互动科普

高超声速飞行器是一种大空域、超高速、长距离、高精度的新型飞行器。其结构特性、动力学特性、飞行特性、环境特性比一般飞行器更为复杂，且存在较大的相互耦合；机身的材料、动力、防护特性，以及外部湍流、转捩等环节都将对飞行器的飞行性能和控制性能产生很大的影响。

基本概念

高超声速飞行器是指飞行速度超过五倍声速的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器。该类飞行器包括高超声速导弹、空天飞机、高超声速侦察机、高超声速运输机、可重复使用天地往返飞行器等。

高超声速技术是集航空、航天、材料、气动、控制、优化和计算机于一体的多学科交叉研究领域，高超声速飞行器涉及发动机、结构外形设计、材料研制、气动受力分析、控制算法开发、优化和计算机等众多技术，是航空航天技术的战略制高点。这种飞行器在距离地面20~100km的空域执行特定任务，它既有航空技术的优势，又有航天器不可比拟的优点，既能在大气层内以高超声速进行巡航飞行，又能穿越大气层做再入轨道运行，具有很高的军事和民用价值，是未来进入空间并控制空间、保证控制优势的关键支柱，同时也是对空间进行大规模开发的载体，是一种具有广阔开发前景的飞行器。

高超声速飞行器的整体布局采用机身-发动机一体化的特殊设计结构，使得各个子系统之间具有强耦合性和强非线性；大空域、长距离的复杂飞行环境，给系统带来更多的不确定影响。因而，高超声速飞行器与传统飞行器相比，是一个带有强非线性、强耦合、快时变、不确定等特性的复杂对象。

近半个世纪以来，由于巨大的军事价值和潜在的经济价值，高超声速飞行技术受到美国、澳大利亚、俄罗斯、德国、法国、印度、日本和英国等航空航天强国的广泛重视和深入研究,积累了大量成功和失败的经验，人类对高超声速技术的认识不断深化。

高超声速飞行器特点

高超声速飞行器的特点主要体现在模型结构非线性、模型参数非线性、约束条件非线性等引起的强非线性特性；机体发动机一体化设计、流固耦合、弹性体与刚体间的耦合、通道耦合等引起的强耦合特性；大空域飞行、高超声速流、质量变化等引起的快时变特性；未建模动态、数据稀缺、弹性变形、随机干扰等引起的不确定特性四个方面。

高超声速飞行器特征

1.强非线性特点

（1）模型结构非线性：该类飞行器气动布局特殊，数学模型结构上表现为高阶的非线性微分方程。高超声速飞行器的速度、航迹角、高度、攻角、俯仰角速度等状态变量的导数是飞行状态的非线性函数，体现了模型结构的非线性。此外，飞行器结构弹性是两端自由的Euler-Bernoulli梁偏微分方程模型。在该模型里，飞行器前机身的形变将会影响超燃冲压发动机的进气管条件、推力、升力、阻力和转矩，且这种影响也是通过非线性的形式进行描述的。完整的飞行器横纵向模型，在纵向模型的基础上，又加上了三个横向自由度的运动，且这种横向运动也是通过微分方程的形式进行描述的，整个飞行器系统模型，相对于纵向模型，其表现出来的非线性更强。

（2）模型参数非线性：模型结构中的参数，主要是升力、阻力和推力，是依赖于飞行状态的高阶多元非线性函数。升力系数、阻力系数及发动机推力系数，是随马赫数和攻角变化的非线性函数，当攻角在小范围变化时，可以对气动力采用近似线性化的方法进行处理；当攻角在大范围变化时，只能通过非线性的方式来描述气动力系数与飞行姿态的内在联系。当考虑到高超声速飞行器机体发动机以及通道间耦合影响时，飞行器的气动力系数在与飞行器姿态相关的同时，与飞行器的控制舵面也存在着很大关系，使得飞行器在综合力学特性上表现为多个参数之间相互交叉影响的非线性关系。

（3）约束条件非线性：高超声速飞行器在飞行过程中，受到一些约束条件的影响，如飞行过程中的热流、动压约束、过载约束以及执行器饱和等，这些约束是通过飞行状态的非线性函数来进行定量描述的。鉴于高超声速飞行器的强非线性特性，很难使用传统的线性模型表述其运动规律，因此建立非线性模型是高超声速技术发展的关键。

