對復雜流場和高熱沖擊環境對成像探測的影響，將會影響光電精確制導的有效性。
隨著高超聲速巡航導彈高度與速度的變化、溫度與氣壓變化也較大，為克服這種動態變化對光學成像的影響，必須考慮必要的環控措施抑制窗口熱輻射和艙體內溫度的影響。可采用外部噴流冷卻、內部通道致冷以及采用高導熱硬質膜等多種致冷技術，減小高熱環境對成像探測的影響;也可采取多途徑的主被動流場控制方法，減小復雜流場對光電成像探測影響。
氣動光學效應涉及力、熱、光三大要素，近年來對氣動光學效應天地一致性的研究也逐漸成為熱點。受彈體的擾動、振動影響及氣流動態變化影響，圖像信號會受窗口氣動熱輻射影響，目標信息的有效提取難度較大，受氣動光學效應影響的圖像數據采集也是研究重點。現有的試驗手段無法同時滿足高超聲速條件下三大要素的真實模擬，為評估試驗數據的有效性，測試窗口響應對光傳輸的影響，對地面試驗驗證天地一致性準則進行探索，可保障高超聲速條件下氣動光學綜合效應解禍的有效性。
04 結束語
高超聲速巡航導彈憑借其快速反應能力、強大的突防能力等巨大優勢和潛力，引起了世界各國的極大關注，但與常規飛行器相比，高超聲速巡航導彈面臨更復雜的動力學特性、更強的制導約束、更高的穩定控制要求以及更大的探測尋的難度。本文重點探討和分析了高超聲速巡航導彈控制對象精細化建模、高精度強魯棒飛行控制、制導體制選擇及導引律設計以及高動態雷達精確制導和高溫高速光電制導等五個影響高超聲速巡航導彈全包線高精度制導控制需求實現和精確打擊效果的關鍵技術特點，提出了后續應重點關注的技術發展途徑，為高超聲速精確打擊武器制導控制技術研究提供一定的參考。
作者：柳青 朱坤 趙欣，原載于《戰術導彈技術》2018年第6期
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