03 高超声速巡航导弹制导控制关键技术及难点
高超声速巡航导弹系统研制涉及到总体一体化、超燃冲压发动机、机体/推进一体化、材料/结构与热防护等众多关键技术，但作为精确打击武器，只有通过高精度探测、控制及制导，才能够有效地从复杂背景中探测、识别及跟踪目标，并自动的修正飞行弹道，控制飞行器按照期望轨迹飞行，最终实现对目标精确打击与摧毁。因此，满足高超声速巡航导弹全包线高精度制导控制需求，是保证高超声速巡航导弹实现精确打击的关键，在高超声速巡航导弹制导控制系统设计研制过程中需要关注以下关键技术。
3.1控制对象精细化建模
高超声速巡航导弹采用一体化技术设计，其不同于其它常规飞行器的关键在于气动、动力、结构、控制高度耦合的全系统动力学特性。在控制对象建模时，必须考虑结构与控制的祸合稳定性和静/动态响应以及与发动机控制祸合等，建模难度非常大。此外，由于设计可行域较小，高超声速巡航导弹还需考虑基于导引头、执行机构等设备能力的高度一体化飞行控制设计，在控制对象建模时，也要关注导引头和执行机构模型对飞行器控制的影响。
从美国的X-43A飞行器首发飞行异常和HTV-2首发飞行异常的分析结果来看，在飞行器总体设计过程中没有建立与控制相关的高精度动力学模型，飞行器控制能力设计不足是导致飞行失败的重要原因之一。因此，高超声速巡航导弹制导控制的风险很大程度上存在于对飞行器特性和飞行环境的了解程度上，而建立精细化的飞行器动力学模型是进行准确力学性能分析、降低系统设计方案保守性、实现高精度制导控制、提高飞行器性能的前提和基础，这也是从美国高超声速演示验证飞行试验结果中获得的重要启示。
高超声速飞行器的动力学建模一直是国内外的研究重点。目前，动力学建模工作的研究重点在于规律性的研究，主要包括机体/推进/结构的相互影响规律以及大气层内高超声速飞行条件的影响和数据库不确定性等的影响，虽然相关研究在国内外高超声速飞行器制导控制方法的研究方面起到了很大的支撑作用，但由于精细度和动力学规律体现的不足，距离高超声速巡航导弹的精细化动力学建模需求还存在一定差距。据报道，NASA和美国空军都在分别资助相关小组进行高精度的面向控制的高超声速飞行器动力学建模研究，但能够查阅到的文献很少。
3.2高精度强鲁棒飞行控制
高超声速巡航导弹飞行环境复杂、动力学耦合机理及特性复杂，且不确定性大，被控对象具有强非线性、强耦合性、时变性和模型不确定性大的动力学特征;高超声速巡航导弹任务剖面复杂，对飞行轨迹/姿态的高精度协调控制需求强，这些特点为其飞行器控制系统的设计带来前所未有的挑战。
由于高超声速巡航导弹弹体与发动机高度一体化设计，发动机的稳态和动态特性都对弹体姿态的变化高度敏感。飞行攻角、侧滑角的变化会显著影响发动机进气道流量特性与流场品质，研究表明，攻角变化1°，发动机进气流量系数可以变化5%~10%，发动机推力也将变化5%~10%甚至更大;此外，攻角、侧滑角的快速变化也可能引起发动机进气道气流脉动，引发发动机喘振造成发动机结构损坏，或引起进气道溢流不启动而造成发动机熄火或推力急剧下降。为保证发动机稳定工作和推力性能的最优发挥，必须根据飞行姿态变化对发动机的燃油做出快速实时调节，因此机体/推进一体化控制技术是高超声速巡航导弹的一项关键控制技术。
针对高超声速巡航导弹机体/推进一体化控制技术，国外文献中鲜有报道，目前一个可行的手段是通过轨迹和速度的协调控制策略，使发动机尽量在地面理论设计点附近工作，减小燃油调节量，当接近安全边界状态时，主要依靠发动机自行调节，一体化的程度尚有不足。后续需要进一步考虑机体和发动机控制的紧祸合问题，通过动态规划实现最优推阻性能匹配，研究基于安全裕度的高超声速飞行器/发动机一体化控制方法。
