空间飞行器总体设计篇1

【关键词】多学科设计优化算法；飞行器设计；协同优化方案；复杂系统

飞行器系统设计受到其计算复杂性、信息交换复杂性、模型复杂性、组织复杂性的影响，其初步设计参数的确定需要多学科设计优化算法的参与，从而确保设计质量、降低研发成本、缩短研制时间。传统的飞行器设计割裂了各学科之间的影响作用，系统的整体最优性受到一定程度的冲击，其设计周期和开发成本都相对有所增大。本文以多学科设计优化算法和飞行器设计为重点，简要分析多学科设计优化算法的具体应用。

一、多学科设计优化

一般而言，复杂系统的分析方法是将该系统划分为若干子系统，因子系统之间作用机制的不同，复杂系统又被归属于两大类，一类是层次系统，另一类是非层次系统。层次系统下各子系统呈现出“树”结构，有着较强的顺序性，而非层次系统中的子系统呈现出“网”结构，有耦合关系。目前多学科设计优化算法以非分层系统为主研究点。

从数学上可以表达为：

寻找：X

最小化：f=f（X，y）

约束：hi（X，y）=0（i=1，2，…m）

gi（X，y）≤0（j=1，2，…n）

其中目标函数是f，设计变量是X，状态变量是y；等式约束是hi（X，y）；不等式约束是gi（X，y）。在非分层系统中，该算法需要多次迭代才能够完成，而分层系统的计算可以依据一定的顺序。这样的计算过程即为系统分析。当系统分析中X有解时，约束与目标函数才能够被获得。

多学科设计优化算法的计算复杂性体现在系统分析过程中迭代的多次使用，而信息交换复杂性体现在受到子系统之间耦合作用的影响，子系统间的信息交换呈现出复杂的特点。多学科设计优化算法以上述两大复杂性为重点，而理想化的算法包括以下几方面特性：模块化结构；定量的信息交换；子系统之间优化和分析的并行；设计的能动性；计算次数的减少；子系统与工程设计组织形式的一致性；全局最优解的得出概率最大化。

二、多学科设计优化算法与应用

多学科设计优化算法包括三大方面，协作优化、并行子空间优化和单级优化。

（一）单级优化算法

单级优化算法中的系统级优化算法主要应用于目标系统复杂性低、变量较少的设计中，其与传统的单学科优化算法有较大的相同点。受到单级优化算法计算次数较多的影响，飞行器设计的分析模型以近似估算为主，对各学科之间的相互作用的反映较少。为了有效解决多学科设计优化中的计算复杂性，设计人员多采用系统分析中的近似值或控制系统分析的次数。

在基于全局敏感方程基础上的单级优化算法中，飞行器整体系统的敏感性能够得到较好地把握，各子系统的敏感分析也能够并行开展。但在实际的应用研究中，该单级优化算法也暴露出相应的问题，其一，仅能针对连续变量；其二，对计算机CPU时间要求较高；其三，子系统中的设计优化有所欠缺。

一致性约束优化算法主要通过对子系统之间耦合关系的规避来促进各子系统的系统分析的独立性。该算法中分析过程和设计过程有着较强的同步性，各子系统能够独立的进行维护和更换，但其设计优化的目的依然未能得到实现，子系统的分析计算量也相对较大。

（二）并行子空间优化算法

并行子空间优化算法包括基于全局敏感分析的优化算法，改进版的基于全局敏感分析的优化算法和基于响应面的优化算法。

基于全局敏感的并行子空间优化算法中，各子系统互相独立，其优化的设计变量也具有差异性，系统设计变量为各子系统设计变量的组合。该算法能够有效减少计算次数，实现不同子系统的同时设计优化，原系统的耦合性也得以保留。在飞机初步设计中，多学科优化设计软件得到了较广泛的运用。但该项优化算法存在一定的缺陷性，其算法的收敛性不能得到完全的保证，因此振荡现象较为常见。而实际设计中设计变量对子系统影响范围的广泛性也导致了飞行器操稳性能的下降和结构的不稳定。

在全局敏感分析基础上做了改进的并行子空间优化算法能够提高子系统优化整合后的整体效果，数据分析近似模型的精确性得到了较大的提升。改进版的优化算法很好地解决了系统分析中的振荡现象。但上述两种并行子空间优化算法都有局限性，仅能解决连续设计变量的优化。

基于响应面的优化算法并不要求设计人员对系统敏感性开展分析，该方法能够促进连续或离散混合变量的优化问题，并有效消除数值噪音。在飞行器设计中，该算法多应用于通用航天飞机与旋翼机的初步设计中。其优点在于系统全局最优解的得出几率的增高和系统分析次数的降低。但当设计变量和状态变量y不断增大时，人工神经网络的反应时间也相应有所延长。

（三）协作优化算法

协作优化算法旨在尽可能的减少子系统优化方案和目标方案间的差异性，推动一致性最优设计的实现。该算法有效地规避了计算的复杂性，其系统分析过程中的收敛性也得到了较高的保障。同时，协作优化算法不仅确保了子系统的分析功能，还为子系统的设计优化提供了推动力，各子系统在优化过程中可以忽略其他子系统的干扰，确保约束的满足。结合实际算例来看，协作优化算法还存在一定的问题，其系统分析的次数被加大，优化解的寻找过程相对漫长。

结束语

虽然国内的多学科设计优化算法得到了较好的发展，但其理论问题和实际问题依然较多。并行子空间优化算法和协作优化算法还需要设计人员对其收敛性进行完善的理论证明。目前，多学科设计优化算法广泛应用行器设计中的气动、性能、结构等方面，但动力系统和隐身性能等方面突破较少。多学科设计优化算法未来的发展主要以可靠性、经济分析和维修性为主，建立起科学的分析模型和统计数据库。

参考文献

[1]蒋鲁佳，辛万青，布向伟.导弹总体多学科设计优化耦合关系处理方法[J].导弹与航天运载技术，2009（06）.

[2]尤政，李冠华.多学科设计优化方法在微纳卫星总体设计中的应用[J].中国航天，2010（04）.

空间飞行器总体设计篇2

从第一架X-37B飞行器在2010年成功完成首次太空之旅，到第二架X-37B飞行器大幅度延长在轨时间，如今可重复使用的X-37B飞行器（即第一架X-37B）再次发射升空，美国空军在两年多时间里对其在轨期间实施的各项任务一直秘而不宣，只是强调旨在为发展一种可重复使用的无人驾驶空天飞行器测试一些新材料和新技术。闪烁其词的表述进一步引发了外界对这一项目的诸多猜测，特别是X-37B飞行器的潜在军事用途正在引起世界各国的密切关注。

再次升空一波三折

X-37B飞行器的第三次太空之旅主要是测试可重复使用能力，但是此次发射过程并非一帆风顺，由于运载火箭可能存在的潜在问题而屡次延期。按照最初计划，OVT-3发射日期预定在2012年10月25日，但是因为一个意外事件而被迫推迟了一个半月。

2012年10月8日，联合发射联盟（ULA）研制的“三角洲”4火箭将波音公司生产的GPSIIF-3卫星送上太空，但在飞行过程中发出了一个意外的数据信号，地面控制人员也观测到RL-10B-2上面级发动机推力有所减少。尽管火箭发动机在升空过程中出现了性能下降的情况，但是“三角洲”4火箭凭借着可靠的系统设计、飞行软件和推进剂储备，通过箭载惯性制导和飞行控制系统及时补偿了低推力状态，有效地控制了第二级火箭正常飞行，将GPSIIF-3卫星精确地送入到预定轨道。

然而，突如其来的火箭性能问题让美国空军惊出一身冷汗，立即下令暂时停止“三角洲”4火箭的其余发射安排，直至正式查找出故障原因。美国空军太空司令部负责人的威廉·谢尔顿将军表示，美国空军专门成立了一个事故调查委员会，启动全面调查工作，以确定上面级发动机出现故障的根本原因。城门失火，殃及池鱼，原本安排在10月25日由“宇宙神”5火箭再次发射X-37B飞行器的时间也不得不迫推迟到11月中旬。

与“三角洲”4火箭略有不同的是，“宇宙神”5火箭的上面级使用的是RL-10A发动机，属于同一型号火箭的不同型别。为此，美国空军和ULA希望能够确认RL-10A火箭发动机不存在可能导致推力降低的同样问题。美国空军明确表示，必须发现到底发生了什么、具体原因如何，确保不会再次发生类似问题。否则，发射失败的成本是惊人的，不仅将丧失昂贵的卫星或飞行器，而且对于已经如此依赖于太空技术和装备的美国军方来说，将会在作战使用方面产生不良影响。

