第1章绪论
临近空间与临近空间飞行器是目前航天领域的一项热点，助推-滑翔高超声速飞行器是临近空间飞行器的典型代表，本章将介绍该飞行器的背景与研究发展历程，对助推段、滑翔段与俯冲段的制导方法进行全面的综述，指出目前存在的主要问题，并规划本书的章节及内容安排。
1.1高超声速飞行器及制导问题
1.1.1高超声速飞行器概述
高超声速滑翔飞行器是一类以高超声速滑翔再入、大部分飞行时间处于临近空间的飞行器。其滑翔段飞行高度介于航空与航天飞行器之间，处在*利于突防的空域，目前尚无防御武器能够对其实施有效拦截。根据释放方式的不同，高超声速滑翔飞行器又可分为天基再入式和助推-滑翔式两种，如图1.1所示。此类飞行器的研究*早可追溯到20世纪30～40年代Sanger提出的“银鸟”飞行器，以及20世纪50年代钱学森提出的钱学森弹道。
图1.1两类高超声速飞行器
近年来，在远程快速精确打击作战背景下，具有助推-滑翔弹道的乘波构型高超声速飞行器受到极大关注，如美国在“FALCON”（Force Application and Launch from Continental）计划中的通用运载器（Common Aero Vehicle， CAV）。助推-滑翔高超声速飞行器的飞行过程为：助推火箭*先将滑翔体发射到一定高度并实现分离，随后滑翔体利用气动升力在高度位于20～100km范围内的临近空间以大于或等于马赫数5的速度做长时间、远距离滑翔飞行，*后进行俯冲下压以实现高精度打击。如图1.2所示，该飞行器改变了传统的惯性椭圆弹道形式，能够利用气动力实现长距离滑翔、大范围机动及高精度制导。本书针对的对象是助推-滑翔高超声速飞行器。
图1.2惯性弹道、Sanger弹道与滑翔弹道对比
相对于传统的亚声速与弹道式飞行器，助推-滑翔高超声速飞行器具有如下显著特点： ① 作战空域大，反应速度快： 能够使作战时间大大缩短，加快了战争进程，提高了武器系统的快速反应能力；② 机动性能好，突防能力强： 此类飞行器以可变弹道飞行，且飞行速度极快，具有智能化的攻击能力，可进一步增加拦截系统雷达探测难度、缩短防空反导武器系统的反应时间，进而有效地实现突防；③ 命中精度高，杀伤效果好： 此类飞行器具有较大的升阻比及较强的控制能力，为实现高精度制导及远程“点穴”式打击提供有利条件，另外其巨大动能可对所攻击目标实施有效打击。基于上述诸多优点，世界上多数军事强国已着手研究高超声速飞行器技术，且已有多项相关计划正在实施。其中，美国取得的成就*为显著，先后试飞了HTV2（Hypersonic Technology Vehicle2）与AHW（Adv-abced Hypersonic Weapon）等飞行器，特别是AHW飞行器的试验成功使得助推-滑翔武器用于实战成为可能，这将给我国的国家安全带来新的挑战，并客观上迫使我国需要尽快占领这一新的航天领域制高点。
助推-滑翔飞行器涉及总体设计、结构材料、空气动力、飞行控制等多项技术，其中以制导技术*为关键［1］。作为武器系统时，该飞行器需要通过助推火箭发射到一定高度并具有一定速度，随后在大气层内进行长距离滑翔并对目标进行俯冲攻击，因此其制导包括助推制导、滑翔制导及俯冲制导。根据复杂的飞行环境、多样化的制导任务及飞行器自身的运动特性，助推-滑翔飞行器的制导面临以下突出问题： ① 飞行环境复杂。此类飞行器主要在临近空间飞行，该空域中多变且复杂的大气环境导致飞行受到气动力、气动热等复杂环境的显著作用，同时不同时间、地域的大气环境也存在较大差异性。② 精准建模困难。在助推段，作为关键因素的固体发动机推力偏差较大；而滑翔段极快的飞行速度导致飞行器本身具有强耦合、快时变、强非线性特性，并且风洞等地面试验的局限性导致气动系数的计算不可避免地包含较大的偏差。③ 制导任务多样。助推段制导需要高精度地满足终端多种约束、在大气层内实现关机以增强突防性；滑翔段制导不仅需要满足多种复杂的过程及终端约束，而且需要规避禁飞区；俯冲段是整个飞行过程的*后一段，直接决定着武器系统的作战效能，而速度与高度的相对降低导致其面临低空防空武器的威胁更加严重，因此机动突防是俯冲制导的另一个重要任务。
1.1.2高超声速飞行器发展现状
第二次世界大战结束后，世界各国在高超声速技术方面不懈努力，开展了深入的研究，使得该技术已经从概念和原理探索阶段进入了技术开发阶段，其中美国的代表性飞行器包括： BOMI、Dyna-Soar、Alpha Draco、BGRV、HGV及CAV［2，3］等。进入21世纪以来，美国提出了全球快速打击计划，并以前期研究与试验为基础，先后制定并实施了一系列高超声速助推-滑翔飞行器计划，主要包括“FALCON”计划、“先进高超声速武器”（AHW）项目、“战术助推-滑翔”（Tactical Booster Glide， TBG）项目。另外，苏联（俄罗斯）的研究项目主要为Mig105、“冷”“针”“鹰”计划、“信天翁”（Albatross）项目及“4202”项目［4］。图1.3为美国、苏联（俄罗斯）助推-滑翔飞行器发展历史与现状。图1.3美国、苏联（俄罗斯）助推-滑翔飞行器发展历史与现状