直接力/气动力复合控制是高超声速巡航导弹需要关注的另一个关键方面，高超声速飞行器宽空域大机动需求使得单一的气动力或推力矢量控制都难以满足飞行控制要求。例如，高空稀薄大气中，气动舵面控制效率难以提供足够控制力矩来快速改变导弹姿态，而在高速俯冲段，有可能需要在导引头捕获目标的数秒时间内对弹道进行较大调节，这种情况下，就适合利用弹体对直接力控制的更快响应速度来实现弹道调整，从而提高高超声速导弹的机动性、快速性、稳定性，大大改善导弹的可控性。直接力/气动力复合控制中的控制分配算法是复合控制系统研制核心之一，从现有发展情况看，控制分配算法可大体分为两大类:非优化算法和优化算法，非优化算法具有计算量小、易于实现的优点但存在保守性大、效率低的问题;优化算法解决了上述问题但存在计算复杂、状态难以测量、实时性差的问题，但随着自适应、动态规划等先进技术的蓬勃发展，分配算法的效率和品质得到了大幅提升。
3.3制导体制选择与导引律设计
制导体制又称制导方式，它的分析和选取是高超声速导弹研制的关键任务。不仅与制导精度、打击多目标能力、抗干扰能力等因素相关，还将受到目标机动性、武器成本、技术水平可实现性等因素的影响，是一项综合性很强的系统工程问题，需要对各种制导体制利弊权衡和众多制约因素通盘考虑，最终做出优化选择。
目前亚声速巡航导弹制导体制复杂，以美国战术战斧巡航导弹为例，全程分为初制导、中制导、末制导，其中初制导段用惯性导航、中制导段用惯性导航+卫星导航/地形匹配、末制导段用景象匹配，这种制导体制提高了制导精度但增加了弹上设备，并且对信息保障要求很高，通常执行一次任务前后需要3小时以上的时间。高超声速导弹突出特点是“快”，主要用于打击高价值时敏目标，要求简化制导体制同时提高制导精度，因此需结合打击精度需求和高超声速导弹自身技术特点开展制导体制的综合优化选择。从国内外文献调研结果来看，简化高超声速导弹制导流程，将初、中、末三段制导融合为全制导是一个发展趋势，可以提高作战灵活性。如将制导设备简化为“惯性导航+大气传感+雷达导引头”。其中，“惯性导航+大气传感”组合可实现高超声速巡航导弹远程长航时精确导航，“惯性导航+大气传感+雷达导引头”组合实现俯冲段对目标自动寻的，通过利用惯导、大气传感及雷达等多种传感器的信息融合处理，提高高超声速武器的导航精度、自主抗干扰能力。实现全程高精度综合制导，提高精确制导智能探测、自适应修正、自动寻的和自主抗干扰的智能化作战能力。这种全制导方案降低了硬件难度，但大大增加了算法和软件实现难度，对于其核心“多传感信息深度融合和信息处理技术”，应加强技术攻关。
俯冲段作为打击武器的末段，决定着武器系统的作战性能，而导引律设计的优劣与导弹速度、机动过载、制导精度等主要指标直接相关，也是一个系统性很强的问题。与常规武器相比，高超声速巡航导弹在俯冲段飞行过程中面临以下难点:(1)复杂的飞行环境、极快的飞行速度及有限的控制能力使得俯冲过程中精确命中的难度增加;(2)俯冲段机动时飞行马赫数大、动压高，过载、舵面使用约束强，机动方案需充分考虑导弹特性及使用约束;(3)高超声速巡航导弹采用轻质结构，而整个俯冲段飞行动压大，使得弹体过载和热环境都非常严酷，显著影响弹体气动特性，进而不利于导弹的稳定控制;(4)为了确保毁伤效果，高超声速巡航导弹的落地马赫数和落角还需要满足一定要求。此外，为充分发挥导引头性能，导引律设计需要考虑建立匹配导引头工作模式的飞行器状态，如指定打击目标部位时雷达导引头前斜式成像，还需要考虑导引头动力学特性，包括隔离度寄生回路、天线罩误差、角闪烁噪声影响等。上述问题给高超声速巡航导弹的导引律设计带来了很大难度。
从近年国内外的发展情况来看，目前带落角约束的导引方法，包括对比例导引律的改进、基于最优控制原理的导引方法、非线性导引律和变结构导引律等是目前高超声速武器的研究热点。但相关研究的重点多在于导引方法的推导和研究，在导引律的过载特性、弹道特性以及位置和角度控制精度等重要的导引性能的研究方面还显不足，存在导引律结构复杂、导引参数时变、导引信息种类和精度需求高等缺点，其工程应用相对困难。因此，基于目标探测方式和导弹机动能力等综合约束条件下，导引律的工程应用研究是后续发展的一个重点方向。
3.4高动态雷达精确制导
高超声速武器作为一种快速高精度打击武器，其高速、高温、高动态等工作环境，显著提高导引头技术难度。