11月初，美国空军考虑到仍然没有找到故障原因，只好将OTV-3的发射时间再次推迟到11月27日，以便留出充足时间全面评估RL-10发动机的潜在故障模式，以获得一个确凿的证据。11月8日，谢尔顿将军在一次早餐会上公开表示，有可能进一步推迟OTV-3发射，并承认由于发射人员和发射台的数量有限，对于ULA承担的发射任务来说，可能会产生多米诺骨牌效应。

经过全面分析和评估，调查人员在11月底终于找出了故障的根本原因，断定在发射过程中出现了燃料泄漏现象。官方并未说明泄漏是如何发生的，但是确认在燃料箱的压力达到最大值时出现了泄漏。幸运的是，当泄漏发生时，GPSIIF-3卫星已经被送入预定轨道，无疑，“三角洲”4火箭的充足燃料储备成为一个关键因素，成功地避免了发射失败，挽救了这次发射任务。

在查清了RL-10B故障的根本原因后，美国空军太空司令部终于松了一口气，命令处于待命状态的第3空间试验中队开始准备“宇宙神”5火箭的发射工作，并在12月11日成功地将X-37B飞行器再次送入预定轨道。美国空军新闻发言人特雷西·邦克表示，此次任务的重点仍是测试稳定运行、可重复使用的无人驾驶空天试验平台。

与前两次任务降落在加利福尼亚州范登堡空军基地不同，再次升空的X-37B飞行器返回时将降落在紧邻卡纳维拉尔角空军基地的肯尼迪航天中心。目前，美国空军正在考虑将X-37B飞行器的着陆、再次装备和发射升空合并到一个地方，充分利用航天飞机时代留下的5千米跑道等基础设施，以节省转场运输的费用。

随着连续三次顺利实现X-37B飞行器在低地球轨道运行，美国空军正在稳步地将任务领域从蓝色天空拓展到黑色太空，其间经过了近20年的探索和研究。

研制项目几易其名

早在20世纪90年代中期，波音公司承担了美国空军研究实验室（AFRL）提出的空间机动飞行器（SMV）项目，旨在研制一种由航天飞机运载、在太空施放并且可回收的无人飞行器，其任务是在太空施放小卫星或执行侦察任务。据波音公司介绍，这是一种可以在空间轨道上停留一年的小型飞行器，能够改变轨道倾角和轨道高度，以实现战术优势，并且可以更换有效载荷来适应多种任务需求。

根据美国空军的设想，SMV能够快速变换轨道倾角或轨道高度，具备很强的战术能力：执行对地侦察任务时，它可提供比目前侦察卫星更快的反应能力；执行空间控制任务时，它可利用多种传感器近距离观察可疑的空间目标，摧毁敌对卫星；执行通信中继任务时，它还可以短时间内充当低地球轨道星座的替代卫星。

对此，美国空军技术学院在一份研究报告中明确定义了SMV的主要任务：维持至少4个月的在轨飞行，通过自身的综合传感器完成对地面目标的情报收集、监视和侦察；快速远程打击地球上任意地点的目标；部署微型卫星用于关键任务、关键地区的监视和情报收集；携带小型卫星，对星座进行快速的补充或替换，以及飞行器在72小时以内完成各种任务之间的转换等。

与此同时，NASA首次公布了一个“探路者”（Future-X）项目，目的是把发射0.454千克有效载荷进入太空的成本从当时的1万美元降低到1000美元以下。于是，X-37计划逐渐浮出水面。马歇尔空间飞行中心负责领导和协调这项研究工作，试图通过研制一种空间试验飞行器，作为机体、推进和操纵等40多项技术的降低风险验证平台，从而使得空间运输成本大大降低。

两项计划虽然分属于军事和民用领域，但所发展的关键技术可谓殊途同归。波音公司敏锐地看到了SMV项目所发展的技术在商用可重复使用空间飞行器市场的应用潜力，于是在1997年正式公开了为SMV项目研制的一种90%缩比的综合技术试验平台（ITTB），即X-40A验证机，同时着手研制一架X-37A验证飞行器。

此后，美国空军因为预算问题退出了X-37计划，NASA也由于各种原因多次推迟研制进度。2004年9月，NASA决定将X-37计划移交给美国国防部高级研究计划局（DARPA），由后者继续发展一种长时间续航、可重复使用的X-37A全尺寸空间飞行器。2006年9月，DARPA通过成功地实施了一系列X-37A飞行器的系留飞行和自由飞行试验，完成了X-37计划部分测试任务，由此成为美国空军X-37B轨道试验飞行器计划的起点。

值得注意的是，美国空军在2006年11月突然决定支持X-37计划的研制和试验工作，并划拨了专项资金。DARPA也就顺理成章地又将X-37计划转交给美国空军，由美国空军快速响应能力办公室（RCO）负责管理一种全新轨道试验飞行器的研制与试飞工作，简称为OTV项目。在经历了多次反复之后，X-37B项目作为一个延续项目正式启动。

根据合同，波音公司“鬼怪”工厂将X-37B飞行器设计成为一种由火箭发射到低地球轨道的空天飞行器，可在这一高度执行长时间的空间技术实验和测试。完成预定任务后，X-37B飞行器可按照地面发出的返回指令，自主地再入大气层、下降和在跑道上水平着陆。

总体设计精心优化

美国空军在介绍X-37B飞行器时，强调这是一种非作战系统，主要验证一种可重复使用的无人驾驶空间试验平台，目标是在实施空间试验、降低技术风险的基础上发展一种作战概念。

作为最新型的再入大气层飞行器，X-37B飞行器在外形尺寸和重量上要比航天飞机小得多，机长只有8.9米，机高为2.9米、翼展为4.5米，发射重量为4990千克。为了顺利返回到地面，它在气动设计上具备了飞机的主要特征，与现役航天飞机大同小异。

X-37B飞行器采用了一个更加圆钝的机头，两侧部位和上方分别设计有机动变轨推进器，也称之为反作用控制系统（RCS），用于改变飞行轨迹。机身前段的内部装有航空电子设备和控制系统，后部装有喷气燃料箱和动力装置。

与航天飞机相类似，X-37B飞行器的机身中段设计有一个顶开式有效载荷舱。按照当初NASA的设计，载荷舱的长度为2.13米，宽度为1.22米，能够容纳重达227千克的有效载荷。随着美国空军负责管理这项计划，波音公司“鬼怪”工厂是否会根据军事用途需要，改进载荷舱的尺寸，目前尚不得知。

机翼采用了细长边条翼与短小三角翼组合而成的双三角翼，后缘设计有全翼展的襟副翼。值得注意的是，X-37飞行器在机翼前缘采用了一种强化单体纤维增强抗氧化剂复合材料（TUFROC），具有显著的抗氧化损伤的特性。与航天飞机在机翼前缘采用的碳复合材料相比，TUFROC不易氧化，表面材料更厚，因此传热过程更长一些。而且，这种新材料的重量较轻，能够使X-37B飞行器携带更多的有效载荷。

机身后段的两侧设计有机动变轨推进器，内部装有一个推进剂箱、一台火箭发动机和控制面操纵系统。与航天飞机只有一个垂直安定面不同，X-37B飞行器采用了两个较短的外倾式安定面，将方向舵和升降舵的功能集于一身，因此称之为方向升降舵。这一设计在确保俯仰力矩的情况下，有效地降低了机体高度，便于使这个飞行器装入到“宇宙神”5火箭的整流罩内。

在X-37B飞行器以高速、大迎角再入大气层的过程中，方向升降舵减少了机动变轨推进器在操纵配平和控制时所需的推进剂，为在后机身上方设计一块减速板提供了空间。减速板只是在下滑、进场和着陆前，用于控制飞行器的滑行过程。

外界容易忽视的是，X-37B飞行器还在机身后部设计有一块燃气舵面。在轨道飞行中，它与机身腹部保持一体，在变轨过程中可以根据控制指令改变角度，相应地产生俯仰力矩，及时地改变飞行器的迎角，减少变轨系统所消耗的能量。

从X-37A项目到X-37B项目，飞行器在设计过程中优化了变轨动力系统。最初，NASA的研制人员考虑到过氧化氢具有密度大、易储存、可经受在轨长期停留考验等因素，为X-37A飞行器选择了过氧化氢和JP-10煤油作为AR2-3火箭发动机的推进剂，可以较好地满足太空飞行的安全性要求。AR2-3火箭发动机是一种由罗克达因公司生产的推力可调、单推力室的火箭，主要用于短时间加速飞行，改变在轨飞行速度，而且在完成轨道飞行任务后，推动X-37A飞行器脱离轨道，进入大气层。