2. 强耦合特点

（1）机体发动机一体化设计：为获取足够大的推力，提高升阻比以及减少燃料负载，高超声速飞行器采用机体/发动机一体化结构，飞行器的一体化结构使得机体与发动机间存在着强烈的耦合影响。机体对发动机的影响主要体现在机体的前体上，前体作为发动机进气道的压缩面，气流经前体初步压缩后由进气道流入发动机，当高超声速飞行器的前体发生变化时，将导致飞行器攻角的变化，而攻角变化将影响发动机燃烧动力学特性，从而对推进系统的性能产生重要影响。此外，推力和进气道的压力也受俯仰控制舵面的影响，随着俯仰角速度的改变，发动机的燃流率和扩散率也相应发生改变。发动机对机体的影响主要体现在高超声速飞行器的后体上，它包括两部分内容：第一部分是由于发动机推力不过质心而产生的额外俯仰力矩；第二部分是机体后缘作为发动机尾喷管的一部分，发动机尾喷管产生的推力气流，会影响机体后缘的流场分布，导致飞行器后体产生额外的升力，后体升力的增加进一步会造成机头向下倾斜，产生低头力矩，给机体的稳定控制带来困难。

（2）流固耦合：在分析高超声速飞行器的流体力学与固体力学相互交叉作用时也将体现强烈的耦合作用，这种耦合是一种流体加热和固体传热的耦合现象。当流体以高速流过机身时，流体通过压缩激波和摩擦，在机体表面形成具有较高梯度的边界层，产生很大的热流，作用在机体表面，随着机体温度的升高，会引发机身一定程度的变形，变形的机体在流体载荷的作用下又会进一步产生相应的颤振，反过来机身的变形以及机身温度的变化又影响流体的流场，从而改变流体载荷的分布和大小，进而改变气动加热，也使得流体对机身的作用力产生相应的变化，而且这种耦合影响不能通过简单的线性关系来描述，是一种非线性耦合。高温效应以及黏性效应就是由于高速流体作用在机体而产生的。

（3）弹性体与刚体间的耦合：飞行器高速飞行时，流体在流经机身时，会产生气动热，气动热本身会降低机体的刚度，导致机身发生一定程度的弹性变形，机身的弹性变形进一步导致高超声速飞行器攻角在一定范围内的扰动，引起飞行器升力、阻力以及发动机推力的变化，同时，机身弹性变形引起飞行器周围流场的变化，进一步加剧飞行器受力的改变，飞行器弹性体产生的上述影响，都将通过飞行器受力的变化影响刚体的运动。反过来，刚体运动状态的改变，如飞行速度、攻角等的变化，将直接影响飞行器的受力，飞行器受力的变化，将对弹性体的变形产生进一步的影响。

（4）通道耦合：高超声速飞行器通道间的耦合主要是指飞行器俯仰通道、偏航通道及滚转通道三通道运动模态之间的耦合。飞行器所受的作用力（主要包括气动力、发动机的推力及飞行器自身的重力），是影响每个通道的主要因素，由于这些力的存在，飞行器在不同姿态下受力情况就有很大的差异，致使高超声速飞行器的任何一个通道的运动都会影响另外两个通道的受力与运动。把这种影响强行看成很小而加以忽略只在特殊的飞行状态（巡航飞行）下才能近似成立。但是，当高超声速飞行器在做机动飞行时（如高速转弯），由于升降舵和偏航舵的偏转会导致飞行器的俯仰角、攻角、速度及相应的控制舵面发生快速的变化，而飞行器产生的滚转力矩是依赖这些状态量及控制量的函数，从而最终导致飞行器滚转通道的滚转力矩的变化，影响滚转通道的稳定性；另外，当飞行器实现滚转机动飞行时，会造成飞行器周围流场的变化，进而导致飞行器受到的气动力改变，从而对俯仰通道和偏航通道产生影响。在建模的过程中，必须深入考虑这些耦合作用的影响，将其以合适的形式反映在数学模型中，才能辅助地面试验和研究工作的开展，使得控制工作者更好地了解高超声速飞行器特性。

3. 快时变特点

（1）大空域飞行引起的时变：由于高超声速飞行器飞行过程中跨大空域、高速飞行的特点，以及飞行器高低空气动力特性的巨大差异，导致飞行器的动力学特征和模型参数在飞行中变化非常显著，体现着飞行器气动特性和模型参数的时变性。

（2）高超声速流引起的时变：高超声速飞行器在大气层内飞行时，由于高超声速气流引起的局部流场中激波与边界层的干扰，导致飞行器表面上的局部压力及热流率的变化，进一步加剧了气动力的时变特性。

（3）质量变化引起的时变：高超声速飞行器耦合产生的弹性形变，导致飞行器质量分布不断改变，再加之飞行器燃料的快速消耗，都将造成飞行器质心具有一定的时变特性，而惯性矩是飞行器质量的时变函数，因此飞行器质心的时变特性会使得整个飞行器系统体现一定的时变。传统的单一平衡点形式的高超声速飞行器数学模型很难适应这种快时变特性，因此需要研究能反映真实特性的高超声速飞行器数学模型。