美国的高超声速技术目前在推进系统、热防护以及气动和材料等方面的研发已取得长足进展，但在传感器技术方面的研发尚不成熟。基于高超声速导弹飞行动力学特性的制导雷达性能设计及成像技术是一项挑战，俯冲过程中弹体姿态、速度和加速度等运动学参数变化剧烈，加速度误差、速度误差和位置误差累积效应明显，高动态加速条件下的大斜视雷达SAR成像会因目标的距离方位严重祸合、多普勒频谱展宽等问题，严重影响成像质量，进而恶化制导雷达性能，应着重考虑武器平台加速度、加加速度等飞行参数的影响，并结合弹道轨迹的设计，思考雷达高精度制导的约束条件和技术实现途径;此外，为应对高马赫数巡航弹体头部承受极高的气动力和热载荷的现状，雷达与天线罩性能的综合设计难度将进一步增大，随着飞行时间的增长，雷达天线罩温度分布的不均匀性和结构形变会造成天线罩电性能变化，影响制导雷达作用距离、成像分辨率和跟踪精度等关键性能，制导雷达与导弹前体外形、结构材料的综合设计是导弹实现精确制导的关键。
从国内外高超声速武器研究现状来看，末段高速飞行对多类目标的高精度打击问题始终是一项技术难题，前视成像技术的攻关可为高超武器弹载雷达制导提供有效手段，有效补充雷达制导工作流程。但当雷达成像天线波束处于前视状态时，成像区地面目标回波多普勒频率梯度几乎为零，方位分辨率急速下降，形成SAR或DBS成像的盲区，既影响导弹的目标快速探测性能，又降低目标的角度测量精度。实现前视方位高分辨的一类方法，是将雷达传感器输出的时间序列信号在方位向视为天线波束与目标角度信息的卷积，通过解卷积的方法实现方位高分辨。如美国洛克希德·马丁公司采用最优FIR滤波器进行雷达实波束锐化，分辨率可提高2~3倍。距离高分辨技术与单脉冲测角、波束锐化技术结合的前视成像算法是一种很有前途的技术。前视单脉冲成像技术能解决SAR, DBS技术成像盲区的问题，锐化比可达10以上，运算量小，具有较高的工程实用价值。考虑导弹高速打击目标时的机动能力需求，高超声速巡航导弹对制导雷达前视成像的性能需求将更高。
3.5高温高速光电制导
采用光电成像制导体制的高超声速巡航导弹在稠密大气中高速飞行时，将会面临严重的高温、强振动环境和气动光学效应等一系列难题，气动光学效应将造成红外成像探测能力与探测精度的下降，对气动光学效应下的目标识别以及试验验证方法等带来极大挑战，采用怎样有效的气动光学效应主动抑制手段及高温光电窗口表面光学镀膜方式，来应对复杂流场和高热冲击环境对成像探测的影响，将会影响光电精确制导的有效性。
随着高超声速巡航导弹高度与速度的变化、温度与气压变化也较大，为克服这种动态变化对光学成像的影响，必须考虑必要的环控措施抑制窗口热辐射和舱体内温度的影响。可采用外部喷流冷却、内部通道致冷以及采用高导热硬质膜等多种致冷技术，减小高热环境对成像探测的影响;也可采取多途径的主被动流场控制方法，减小复杂流场对光电成像探测影响。
气动光学效应涉及力、热、光三大要素，近年来对气动光学效应天地一致性的研究也逐渐成为热点。受弹体的扰动、振动影响及气流动态变化影响，图像信号会受窗口气动热辐射影响，目标信息的有效提取难度较大，受气动光学效应影响的图像数据采集也是研究重点。现有的试验手段无法同时满足高超声速条件下三大要素的真实模拟，为评估试验数据的有效性，测试窗口响应对光传输的影响，对地面试验验证天地一致性准则进行探索，可保障高超声速条件下气动光学综合效应解祸的有效性。
04 结束语
高超声速巡航导弹凭借其快速反应能力、强大的突防能力等巨大优势和潜力，引起了世界各国的极大关注，但与常规飞行器相比，高超声速巡航导弹面临更复杂的动力学特性、更强的制导约束、更高的稳定控制要求以及更大的探测寻的难度。本文重点探讨和分析了高超声速巡航导弹控制对象精细化建模、高精度强鲁棒飞行控制、制导体制选择及导引律设计以及高动态雷达精确制导和高温高速光电制导等五个影响高超声速巡航导弹全包线高精度制导控制需求实现和精确打击效果的关键技术特点，提出了后续应重点关注的技术发展途径，为高超声速精确打击武器制导控制技术研究提供一定的参考。
作者：柳青 朱坤 赵欣，原载于《战术导弹技术》2018年第6期
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