随着NASA将X-37A项目转交给美国空军，“鬼怪”工厂在研制X-37B飞行器过程中为了降低研制风险，采用了一台R-4D作为姿态控制发动机。由此，X-37B飞行器放弃了使用无毒易储的过氧化氢和JP-10煤油，转而采用更加成熟的四氧化氮/肼燃料。正是借助于R-4D火箭发动机和RCS系统，X-37B飞行器具备了空间轨道机动能力。它可以利用主发动机的短暂工作，实现大幅度变轨，此后还可以借助RCS系统精确调整轨道位置。

测试项目陆续展开

当首架X-37B飞行器发射升空并到达预定轨道后，美国空军太空司令部的第3空间试验中队负责遥测、指挥和控制。美国空军表示，X-37B飞行器可以根据不同任务的需要，在低地球轨道持续飞行2～270天，但并未透露相关的轨道运行参数，而且对于其有效载荷和具体试验项目严格保密。随着第一架X-37B飞行器在2010年12月3日顺利返回地面，外界最关心的是，美国空军利用它在太空执行什么试验任务。

从所承担的任务来看，首架X-37B飞行器通过在轨飞行优先实施了轨道机动能力、临近空间超音速飞行再入能力等试验项目，力求突破一些技术，发展成为一种可重复使用的、有自主飞行能力的轨道转移飞行器，从而降低出入太空的成本，为美国航天战略目标的发展服务。

X-37B飞行器的首要目的是检查飞行器系统和设计部件，其次强调更加先进的传感器技术，特别是后一种能力有可能将更重要的事情带入到后续任务中。美国空军RCO负责X-37B计划的经理特洛伊·吉斯中校表示，在轨飞行还成功地试验了飞行器快速开启载荷舱门、展开太阳能电池板的能力。

3副太阳能板分别安装在机身前段两侧和机身中段的载荷舱内，通过机械臂伸出而展开，在整个空间任务期间提供电源。载荷舱的舱门内侧安装有嵌入式散热板，可以将热量散发到太空中。从工作程序来看，X-37B飞行器进入预定轨道后，将陆续展开3副砷化镓太阳能板，为锂离子电池组充电。与航天飞机使用燃料电池不同，它采用了小型太阳能电池和锂离子电池组为电子设备和机电致动器提供在轨飞行时的电力，使飞行器在轨飞行时间大幅度增加，最长可达9个月。

在X-37B飞行器发射升空后，吉斯中校称其任务的目的之一是检查采用了新颖设计的太阳帆系统的工作性能。为此，英国《新科学家》杂志在网站上发表分析文章，从波音公司曾经申请的专利中推测了X-37B飞行器的一些技术细节。早在2003年6月，波音公司申请了一项太阳帆快速折叠和装载的专利技术，即把太阳帆安装在载荷舱之内，就可以不再需要固定可折叠太阳帆的大型插销，而且太阳帆的总体积仅为0.2立方米，不会过多占用载荷舱。如果X-37B飞行器采用了这项技术，那么它就能随时收起太阳帆，然后点燃推进器，迅速改变飞行轨道，从而更加神秘莫测。

按照美国空军的说法，X-37B计划将验证小型可重复使用航天器方案的可行性，通过测试一些空间新技术，直接支持国防部有关新型卫星系统的技术风险降低工作。可见，X-37B飞行器将作为一个“在轨实验室”，营造一种空间试验环境，验证未来军用新技术和新部件，并将卫星传感器、子系统、各种部件和相关技术高效地转移到其他空间项目中。特别重要的是，X-37B飞行器的可重复使用能力使美国空军在其返回后可以全面检查各种硬件，以发现和认识这些技术在空间长期工作后的状况。

美国空军负责空间计划的副部长助理加里·佩顿对外界表示，X-37B飞行器在轨测试的新技术“比航天飞机的技术先进一代”。这些技术包括先进的导航和控制方式、石英陶瓷热防护系统、航空电子设备、高温结构与密封、可重复使用的保形隔热材料和轻型机电飞行控制系统。此外，X-37B轨道飞行器将验证自主轨道飞行、再入和着陆。

对此，美国一些空间专家认为，实际情况肯定要复杂得多。从性能上看，X-37B飞行器具有明显的军事用途，可以用于验证非合作式在轨交会对接技术，即在太空进行捕捉卫星的试验。同时，它还能测试卫星变轨与规避技术。因此，X-37B飞行器可以认为是承担了美国空军一部分太空战任务的航天器。

自主完成再入返回

在首架X-37B飞行器进入低地球轨道后，美国空军除了介绍它的轨道编号为USA-212外，没有透露更多的相关信息。长期以来，美国国防部对于能规避、机动、轨道难以预测的太空飞行器一直保持着浓厚的兴趣，主要是考虑到侦察卫星存在运行轨道可以预测的弱点，容易遭受到反卫星武器的攻击。因此，X-37B飞行器的测试重点之一是轨道机动性。

2010年5月24日，北美的天好者首次通过天文望远镜发现了X-37B飞行器。随着越来越多的观测数据汇集到互联网上，X-37B飞行器的精确轨道终于被推算出来：它在发射后一个月左右后，停留在南北纬39.9°之间的近地圆形轨道（近地点403千米，远地点420千米），而且每4天重复飞临地球同一个地点。整个时间长达两个月，这很可能是为了验证飞行器上搭载的侦察装置的成像效果。

2010年7月29日，X-37B飞行器首次“失踪”，观测者们用了两个多星期时间才重新找到它，原来它改变了轨道和飞行方向，将运行轨道提升到近地点433千米、远地点444千米。从技术角度来看，X-37B飞行器的优势在于它带有发动机，可以完成快速变轨，因此美军不怕地面的观测。据统计，X-37B飞行器在太空中总共变轨5次，轨道高度上、下变化很大。

X-37B飞行器所具有的另一个独一无二的能力是，它能够重返地球大气层，在无人驾驶的情况下自主着陆。它在完成预定的在轨飞行计划后，将根据地面发出的指令，迅速变轨，脱离运行轨道，以40°迎角姿态再入大气层。与航天飞机相比，它的再入速度更快，因此也必须采用全新的热防护系统。首次试飞对于验证新型热防护系统的有效性至关重要。

X-37B飞行器采用了全复合材料机体，在腹部采用了最新型强化单体纤维绝热材料（TUFI）的防热瓦，可以承受1650℃的高温，为下表面提供大部分热防护，比早期的航天飞机所使用的防热瓦更加耐用。这种工艺是将表面材料渗透进绝缘层中，可以支撑和强化外表面，使其能够承受各种冲击。与航天飞机上使用的玻璃纤维复合防热瓦相比，TUFI防热瓦具有多孔性，可以阻止裂缝进一步扩展。同时，X-37B飞行器还将验证可重复使用的新一代保形隔热层技术，为上表面提供更好的防护，而且在最外层采用一种坚硬光滑的涂料，可以产生更小的阻力。

X-37B飞行器的自主式再入和着陆系统采用了惯性导航和GPS的组合式导航，有关飞行参数通过中央计算机系统转换为控制信号，发送给机电致动器和其他系统，实现安全可靠的飞行控制。接近跑道前，它将以20°的下滑角、大约483千米/时的速度进场，在最后几秒放出起落架，像常规飞机一样正常着陆。

2010年12月3日凌晨，地面指挥人员向首个在轨飞行的X-37B飞行器发出返回指令。X-37B飞行器自动地折叠太阳能电池板，关闭舱门，成功变轨，脱离运行轨道，开始再入大气层。这一过程中，防护系统与大气之间的摩擦产生了高温，隔热瓦开始剧烈燃烧。最后，X-37B飞行器按照预定程序，自动实施机动飞行，完成了一系列S转弯，以消耗一部分能量。

X-37B飞行器的着陆并非完美无缺。它的左侧主起落架轮胎在着陆过程中发生爆胎，但它继续沿着跑道中心线滑行，而没有偏离，充分证明了控制系统在设计上非常完善。爆裂的轮胎所产生的碎片导致了飞行器的腹部出现了一些损伤，无法确定的太空碎片也在飞行器的腹部产生了撞击，检查发现，在热防护瓦和机体上产生了大约7处凹坑。

再次发射讳莫如深

通过OTV-1任务，美国空军证明了X-37B飞行器可以被送入太空、持续在轨运行并安全地自主返回。时隔不到一年，美国空军准备通过OTV-2任务，进一步测试X-37B飞行器的各项设计，并有意延长220天任务期限，更多地验证一些能力。