1. 美国高超声速飞行器发展现状
1） 美国高超声速飞行器发展历程
1951年，美国Bell航空公司以Silverbird飞行器为基础，开始研究洲际高超声速飞行器。1954年，美国空军与Bell航空公司合作研究高超声速导弹BOMI （Bomber-Missile）。BOMI包含助推火箭与大升阻比滑翔体，火箭将滑翔体由地面助推至几十千米高处并实现分离，滑翔体随后利用气动升力机动飞行至既定目标上空并完成作战任务。1957年，美国开始了Dynamic-Soaring计划，即有动力上升再入滑翔飞行器。该计划的助推器为TITANⅢ火箭，滑翔体可在近地轨道或亚轨道处飞行。该计划虽然于1963年终结，但却极大地促进了后期助推-滑翔飞行器相关技术的发展。1959年，美国第一次成功试验了助推-滑翔飞行器Alpha Draco。该飞行器由两级组成，第一级在大约29km高度处关机，第二级则依靠气动升力继续爬升，随后进入滑翔飞行阶段。此次飞行试验验证了助推-滑翔飞行器的设计理念，并为后续计划的发展积累了丰富的试验数据[2]。
1968年美国试验了助推-滑翔再入飞行器BGRV（Booster Glider Reentry Vehicle）。BGRV以VAtlas导弹为助推器，滑翔体采用细长锥头柱体外形以增大升阻比。此试验*大的特点是综合利用喷气反作用力与气动力控制飞行器飞行。1987年，美国开始开展了HGV （Hypersonic Glide Vehicle）的研究。HGV是对Dyna-Soar的复现，其助推器为“民兵”导弹或空射运载火箭，滑翔体外形设计为三角形升力体，其中空射型HGV于1992年左右进行了飞行试验[2]。
1996年，美国空军航天司令部提出了CAV的概念，并于1998年开始秘密研制。CAV是一种从本土发射、能够远程机动飞行且高精度攻击敌方目标的武器系统，包括两种模型： 一种是Boeing公司提出的低性能CAVL，其升阻比为2.0～2.5；另一种是Lockheed-Martin公司提出的高性能CAVH，升阻比为3.5～5.0，两种CAV的外形如图1.4所示[3]。
图1.4美国两种典型CAV的外形[3]
2） 美国“FALCON”计划
2003年6月，美国国防高级研究计划局（DARPA）联合美国空军将CAV飞行器和劳伦斯利弗莫尔国家实验室卡尔特提出的带动力跳跃飞行器“Hypersoar”两项研究合并，联合制定“FALCON”计划，即“力量运用和从美国本土发射”。“FALCON”计划包含四个主要研究项目： 通用运载器（CAV）、增程型通用运载器（Extended Common Aero Vehicle， ECAV）、小型运载火箭（SLV）及高超声速巡航飞行器（Hypersonic Cruise Vehicle， HCV）。
图1.5为美国小型运载火箭，图1.6为美国HTV2飞行器。
图1.5美国小型运载火箭
图1.6美国HTV2飞行器
2007年，CAV转为高超声速技术验证飞行器（HTV），CAV更名为HTV1，ECAV更名为HTV2，HCV验证机更名为HTV3，其中HTV2是目前仅存的高超声速试验飞行器。
2010年4月美国*次试验了由Lockheed-Martin公司设计的HTV2飞行器，其中米诺陶Ⅳ（Minotaur Ⅳ）火箭为助推器，发射点为范登堡空军基地，目标点为里根试验基地北部附近的海域。在飞行试验中，虽然助推火箭成功发射并实现分离，但HTV2飞行器在分离9min后遥测信号丢失，试验以失败告终。失败原因在于控制系统设计存在问题： 过大的攻角产生了过大的偏航，同时耦合作用导致滚动角速度不断增大，使飞行器副翼达到了操纵极限，其飞行控制系统的失效直接导致飞行试验的失败[3]。
2011年8月，美国进行了第二次HTV2飞行试验，发射点和目标点与第一次试验相同，飞行试验轨迹如图1.7所示。规划的飞行轨迹包括助推段、再入定向、再入段、拉升段、滑翔段和末段。但飞行26min后与地面失去联系，试验*终失败。失败原因为过快的飞行速度导致飞行器外壳受热剧增直至大部分外壳损毁，机身出现较大裂口，进而使飞行器剧烈颠簸并*终坠毁[2]。
图1.7HTV2第二次飞行试验轨迹
3） 美国“先进高超声速武器”（AHW）项目
在进行HTV2飞行试验的同时，隶属于美国陆军的航天与导弹防御司令部及战略司令部联合提出了升阻比较小，且飞行距离较短的“先进高超声速武器”（AHW）项目。AHW由一枚三级火箭助推器发射升空，其中第一级和第二级使用的是已经退役的北极星A3火箭，第三级为Orbus la火箭。该项目于2011年11月17日成功完成了*次试飞，飞行试验轨迹如图1.8所示。与助推器分离后，滑翔体以极高的速度成功飞行半小时，并命中了设置在3700km外的里根试验场的预定目标。这次试飞的目的是考核三项核心技术： 空气动力技术，制导、导航与控制技术及热防护技术，但试验细节并未公布[2]。
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