再入弹头质量矩复合控制系统设计

　　质量矩控制的基本原理是通过移动弹体内部的滑块,使得系统质心发生偏移,导致作用在飞行器上的外力相对于系统质心的力矩发生改变,从而引起飞行器姿态的变化。通过主动控制系统质心的偏移,利用配平力矩即可实现飞行器的机动飞行。由于执行机构在弹体内部,因此有效地避免了控制面烧蚀问题,并且使得飞行器具有良好的气动外形;同时,由于充分利用气动力达到机动目的,避免了携带附加燃料,能有效地减轻飞行器的重量。因此,质量矩控制正越来越引起人们的关注。

　　美国是最早从事质量矩控制技术研究工作的国家[1-3]。R.D.Robinett等人研究了飞行器自旋角速度对质量矩控制中配平攻角产生的影响,同时通过计算结果表明滑块的运动导致了再入体纵程和横程的明显变化[1];T. Petsopoulos等人将质量矩控制应用于具有大升力面的非轴对称再入飞行器滚动控制中,对利用滑块进行滚动机动的可行性进行了分析[2];而P.K.Menon等人将质量矩控制推广到高空动能拦截弹的末制导中,在小误差的情况下取得了比较好的拦截仿真结果[3]。目前,国内在这方面仍处于研究探索阶段[4-8]。

　　尽管质量矩控制技术具有很多优点,但是要实现其工程应用仍面临很多问题。问题1:对于轴对称结构的弹头,利用弹体内部的滑块可以实现对俯仰和偏航通道的有效控制,但对滚动通道却难以形成有效控制;考虑到弹头在大气层内高速飞行时存在不对称烧蚀以及滑块运动对滚动形成的耦合作用,滚动通道不再处于稳定状态,而俯仰偏航通道的制导指令常在非滚转坐标系下形成,为了更好地实现对制导指令的执行,有必要解决滚动通道的稳定控制问题。问题2:质量矩弹头是一个高度耦合的非线性系统,滑块运动改变系统质心的同时也会导致系统惯性主轴发生偏移,引起通道间耦合并对弹头动态响应特性造成影响;同时,滑块执行机构也会对弹头施加惯性力矩作用,使弹头产生抖振现象,严重时会导致系统失稳,增大了飞行控制难度。因此,传统的线性控制系统设计方法已难以适用,必须设计具有强鲁棒性的飞行控制系统。针对问题1,本文提出质量矩/差动副翼复合控制模式。俯仰、偏航通道通过两滑块来进行控制,滚动通道利用差动副翼来实行控制(如图1所示)。虽然采用差动副翼会对气动外形造成一定的破坏,但是相比于三通道传统气动舵面控制方式,这种复合控制模式结合了质量矩和舵面控制的优点。针对问题2,本文利用变结构控制来设计三通道姿态控制律。由于变结构控制能使系统对模型不确定性和扰动作用不敏感,因此在飞行控制系统中得到广泛应用[9-12]。针对滚动通道稳定要求快速性和强鲁棒性特点,从时间最优控制角度设计滚动稳定控制律,利用双积分系统的时间性能指标确定滑模面,针对滑模运动过程中存在的开关颤振问题,通过构造双切换函数以及在原点附近领域切换成连续的控制来解决。根据文献[6]的动力学分析结果,先对滑块结构布局进行优化以削弱滑块运动带来的不利影响,再利用变结构控制方法设计控制系统,以进一步抑制滑块运动带来的影响;同时,将控制律中不连续的饱和函数连续化来避免控制颤振现象。仿真结果证明了利用本文方法设计的控制律在质量矩复合控制模式中的有效性。