2011年3月5日，美国空军再次利用“宇宙神”5火箭将OTV-2飞行器送入太空，承担第2次轨道试验任务。当时，美国空军表示它将“扩大工作包线”，潜在地增加轨道的间距。波音公司还将特别关注机电致动器的性能和自主着陆算法的稳定性，并在X-37B飞行器返回地球时放宽对再入轨道横向偏离和着陆区侧风大小的限制，可能还将在更大侧风情况下实施着陆的试验，这取决于范登堡空军基地的天气。这次，美国空军专门选择了一个有利的运行轨道，使其运行在能够顺利返回范登堡空军基地的轨道上。

同年11月30日，美国空军宣布X-37B飞行器的空间测试在原定的270天后将进一步延长，可能在太空逗留18个月。到2012年3月5日，这架飞行器持续测试时间已满一年，大大超过了预定飞行时间。对此，美国空军RCO负责X-37B项目的汤姆·麦金泰尔中校表示，该项目已产生巨大价值，正在为可重复使用的太空飞行器确立一个标准。此言一出，外界更是对于X-37B飞行器的神秘使命产生了浓厚兴趣。

2012年3月26日，谢尔顿将军在与一些媒体记者共进早餐时透露，X-37B飞行器将无限期延长在轨时间。他表示，这架飞行器圆满地执行了在轨测试任务，总体表现非常出色，美国空军还没有为X-37B飞行器制订确切的返回日期。面对在场记者的提问，谢尔顿将军用了“惊人”一词来形容X-37B飞行器具备了“改变现有战局”的能力，但是并未介绍更多的细节。将军的“惊人”之语吊足了记者的“胃口”。

时隔近三个月后，这架X-37B飞行器在2012年6月16日凌晨开始脱离轨道，踏上返程之路，于凌晨5点48分在范登堡空军基地着陆，结束了为期15个月的秘密飞行任务。此次OTV-2任务的持续时间创纪录地达到了469天，远远超出了270天的在轨时间设计指标，两倍于OTV-1任务的累计时间。顺利返回后，X-37B飞行器在范登堡基地接受飞行后的检查和翻新。

几个小时后，范登堡空军基地就了一段80秒的视频。这段视频的第一部分是红外摄像机拍摄的画面，展示了X-37B飞行器在自主着陆前的下滑过程，由于在重返大气层过程中产生的剧烈摩擦，它的腹部和机头仍然处在高温状态，呈现明亮的桔黄色。接着，视频转换为35秒的可见光画面，X-37B飞行器在机轮接地后滑行了一段距离，最后停在了跑道上。此次，X-37B飞行器的机轮胎压降低了15%，有效地避免了第一架X-37B飞行器在着陆时出现轮胎爆裂的情况。

值得一提的是，地面指挥人员在X-37B飞行器返航途中，启动了它所携带的一个防泄密装置，一旦这架配有大量先进技术的无人驾驶飞行器偏离预定轨道，就可以通过远程遥控方式将其在太平洋上引爆，以免不慎落入其他国家境内。

预期目标初露端倪

随着两架X-37B飞行器先后完成空间测试任务，成功返回地面，美国空军对于这项计划的进展感到非常满意。毫无疑问，X-37B飞行器的在轨测试成为美国空间飞行器技术发展中的一个重要里程碑。就目前而言，X-37B飞行器为美国空军提供了一种此前并不具备的能力，即发射一颗卫星在轨道上运行几个月，然后再自主返回地球，可以进一步验证和分析相关技术。然而，外界在初步了解了X-37B飞行器的设计特点和试验项目后，似乎更加希望了解到美国空军利用这项计划来达到的预期目标，并由此产生了诸多猜测。

这项计划的近期目标是X-37B飞行器在空间轨道飞行期间要完成一系列试验任务。位居首位的技术验证是飞行器出入太空的能力，具体而言，X-37B飞行器可以进入太空、完成一项工作、返回地面。美国空军认为，X-37B飞行器的飞行试验将会弥补目前缺乏的飞行器再入大气层时的飞行数据，为设计下一代可重复使用运载器提供更多依据。它所采用机电致动器、飞行控制和防热瓦等关键技术，对其他的高超音速或超音速项目大有裨益。

其中，最重要的验证是X-37B飞行器在跑道上自主着陆，并准备好再次飞行。与航天飞机需要数月地面准备时间相比，美国空军实施这项计划的目标是将X-37B飞行器两次太空飞行之间的地面准备周期限制在10～15天之内，地面控制人员不超过11人，使每次发射成本可以大大降低。

这项计划的远期目标是发展一种空天飞行器，可以自主着陆，然后在10～15天内再次起飞升空，以便美国空军在空间侦察需求激增时，可以在1～2个月内将一批军用卫星送入太空。美国空军甚至希望X-37B飞行器在使用时更像一架SR-71侦察机，以确保美国军方的作战人员可以在未来获得所需要的各种能力。

按照佩顿的设想，美国空军可以在范登堡空军基地配备一架X-37B飞行器，根据作战人员的需求，将专用的有效载荷装进X-37B飞行器的载荷舱内，使用“宇宙神”或“三角洲”火箭发射升空，使其在轨停留，为作战指挥官提供服务，之后返回。下一次飞行时，X-37B飞行器可以根据不同的作战指挥官的需求，装入不同的有效载荷。然而，美国空军是否继续这项计划并制造数架飞行器来组成一个机队，取决于首批两架验证机的试飞能否达到预期目标。

从在轨测试过程来看，X-37B飞行器选择在低地球轨道上运行，既可为直接携带大型侦察设备做验证，也可以间接地验证“作战响应空间”（ORS）倡议提出的“卫星群”概念。进一步推测，X-37B飞行器可以携带10～20颗ORS卫星，充分利用其轨道机动能力在某个特定轨道上释放这些小卫星，形成“卫星群”，对某个地域提供持续监视或空间信息支持。一旦这个地域的任务结束，X-37B飞行器可以利用自身所具备的轨道机动能力，对小卫星进行快速地重新部署。

随着航天飞机的全部退役，X-37B项目为美国持续发展太空技术铺平了道路，其再入返回能力允许美国空军试验新技术，而不必面对其他项目所需担负的风险。例如，X-37B飞行器推动了热防护系统和在轨太阳帆系统等技术的改进和发展，并且正在测试环境建模和发射场安全技术，有力地推动了美国在航天领域继续保持技术优势。

军事潜力备受猜测

从运行过程来看，X-37B飞行器长期在低地球轨道飞行，将其称为“空间飞行器”更为准确。而从其未来的任务角色来讲，X-37B飞行器具有很强的轨道机动能力，因此称之为“轨道机动运载器”也比较恰当。特别需要关注的是，X-37B飞行器凭借多项先进技术，能够从近地轨道延伸到临近空间，反之亦然，因此具备了军事应用潜力。

目前，外界只是初步了解了X-37B飞行器的技术特点，但是对于它的任务细节则一无所知，特别是美国空军对于改变现有局面的一些关键技术避而不谈，更是令人对其背后的秘密产生了好奇。

在X-37B飞行器的陆续升空后，美国空军官员透露，这种飞行器是为了试验新的太空技术，并强调“这是一项秘密使命”。据称，X-37B飞行器只处于“试验阶段”，但其中蕴含的技术可以用来“研究和发展具有更重要意义的东西”。过去，美国空军在空间技术研究领域缺乏这种能力，导致一些研究项目受到限制，无法在投入部署前通过实际验证，因此在为本国提供太空安全方面感到力不从心。

这项计划从NASA主管的空间计划转变为美国空军负责的技术项目后，潜在的军事用途自然备受关注。据介绍，美国空军RCO办公室成立于2003年，使命是特种作战保障和武器系统研制及装备，为了缩短指令下达环节，其官员直接向美国空军参谋长、部长和两位高层采购官员汇报。因此，外界十分合乎逻辑地想象X-37B飞行器有可能携带了秘密的军用载荷。

对此，各国媒体纷纷做出各种推测。首先，美国军方在太空部署了多种成本高昂的军用卫星，借助于X-37B飞行器可以对这些设备进行维修、调整和升级。其次，X-37B飞行器的机动性强，可以随意侦察别国秘密，不用担心被击落。第三，在同样的技术条件下，X-37B飞行器也可以捕获别国的间谍卫星、侦察设备或其他太空装备，足以让敌国的太空计划陷入停滞。

面对外界的各种猜测，佩顿表示，这项计划并不是为了寻求“进攻能力”，X-37B飞行器只是航天飞机的升级型号，可以帮助美国空军更好地完成一系列太空军事任务。目前，美国空军有意淡化外界对于X-37B飞行器的作战角色的推测，但是承认这种可重复使用飞行器有可能补充当前正在实施的ORS倡议，表示OTV不会替代诸如“战术星”（TacSat）其他响应空间的能力，而是将会把空间能力带到一个新的层面。

