[科普中国]-导弹姿态控制系统

定义

导弹姿态控制系统（missile attitude control system） 自动稳定和控制导弹绕质心运动的弹上整套装置。其主要功能是：在各种干扰情况下，稳定导弹姿态，保证导弹飞行姿态角偏差在允许范围内；根据制导指令，控制导弹姿态角，以调整导弹的飞行方向，修正飞行路线，使导弹准确命中目标。

系统组成飞行中弹道导弹绕质心运动通常用3个飞行姿态角（滚动、偏航和俯仰）及其变化率来描述。其姿态控制系统一般由3个基本通道组成，分别稳定和控制导弹的滚动、偏航和俯仰姿态。各通道组成基本相同，由敏感装置、变换放大装置和执行机构组成。1

1、敏感装置用于测量导弹的姿态变化并输出信号，通常采用位置陀螺仪、惯性平台和速率陀螺仪等惯性器件。位置陀螺仪是利用二自由度陀螺仪的稳定性提供导弹姿态角测量基准，通过角度传感器输出与导弹姿态角偏差成比例的电信号。惯性平台是为导弹提供测量坐标基准．利用弹体相对于惯性平台框架间的转动来产生姿态角信号。速率陀螺仪是利用单自由度陀螺仪的进动性，来测量导弹的姿态角速率，经换算给出导弹姿态角变化信号。有些导弹还采用加速度计等作为敏感装置，以实现弹体载荷和质心偏移的最小控制。

2、变换放大装置用于对各姿态信号和制导指令信号按一定控制规律进行运算、校正和放大并输出控制信号。姿态控制系统按传递的信号形式可分为模拟式和数字式。在模拟式姿态控制系统中，所传递的信号是连续变化的物理量，主要由校正网络和放大器等组成。在数字式姿态控制系统中，所有信号都被转化为数字量，变换放大装置通常由弹上计算机兼顾，其变换放大装置又称为控制计算装置。

3、执行机构，又称伺服机构。有电动、气动和液压等类型。用于将电信号转变成机械动作，其工作过程是：根据控制信号驱动舵面或摆动发动机，产生使弹体绕质心运动的控制力矩，以稳定或控制导弹的飞行姿态。产生控制力矩的方式有舵面气动控制和推力向量控制两类。舵面气动控制方式是由伺服机构（或舵机）驱动空气舵产生气动控制力矩，它能有效地稳定和控制导弹在大气层内飞行；推力向量控制方式是由伺服机构改变推力向量产生控制力矩，它有燃气舵、液体（或气体）二次喷射、摆动发动机、摆动喷管或姿态控制发动机等控制方式。推力向量控制方式在大气层外也能使用，但必须在发动机工作情况下进行。导弹姿态控制系统中的敏感装置、变换放大装置和执行机构等与弹体（控制对象）一起构成导弹姿态控制闭环回路。大型导弹（火箭）的姿态控制系统多采用姿态角、姿态角速度和线加速度的多回路闭环控制。当制导指令信号为零时，如果导弹在干扰力矩作用下使弹体姿态角发生变动，则敏感装置敏感其信号，经过回路负反馈产生控制力矩与干扰力短相平衡；当干扰力矩消除后，控制力矩自动消失，从而使导弹的姿态角保持稳定。当制导指令信号不为零时，信号经过闭环回路产生控制力矩，控制导弹的姿态角，以实现导弹的控制。

控制原理为了实现稳定和控制导弹的飞行姿态，需要控制力矩。产生控制力矩的方式通常有两类：①舵面气动控制。有翼导弹可在弹体头部、中部或尾部安装空气舵，由伺服机构转动空气舵产生气动控制力矩，有效地控制导弹在大气层内飞行。②推力向量控制。由伺服机构改变推力向量产生控制力矩。推力向量控制方式有燃气舵、液体二次喷射、摆动发动机或摆动喷管等。这类方式在大气层外也可使用，但在发动机关机后就失去作用。弹道导弹广泛采用这类控制方式。2

作用导弹姿态控制系统的主要作用是：①在各种干扰条件下，保证导弹飞行姿态角的偏差稳定在允许的范围内；②根据制导指令控制导弹的飞行姿态角，以改变导弹的运动方向，修正飞行路线，从而保证导弹准确命中目标。

分类由于各类导弹所执行的任务不同，它们的运动方程和固有特性差异很大，所以不同类型导弹的姿态控制系统各有其特点。3

弹道导弹姿态控制系统其特点为：①大型弹道导弹多无尾翼，多是静不稳定体，而且静不稳定度比较大，需要大的控制力矩。舵面产生的力矩常常不足以达到控制作用，需要采用摆动主发动机等方法产生足够的控制力矩。②大型导弹多为薄壳结构，弹性振动频率很低，接近姿态控制系统的固有频率。减低或消除弹体弹性振动影响的方法主要是把敏感装置安装的导弹上弹性振动影响不大的位置，或者在系统中引入合适的滤波器。③液体燃料导弹因液体晃动而产生的晃动力会影响导弹飞行的稳定性。应对燃料贮箱形状采取适当设计或增加防晃板，对液体的晃动产生阻尼作用。④弹道导弹的飞行环境变化很大，易受大风干扰，多级导弹在分离时有较大的分离干扰，姿态控制系统必须能适应这些干扰和大范围的参数变化。

战术导弹姿态控制系统这类导弹用于攻击快速活动目标，对姿态控制系统的动态品质要求较高，尤其要求具有反应迅速和能使导弹产生所需较大过载（横向和法向加速度）的性能。这类导弹往往只要求稳定滚转角，而偏航角和俯仰角则由制导指令来控制，以完成飞行轨迹的调整。姿态控制系统的滚转通道用自由陀螺仪作为敏感装置；俯仰和偏航通道用速率陀螺仪作为敏感装置，对弹体的角振荡产生阻尼作用；用加速度计作为输出反馈装置来获得良好的动态品质。这类系统对惯性器件的精度要求不高，但要求测量范围大和能快速起动。

巡航导弹姿态控制系统这种导弹类似飞机。它的姿态控制系统与飞机自动驾驶仪性质相似，主要问题是各通道之间的耦合和弹体的结构颤振。

发展趋势现代导弹姿态控制系统的发展趋势是数字化、实现自适应、智能化和多功能化。而姿态稳定和控制技术是导弹姿态控制系统的重中之重，未来5-10年是我国航天事业发展的又一重要阶段，我国对新型运载器和空间控制技术的研制需求和高新武器、新一代武器的研制计划，给了姿态控制系统稳定和控制技术很大的发展空间，是机遇也是挑战。一方面，无论是导弹还是运载火箭，新的战略指标在机动性、可靠性、控制精度等方面都提出了更高的要求，现有控制方面难以完全适应，必须寻找新的控制方案以适应日趋复杂的被控对象。姿态系统的研究方向以及内容如下：与高新武器和新型运载器相关的关键技术、先进控制理论应用研究、姿态控制系统可靠性研究、姿态控制系统CAD技术研究、控制系统仿真技术等。