4. 不确定特点

（1）未建模动态引起的不确定：主要包括高温效应及黏性效应导致的边界层增长，以及非标准大气和不稳定大气效应。边界层的变化，导致飞行器的有效气动表面不再是机体表面，而是机体表面加上边界层，而边界层的变化难以用精确的解析形式进行描述。因此，通常将边界层对控制的影响，通过气动力不确定的形式进行处理。高超声速飞行器实际飞行过程中，由于大气环境的复杂多变，将导致采用的标准大气模型并不能反映真实的大气环境，在控制上由于非标准大气和不稳定大气效应，经常被处理为升力和阻力的不确定进行描述。

（2）飞行试验数据稀缺引起的不确定：鉴于高超声速飞行器空气动力学现象的复杂性，除了理论分析和数值计算，大型风洞试验已经成为研究气动特性最为重要的手段之一，但是，由于地面硬件测试设备的局限，以及其他技术难题未解决使得无法真实地模拟飞行器的飞行试验，致使空气动力学试验数据稀疏，利用风洞数据建立的空气动力学数据库存在着一定程度的不确定性。

（3）弹性变形引起的不确定：高超声速飞行器由于自身的弹性结构及高超声速飞行的特点，飞行过程中势必会引起机身的弹性变形，一方面，机身的弹性变形会导致飞行器周围流场的变化，影响飞行器的受力不均匀，存在一定的扰动，在实际飞行控制中，可以将其作为不确定进行处理；另一方面，机身的弹性变形也会导致飞行器攻角在一定范围内的扰动，由于飞行器的气动力及发动机推力是与攻角相关的函数，攻角引起的扰动在控制上将间接表现为飞行器升力、阻力以及推力的不确定。

（4）随机干扰引起的不确定：诸多随机干扰因素对高超声速飞行器的飞行状态有着重大的影响。燃料的激荡性、燃料消耗所引起的飞行器的质量变化，导致飞行器的质量重新分布进而引起旋转速度干扰，影响到舵机和其他力矩。此外，飞行过程中的大动压、湍流和转捩会引起舵面颤振，以及外界的阵风干扰，进一步加重了模型和参数的不确定性以及随机干扰等控制上的问题。这些非模型因素相当复杂，且会影响高超声速飞行器的稳定性，将其作为飞行控制中的不确定是处理该影响的一种途径。如何在这些不确定情况影响下，建立安全可靠的高超声速飞行器数学模型是高超声速技术发展的关键。

高超声速飞行器应用前景

高超声速飞行器使得人类实现了高超声速飞行的梦想，大大缩减了高空长距离飞行所需的时间，将成为未来进入空间飞行的高可靠性飞行器，先进的吸气式超燃冲压发动机、独特的外形设计、高空长距离的飞行能力，使得低成本太空交通以及全球可达成为可能，该项技术的发展在进入空间、占领空间控制权，并对空间进行大规模开发起着至关重要的作用，在工业和军事领域都将受到广泛的应用。高超声速技术是21世纪航空航天领域战略制高点，具有快速打击和远程投送能力，成为当今世界强国关注的战略发展方向，其科学问题具有前瞻性、战略性和带动性。

在军事上，高超声速飞行器的开发，将带领快速精确打击武器时代的到来。全球可达、远距离精确打击将是高超声速武器的重大优势。由于其可以在大气层内自行加速至5Ma以上，所以可以具有更快的飞行速度和更高的机动性。高超声速武器在打击目标上具有传统武器难以比拟的优势，是一把快、准、狠的尖刀，拦截难度高，破坏力强，是近空间飞行领域的霸主，具有很大的战略意义。

在民用上，一方面高超声速飞行技术将成为快速运输的里程碑式成果，全球快速可达可以大大拉近不同地域之间的人员和物资距离，提升运输效率，为全球经济发展提供新的增长点，并改善人类的生活方式及生活水平。由于其速度上无可比拟的优势，高超声速飞行器在民用运载上将带来极大的经济效益。另一方面，高超声速飞行器的开发，将使得高效率、低成本的空间利用成为可能。高超声速飞行器具有对地球高层大气和外层空间所进行探测的能力，为将来的星球探测、星球之间的运输提供服务。高超声速飞行器在空间开发上具有强劲的实力，为深空探测提供了更加可靠、可控性更强的工具，同时使得空间移民、开辟地球外新家园成为可能。