借助于X-37B飞行器，AFRL实验室有能力研究一些技术，在空间完成一些试验，再返回地球。正如美国空军负责空间计划的副部长理查德·麦金尼一再强调，OTV的角色只是作为一个纯粹的试验平台，而不是一架可重复使用空间飞行器的原型机。美国空军希望它能够把物体送入太空，从事一些试验和使用任务，实质上，可以将它看作一颗卫星，进入轨道，但是可以返回地面。然而，在谈到在ORS倡议的核心是一种即插即用、快速反应的卫星体系结构概念时，麦金尼也承认，就ORS和OTV而言，两项计划之间可能存在一种联系。

美国世界安全基金会公布的一份关于X-37B飞行器的报告也认为，这种飞行器最有可能被用作一种具备多种任务职能和快速反应能力的空天飞行器。侦察卫星虽然也能完成情报搜集任务，但卫星上搭载的传感侦察设备是固定的，一旦发射升空就无法更换。而X-37B飞行器则不然，军方可以根据不同的侦察任务为其安装不同的侦察设备，满足任务的多样化需求。

任务角色广受质疑

在两架X-37B飞行器顺利返回地面后，美国有关机构陆续发表了一些评述，使得这种航天器承担的机密飞行任务再度令人瞩目。前美国空军轨道分析员、现任安全世界基金会技术顾问的布赖恩·威登对此也做出了分析。他表示，X-37B飞行器在每次飞行之前都可以重新配置所携带的传感器设备，而这些设备或装置将取决于军方指挥员或情报机构对世界某些地区进行监视的需要。最后，在后勤保障工作方面，X-37B飞行器不存在与运载火箭相匹配的问题，与卫星发射任务相比，可能具有时间选择上的优势。

尽管许多人还在思考这种飞行器的真正属性，但一些美国专家已经公开表示质疑：究竟是否需要一种机器人般的空间飞行器。关注全球问题的美国科学家联盟发表了一份分析报告，认为X-37B飞行器可能具备的每一种任务能力都存在着成本更为低廉的替代手段。专家们希望奥巴马政府和国会重新考虑美国是否应该继续支持空天飞行器计划。

物理学家和航天安全专家劳拉·格蕾格是这个总部设在华盛顿的联盟中一名成员。她表示，并不是每个人都认为其必不可少，事实上，它的用处相当有限。X-37B飞行器的唯一主要好处也许是能够把试验或硬件送回地球以供检查，此前只有航天飞机具有这种能力。她还坚决主张，美国空军可以通过使用成本更低、效能更高的一次性使用航天器或以降落伞返回的航天器来实现同样的目的。

戴维·赖特称，X-37B飞行器的主要问题是找不到一项非他莫属的使命。他指出，不返回地球的其他系统利用远为低廉的成本，同样可以把有效载荷送入轨道、在太空改变轨道、与卫星对接以及释放多个卫星或其他有效载荷。

研究人员说，由于X-37B飞行器有效载荷舱的容积不大，只相当于卡车拖斗的大小，因此，其修理或回收卫星的能力没有多大意义。相比之下，航天飞机的有效载荷舱可以装下两架X-37B飞行器。作为发射卫星和太空武器的平台，与无需热防护瓦片和着陆轮的飞船相比，X-37B飞行器显然并不具备高效费比，也没有使用优势。

至于部署太空“舰队”的能力似乎有些凭空想象，专家们认为更不值得一提。X-37B飞行器在着陆时必须长距离滑行，极易成为敌方防空系统的打击对象，而这一软肋有可能使得美国空军花费重金获得几架太空战斗机的优势变得无足轻重。同样，由于存在运载能力有限、成本高和易受攻击等缺陷，用X-37B飞行器运载导弹或其他武器也非常不切实际。

与此形成对比的是，国内一些媒体在解读过程中有些过犹不及，主观地将X-37B飞行器渲染成为一种“太空战斗机”、甚至称之为“太空轰炸机”，似乎来自太空的打击转瞬即至。从推进系统的角度来讲，X-37B飞行器并不是真正意义上的空天飞机，只是具备了空天飞机从太空自主返回地面的能力，入轨仍然沿用了航天飞机的助推升空方式，目前尚不具备快速打击地面目标的能力。

因此，当一些媒体纷纷将X-37B飞行器演绎为全球敏捷打击的利器时，未免显得过于偏颇。客观来说，X-37B飞行器依然还是一种空间技术验证平台，主要是为美国航天战略目标发展服务。而在近年来已完成过三次发射试验的X-51A验证机才有可能发展成为全球敏捷打击的急先锋。

衍生型号昙花一现

在OVT-1任务的顺利结束和OVT-2任务的逐步展开期间，波音公司也在为一种更加雄心勃勃的X-37B飞行器的放大型寻求发展机会。2011年10月6日，波音公司鬼怪工厂在加利福尼亚州长滩举行的2011年美国航空航天协会太空会议上，首次透露了X-37B货运衍生型的研究计划。

在着手准备将商业货物和宇航员送往低地球轨道的关键技术验证期间，波音公司提出了X-37C计划，旨在为CST-100乘员飞行器提供一种备用飞行器。该项目基于当前正在与美国空军合作实施的OTV验证工作，将着手研制一种更大的货运飞行器，将能运输和回收国际空间站的大型更换部件，并降低将宇航员运输和撤离低地球轨道相关的自主运输的风险。

X-37C飞行器是一种比已经退役的航天飞机更灵活、更廉价的小型航天飞机。它装有一个能够容纳6名航天员的增压舱，可像它的前任一样无人驾驶，也能由航天员操纵。X-37B飞行器的改进与发展设想可以追溯到NASA在早期从事的OTV非军事研究，将分三个阶段逐步实施。

第一阶段将使用目前的X-37B飞行器开展将货物运往国际空间站的验证飞行。波音公司表示，按照目前的配置，从5米长的“宇宙神”5火箭的整流罩内释放以后，X-37B飞行器可以承担国际空间站的控制力矩陀螺仪、电池组和泵模块等大型货物的运输任务。

第二阶段将制造比例为165%的放大型X-37B飞行器。它的长度将达到14.3米，能够将大量的外场可更换部件等更大一些的载荷运往空间站。这种放大型X-37B将进行国际空间站的往返飞行，为第三阶段研制和发展载人衍生型铺平道路。

第三阶段将着手制造X-37C飞行器。在完成往返国际空间站的飞行验证后，波音公司将X-37B飞行器的放大型改装成一次可以运送5～7名宇航员的载人飞行器，实现在近地轨道之间的通勤式运输。与航天飞机不同，X-37C飞行器具有较小的尺寸，可以长期停留在空间站上作为应急救生艇。它将X-37B飞行器放大一倍，大约长18米、高6米、翼展9米，发射重量不超过30吨。

但是，X-37C计划似乎无法让NASA信服。波音公司强调，X-37C飞行器可能被研制用于为国际空间站运送货物和人员。然而NASA却将其描述为波音公司释放的一个“测试气球”，目的是判断NASA是否对此感兴趣。

负责商业载人发展计划的NASA副总裁威廉·戈斯滕梅尔认为，NASA研制载人空间运输飞行器的项目进展顺利，不会偏离目前的发展方向，因此X-37B飞行器的商业时代尚未来临。同时，他还表示，X-37C飞行器仅仅是一种替代方案，只有在其他商业发射备用平台遇到问题的情况下才会考虑用X-37C飞行器向国际空间站运输物资和宇航员。

目前，随着美国太空探索技术公司（SpaceX）在2012年顺利完成首次太空补给任务，X-37C飞行器的方案有可能只是昙花一现，最终束之高阁。

与NASA的态度截然相反，欧空局（ESA）则看好无人驾驶航天飞行器的发展前景，并着手制订了“创新太空飞行器”（ISV）研制计划，旨在发展一种类似X-37B飞行器的欧洲民用型。它将在多用途货舱内装载模块化有效载荷，作为一个试验平台在轨道运行，也可用于监测地球或维修卫星，并像X-37B飞行器一样自主返回地球，在常规跑道着陆。目前，ESA的各国成员国正在评估这个项目，以决定项目投资和启动时间。

军事威慑悄然成形

目前，X-37B飞行器已经在低地球轨道上持续飞行，魅影般地游荡在太空，背后隐藏着的诸多谜团依然扑朔迷离，有待进一步解读。颇有意味的是，美国空军在每次发射X-37B飞行器时都高调地对外宣布具体时间和现场视频，但是对于相关任务却非常保密，看似矛盾的做法实际上是醉翁之意不在酒。美国国防部的一贯做法是借助于军事技术和装备的绝对优势威慑对手，此番更是以貌似透明的X-37B飞行器发射升空，进一步凸显自身的太空优势，暗中宣示构建太空霸权的企图。

许多俄罗斯媒体对美国发射X-37B飞行器也表示出一些担忧。俄罗斯认为，美国空军的X-37B飞行器可能会威胁到俄罗斯的卫星，甚至可能会向太空运送天基反导武器，进而威胁到俄罗斯的国家安全。《起飞》的副主编弗拉基米尔·谢尔巴科夫认为，X-37B飞行器的设计理念就是为了摧毁敌方的卫星，实际上就是一种太空战斗机，一旦让对手失去负责通讯、情报、导航等职能的卫星，它就会陷入恐慌，完全孤立无援；反之，如果你也拥有同类装备，你的国家就具备了反制能力。

此前，五角大楼官员一直拒绝公开承认X-37B飞行器是未来太空战系统的一部分，坚称它是研究活动的试验平台。对于媒体关注这种秘密飞行器的有关细节，谢尔顿将军只透露该系统是“能改变战局”的关键平台，意指能在战争中决定胜负的战略能力。随后，美国的一些防务官员甚至口出狂言，称X-37B飞行器是美军“空海一体战”作战思想的未来武器系统核心之一，将在军事冲突时对迅速打败中国军队发挥至关重要的作用。

对此，美国一些媒体也有意大肆渲染，推波助澜。《华盛顿时报》网站在2012年4月11日刊文称X-37B飞行器将成为“空海一体战”的利器。报道援引一名防务官员的话称，X-37B飞行器将成为五角大楼全新“空海一体战”构想的关键组成部分。近年来，美国国防部提出了“空海一体战”构想，就是将空军和海军能力紧密结合起来挫败中国的反卫星武器等先进作战系统。未来在美国与中国发生冲突时，X-37B飞行器将在破坏中国太空侦察设备方面发挥关键作用。

2012年12月12日，《华盛顿时报》网站再次发表文章，透露五角大楼认为这种可重复使用的轨道飞行器是美国空军最先进的未来武器平台。报道称，美国空军在12日播发的视频中首次将X-37B飞行器称为“正在研究的导弹平台”，可以配备太空对地导弹，迅速攻击中国正在研发的网络战能力、新型“航母杀手”反舰弹道导弹和直升式反卫星导弹等高技术武器，具有强大的威慑能力。

军备竞赛初露端倪

有媒体认为，X-37B飞行器在太空试飞的任务之一就是监测中国的“天宫一号”空间实验室。美联社说，OTV-2发射时恰逢中国发射“天宫一号”，外界怀疑其目的是监视中国的空间站，但美国科学家对此坚决否认，称二者轨道模式不同，不可能在飞越彼此时实施监测。仔细分析，“神舟九号”与“天宫一号”空间实验室成功对接时，实时直播的视频画面已经将其呈现在世人面前，美国空军没有必要利用X-37B飞行器在太空中近距离观察。而当前日益紧张的伊朗核问题以及朝鲜半岛紧张局势已经足以让X-37B飞行器忙个不停了。

其实，美国“全球安全”网站首席执行官约翰·派克的观点应该引起关注。他认为，X-37B飞行器确实拥有某种用途，就是让某些国家一直猜测它的用途到底是什么。略显拗口的表述提醒我们，美国空军成功试飞X-37B飞行器进一步证明了美国正在逐步扩大航天技术优势，由此引起世界其他国家在太空领域的军事竞争将会更加激烈。

这一说法绝非空穴来风。考虑到美国的太空作战体系将直接削弱俄罗斯的战略威慑力，前俄罗斯空军总司令呼吁俄罗斯立即组建新的太空防御体系，以便积极应对挑战。2011年2月，美国《连线》杂志报道，俄罗斯军事空间事务负责人奥格列·奥斯塔平科宣布，为应对美国X-37B飞行器的挑战，俄罗斯正在发展一种小型、机动性强、可重复使用的空天飞机，并已完成机体设计。文章认为，俄罗斯发展类似X-37B飞行器的平台，就是看好了这种飞行器具备了小巧灵活、可重复使用的特点，可由常规运载火箭发射，更重要的是具备了潜在军事用途，力求以此扭转本国在太空领域的劣势。

类似的情况有可能出现在俄罗斯海军。2012年初，曾经担任过俄罗斯海军司令的弗拉基米尔·维索斯基在接受俄新社采访时就表示，2014年前将完成新型航空母舰的研制工作，在2022年后开工建造。据介绍，新型航母将不再是传统意义上的航空母舰，将作为一个多功能平台，在所有战场空间执行任务，不仅能搭载有人或无人驾驶作战飞机，也可搭载水下潜航器，更为重要的是，将会搭载空天飞行器，确保实现制天权、制空权和制海权的“三位一体”。

空间飞行器总体设计篇3

关键词：电动舵机通用飞机控制器直流电机

中图分类号：TJ765文献标识码：A文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0127-02

舵机作为自动飞行控制系统中的关键部件之一，其性能也直接影响到整个自动飞行控制系统中的工作。随着自动飞行控制系统的发展，舵机性能的提高成为进一步改进飞行控制系统性能的重要环节。目前一般飞机飞行1000h才允许出一次故障，所以对舵机的安全性和可靠性也提出了很高的要求[1]。

1舵机功能描述

本舵机适用于通用飞机，按照《中华人民共和国通用航空飞行管制条例》中的规定，通用航空，是指除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞行以外的航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业、矿业、建筑业的作业飞行和医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、遥感测绘、教育训练、文化体育、旅游观光等方面的飞行活动。用于这些活动的飞机称为通用飞机。[2]

本舵机为电动位置运动舵机，是自动飞行控制系统的执行机构，负责驱动固定翼飞机舵面运动，从而控制飞机的飞行姿态和轨迹。

本电动舵机接收自动驾驶仪发出的指令信号，经过舵机控制器处理，形成舵机控制电信号，驱动电机转动。电机经过齿轮系的减速后，输出合适的转速及力矩，通过钢索拉动舵面。本舵机还有安全保护离合，可以在一定情况下脱开舵机和舵面的连接。该舵机拥有较长的使用寿命和易维护性。

2舵机总体设计

2.1总体组成

本舵机由电机组件、机械传动机构、机械支架、电磁铁、继电器等部分组成。

（1）电机组件包括电机、编码器、舵机控制器三部分组成。

（2）机械传动机构包括齿轮减速箱、离合器、减速齿轮系、钢索绞盘等组成。

（3）机械支架包括舵机控制器的固定板、电机和电磁铁的支架、离合器支架等。起到对电机套件和机械传动机构的支撑和固定作用

2.2舵机的工作方式

舵机使用28V电源进行供电。电机通过齿轮减速箱、离合器、齿轮减速系带动钢索绞盘转动，拉动舵面运动的钢索缠绕在钢索绞盘上，钢索绞盘转动带动钢索拉动舵面运动。

舵机控制器使用串行通信接口与自动驾驶仪进行连接。舵机控制指令采用ASCII码格式，通信协议为标准串行通信协议。

在自动驾驶仪暂停或者停止工作时，离合器脱开，断开齿轮传动，从而脱开舵机和舵面之间的连接。使用离合器控制命令控制离合器时，通过自动驾驶仪给舵机控制器发送离合器控制命令，舵机控制器接收指令并发出离合器控制信控制继电器，继电器控制离合器的吸合。

3舵机部件的设计

舵机部件的基本选择要求：（1）满足功能和任务要求。（2）满足尺寸及重量要求。（3）电压一致性，就是简化舵机的供电，使用相同的工作电压。（4）工作稳定，使用尽量成熟的产品、部件或者结构。

3.1电机套件的设计

3.1.1电机的选择

有刷电机启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单，电刷换向器会磨损。但是碳刷换向器的使用寿命已经可以满足飞机飞行时间要求，考虑有刷电机的成本较低，故而选择有刷电机，工作寿命大于3000h。

3.1.2编码器的选择

磁编码器采用磁电式设计，利用磁器件代替了传统的码盘，弥补了光电编码器的缺陷，更具抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠高、结构更简单。由于舵机工作环境的复杂性，所以编码器选取磁编码器。

3.2机械传动机构的设计

3.2.1减速箱的选择

齿轮减速箱分为直齿结构减速箱、行星结构减速箱和混合结构减速箱。

在齿轮减速箱中，行星齿轮减速箱以其体积小，传动效率高，减速范围广，精度高等诸多优点，而被广泛应用于伺服电机、步进电机、直流电机等传动系统中。本舵机选取的也是行星齿轮减速箱。

3.2.2齿轮减速系和钢索绞盘的设计

减速系采用齿轮减速，电机输出转速经齿轮传动机构减速后将舵机（钢索绞盘）总输出转速减速至需要的转速，总输出转矩不小于舵面需要克服的力矩。通过电磁铁的控制离合器，可完成齿轮传动机构的啮合和松开。

4舵机测试

使用iHAWKSimbox仿真计算机对舵机进行测试，包括对舵机的功能和性能测试两个方面。

4.1舵机功能测

使用iHAWKSimbox仿真计算机给舵机控制器发送运动控制命令和离合器控制命令，舵机能够正确执行命令进行位置控制，并观察舵机离合能够按照命令正常吸合和断开。

4.2舵机性能测试

对舵机的带宽进行测试，给舵机输入形式为Asinwt的正弦波作为激励信号，以舵机的输出角度为输出，测试舵机的动态特性。

5结论

该电动舵机的部件选取合适，机械结构设计合理、耐用。功能上能够接收自动驾驶仪发出的控制指令并正确执行指令，能够通过离合器完成绞盘输出的断开和接通，动态特性能满足通用飞机对电动舵机的要求。

参考文献

[1]高金源，焦宗夏，张平.飞机电传操纵系统与主动控制技术（第一版）[M].北京，北京航空航天大学出版社，2005.

[2]通用航空飞行管制条例[Z].北京.

[3]徐军，欧阳邵修.运输类飞机自动飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4]闵荣，王永军，王俊彪.电动舵机快速设计技术研究[J].航空制造技术，2011（7）：72-75.

空间飞行器总体设计篇4

1制导总体方案概述

在巡航飞行器总体方案论证过程中，首先需要确定制导体制。巡航飞行器的基本制导方式为:飞行初中段为惯性制导;末段为惯导/GPS/主/被动雷达或者红外。新一代巡航导弹往往采用红外成像或主动雷达末制导提高精度。考虑到巡航飞行器的飞行环境为海面，不适合地形匹配及景象匹配制导，故此需要引入末制导导引头。考虑到导引头布放空间及天线可透波区限制，难以实现多模复合制导，故此考虑采用主动雷达导引头。经过多方案比较分析，确定采用“惯性+主动雷达末制导”的制导方案。飞行器末端飞行过程中要经历导引头开机，开机对飞行器姿态提出要求，同时考虑到开机过程的交班误差，对导引头开机时刻距目标的距离提出要求。捕获目标后考虑到突防需要又要转入低空巡航。众多因素需要综合考虑，其好坏直接影响末制导能力及性能好坏，需要结合制导能力及单机要求开展弹道设计。

2末制导交班误差分析

首先重点分析引起末制导交班误差的几大关键因素。当导引头捕获目标时，除了导引头自身的测量误差外，纵向上的主要误差为目标定位误差及目标机动误差。而横向上除了纵向的误差因素外，还有瞄准不准确所带来的横向误差。故此需要对以上3

3基于弹道、末制导能力及单机水平

的导引头开机方案分析图1中，以A点为圆心，OA为半径画圆，将交班区域划为2个区域:OBDC和OBEC。针对标准弹道射程，OBDC区域是可以覆盖的区域，OBEC区域是无法覆盖的区域(画斜线的区域)。其中覆盖区域指到导引头开机可以捕获目标的区域。因此，需针对标准瞄准点留有射程余量，考虑横向修正需要纵向具有更多的射程，同时考虑到一定设计余量，假设两项综合影响需要纵向射程余量为c(km)，则总需a+c的射程。因此，弹道标准瞄准点O定为:最大射程减去(a+c)km。确定弹道标准瞄准点后需要分析导引头开机点。导引头开机需要考虑如下因素:1)受到作用距离研制水平限制，需要结合弹道特征、下压能力及修正能力综合考虑;2)由于导引头工作时伺服机构转动框架范围的限制和搜索捕获目标的需要，对开机时的弹头姿态提出严格要求;3)导引头开机工作时，需要考虑保证末制导修正能力，同时需要考虑弹道最大射程及攻击覆盖范围，从而确定最佳开机点。根据如上因素，在此参考图2进行末制导能力分析。头指标约束，可以得到方案弹道的关键点要求如图3所示。考虑最优比例导引过载变化特性及选取的有效导航比，低空巡航平均过载修正能力为nav。按过载修正能力nav计算，若修正最大b(km)的横向交班偏差，考虑低空巡航速度为Vlow时，则需要导引头至少有d(km)用于修正的航程。此时，导引头开机点A距O点为d(km)，距最远射程点F为(a+c+d)km。对于交班椭圆的远端半椭圆区域，横向交班偏差小于b(km)，航程大于f(km)，因此修正能力足够。对于交班椭圆的近端半椭圆区域，考虑到其中任一点的弹目距离都大于所需修正距离，故此修正能力足够。因此，设定导引头距最远射程点F点为(a+c+d)km开机(最小距离开机点)。考虑导引头开机时的姿态要求，需要为姿控系统稳定留出一定时间，假设需要g(km)，因此，需要弹道下压稳定时的G点距最远射程点F至少为(a+c+d+g)km。同时，为保证攻击精度，要求弹道下压到低空时，需稳定飞行e(km)航程然后到达目标点。目标点最近为D点，因此，弹道下压到低空时距最远射程点F至少要有(2a+c+e)km。

4末制导要求的确定

4．1弹道关键点要求根据上述分析结果，结合制导能力分析和导引

4.2从目前主动雷达导引头的研制水平来看，考虑雨衰影响，作用距离的极限为R(km)，开机点距离最远射程点F为(a+c+d)km，需要保证(a+c+d)＜R(km)，才可以满足小雨情况下的工作距离要求。

5制导系统仿真验证

为了进一步验证制导对弹道要求的正确性保证末制导方案的可行性，考虑到各种产品、方法与单机工具误差建立各种误差干扰模型，并根据误差种类的不同分为各种不同弹道用例，详细分析各种误差干扰对命中精度的影响。考虑到制导系统与姿控系统的紧密耦合，结合姿控系统的实现能力及舵机模型，综合各种误差模型进行制导姿控联合六自由度数学仿真，充分验证制导姿控系统性能，并检验制导控制系统是否满足总体技术指标要求。在此考虑到各类偏差影响，得到总均方和误差如表1所示。从表1可以看出，在各种误差干扰影响下，在保证捕获目标的前提下，低空飞行的最大高度误差、马赫数误差及合成攻角都符合任务要求，同时最终的纵向脱靶量、横向脱靶量、速度偏差、弹道倾角与攻角也满足任务要求。在此考虑最大横向交班偏差条件下的仿真，如图3所示的B点，得到的仿真结果如图4～5及表2所示。从图5中可以看出对于B点可以实现横向修正，俯仰姿态角的姿态保持效果很好，姿态变化不超过0．3°。从表2也可以看出在此偏差条件下，低空飞行的最大高度误差、马赫数误差及合成攻角都符合指标要求，同时最终的纵向脱靶量、横向脱靶量速度偏差、弹道倾角与攻角也符合指标要求。

空间飞行器总体设计篇5

关键词：飞行器；设计；仿生学；应用

随着我国航空航天技术的不断发展，我国飞行器技术自主设计研究领域得到了极大的发展。在这一研究过程中，大量传统设计技术得到了创新性发展，为设计质量提升提供了有效的支持。其中仿生设计技术，作为一项传统的设计技术理念，在当前的飞行器设计中得到了广泛应用。因此飞行器设计技术人员，结合仿生技术传统与新型理念，开展了针对性的设计技术研究，为飞行器设计质量提升提供支持。

1飞行器设计中常用的仿生学理念

仿生学作为一门传统的设计与技术学科，几乎伴随着人类历史产生，并在1960年确定了“仿生学”科理论。仿生学在实际的应用中包括了力学、能量、控制、应用等各种科学理论内容。单就飞行器设计领域而言，我们常用的仿生学理念包括了以下几类。

1.1形态仿生

形态仿生是通过对动植物的形态进行模仿的仿生学科，也是人類最早的仿生类型。在飞行器设计中，从最早的滑翔机到航空航天飞行器都有明显的形态仿生特征。如最早的达芬奇绘制的飞行器设计图中，就是通过模仿蝙蝠形态进行的设计。在当前的飞行器设计中，形态仿生设计理念极为普遍。如双翼形态、流线性体型、尾翼平衡状态等，都是对鸟类形态的一种仿生设计。同时部分设计研究者还提出了模仿鱼类、昆虫等身体形态，进行飞行器形态设计。如科拉尼在1977年为波音公司设计一款飞机，就模仿了海洋动物巨齿鲨，颠覆了已有飞行器的传统形态。而在当前微型无人机设计中，设计者往往模仿昆虫类动物形态开展设计工作，为飞行器形态发展提供新的发展思路。

1.2功能仿生

功能仿生是指在飞行器设计中，通过对动物的功能进行模仿，进而为飞行器技术功能的实现提供帮助。在飞行器设计中，功能仿生的应用也较为普遍。如在飞机降落过程中，为了提高起落架的安全性，设计者模仿鸟类脚步弹性减震作用，设计出弹性减震起落架，提高了飞行器起落中的安全性与舒适性。而在夜间航行中，设计者模仿蝙蝠微波导航作用，设计出雷达导航系统，提高了飞机夜间飞行的安全性。随着飞行器设计的不断进步，其对于动物的功能模仿也更加深入，其中较为明显的是航天器设计中设计者通过对墨鱼喷射功能的模仿，设计出的飞行火箭与导弹飞行功能，在当前的航天飞行设计依然得到了广泛采用。又如在飞行控制过程中，将象鼻虫对于视动反应的功能进行仿生研究，研制出自相关测速仪设备，用于在飞行器降落过程中用于飞机着陆速度测定工作，提高了飞机降落的安全性。

1.3肌理仿生

肌理仿生是一种新型的仿生学技术，其技术理念就是通过对动物肌理特征与构成进行研究，通过仿生技术为飞行器设计提供支持。与形态仿生比较，肌理仿生在应用中更重视表面材料与结构构成的内在特性。如设计者通过对昆虫类动物（如甲虫类、瓢虫类动物等）外壳肌理构造进行研究，并将其肌理构造应用与飞机外壳设计，既可以很好的降低飞机整体重量，同时提高了飞机外壳的坚固性。作为一项新型的仿生技术学科，肌理仿生在飞行器设计中依然居有较大的上升空间，进而为飞行器设计提供新的发展空间。

1.4意象仿生

意象仿生是设计者对自然现象以及动物特性进行观察、分析、思考、总结，并将其引入飞行器设计，形成整体化设计体系的一种仿生理念。与其他仿生技术比较而言，意象仿生更加注重理念与设计思维模式的实现，因此其对设计者提供了较高的设计要求。因此在意象仿生设计中，往往通过设计名称就可以对飞行器特点产生直观认识。如著名的“金雕”苏-47多功能战斗机，就是利用对金雕飞行速度与战斗力的体现，对战斗机进行命名。与之相同的飞行器命名方式还包括了“大黄蜂”、“猛禽”战斗机，“全球鹰”无人侦察机以及“蜜蜂”系列微型直升机等。

1.5人体仿生

在当前的飞行器设计中，仿生学的应用不仅局限在动物仿生阶段，人力仿生学也得到了有效的应用。这种应用主要应用在以下两个内容。一是在载人飞行器的内部设计中，人体仿生与人力力学的应用，可以提高飞行器驾驶与乘坐者在飞行过程中的舒适性。如使用人体仿生学设计的飞行器座椅，可以降低驾驶员与乘坐者的疲劳感，保障了长途飞行的感受质量。二是提高了飞行中的技术性。对于部分技术性与危险性较高的飞行问题，人体仿生学也可以发挥出重要作用。如在载人航天飞行中，利用人体仿生学设计的机械臂设备代替宇航员完成太空作业，可以很好的提高宇航飞行的安全性。

2仿生学在飞行器应用中的应用意义

在我国与国际飞行器设计研究中，仿生学的应用一直是设计者应用的设计理念。在未来的飞行器设计中仿生学的应用可以发挥出以下作用。

2.1提高飞行器整体性能

在飞行器设计领域中，仿生技术的应用对其飞行、降落、应用等各项功能都有着重要的促进作用。因此在未来的设计领域中，仿生学的应用在飞行器设计中可以起到良好的性能提升作用。如利用肌理仿生技术理念，我们可以利用飞行器涂料的技术，减少飞行器飞行中阻力进而提高其飞行速度，就是利用仿生技术提高飞行器飞行性能的一种技术措施。同时在飞行器辅助性能的技术设计中，仿生技术也发挥着重要作用。如在飞行器导航系统设计中，我们可以借鉴候鸟飞行中的导航原理，利用gps、北斗等定位系统实现信息化导航模式，设计出全新的导航系统，提高飞行导航技术的安全与稳定性。

2.2实现飞行器环保性能

随着社会环保意识的不断加强，利用仿生技术实现飞行器的环保性能，也是仿生学在飞行器设计中的重要作用。如在小型飞行器设计中，我们可以利用形态仿生原理，提高飞行器对气流、空气浮力的利用率，进而降低飞行中对于油、电能源的消耗，进而提高其环保性能，就是仿生学在飞行环保性能中的促进作用。同时在飞行器配套技术的应用中，仿生学也可以发挥出重要的环保作用。如在客机设计中，我们可以利用仿生学原理为客机提供环保的服务系统，如可再生材料的座椅设备等，继而实现其设计的环保理念。

2.3为飞行器设计提供新的思路

飞行器是人类技术发展的重要产物，其设计发展依然具有较大的设计空间。但是在目前的飞行器设计领域中，设计者遇到了技术瓶颈，造成了新型飞行器设计创新困难的问题。在当前的飞行器外形设计中，我们将设计目光从鸟类仿生转移到鱼类仿生中，利用海洋鱼类防水阻力的外形特性，利用仿生技术提高飞行器的飞行性能，如在未来飞行器设计中，设计者利用仿蝠鲼（即魔鬼鱼）形态，提出了大型客机的设计理念，为未来大型与超大型客机设计提出了新的技术思路。

总而言之，仿生学原理在飞行器设计中的应用，一方面提高了飞行器的技术含量，提高了飞行器飞行、导航、服务等各项功能的发展；另一方面为新型飞行器设计提供了新的发展思路。在形态仿生、功能仿生、肌理仿生、意象仿生以及人体仿生技术支持下，我国的飞行器设计工作将迎来新的时代。

参考文献

[1]江牧.工业设计仿生的价值所在[J].装饰，2013（04）.

空间飞行器总体设计篇6

关键词：集成化；设备；两自由度

引言

现代飞行器正向着紧凑化的方向发展，内部安装设备空间狭小，另一方面设备和电缆的数量也成倍增加，布局紧凑，操作开口少，设备的安装固定困难，而且大都具有测更换的需求。采用传统的设备单独固定的安装方案，安装结构重量大，内部设备更换维修困难，可维护性较差。为提高飞行器的可维护性，需要新的仪器设备安装模式。

1集成化两自由度安装方案

部分现代飞行器由于内部设备、电缆布局需要，设备布局在飞行器中间部位，不能直接固定行器结构上，因此也就无法使用传统的安装方案。

为节省安装结构重量，可采用多个设备集成在一起，整体水平安装固定的方案，但由于设备组合体总重较大，安装时需要使用辅助工具进行吊装。如进行水平吊装，需要针对组合体质心位置设计起吊工装，对装配操作空间要求也较大，难以实现。

集成化两自由度安装方案采用竖直吊起，滑动和旋转同时进行的方案，具体的装配过程如图1所示。首先借助辅助工具将设备组合体起吊，将其旋转轴固定到旋转轴座上，在辅助工具吊装力辅助作用下，进行两个自由度的运动，最后水平推送到飞行器内部，通过外部的锁紧机构进行锁紧。

此种安装方案，对于吊装姿态精度要求不高，不用单独设计工装，装配过程中始终可以借助外部辅助工具的吊装力，由于存在沿轨道移动和旋转两个自由度，并可以根据飞行器内部空间情况，进行不同移动距离和旋转角度的组合，使得其更适合狭小内部空间的操作。

2设备集成化两自由度安装机构研究

设备集成化两自由度安装机构由旋转轴，旋转轴座，直线公、母滑道，支撑件，锁紧机构等机构组成，如图2所示。旋转轴和设备组合体通过螺栓固接在一起，吊装过程中旋转轴放入旋转轴座中，旋转轴可绕旋转轴座转动，旋转轴座可沿固定在飞行器上的母滑道直线移动，安装到位后通过固定在飞行器上的锁紧机构对设备组合体进行最终固定。

旋转轴座起到旋转导向作用，具体形式如下图3所示。在安装前为使旋转座准确定位，可将其通过销钉固定在直线母滑道上，吊装过程中将与设备组合体连接的旋转轴放入旋转轴座，确认吊装到位后拆卸销钉，释放水平移动的自由度。

起到水平导向作用的结构为直线母滑道。其内部一侧为燕尾槽形，另一侧矩形的滑道，旋转轴座底部采用与母滑道配合的滑道形式。

直线公滑道固连在设备组合体上，也采用与母滑道配合的滑道形式，导向机构的具体结构形式为图4所示。安装过程最后阶段需设置较短行程的水平移动轨迹，使得直线公滑道和直线母滑道配合，从而限制设备组合体的转动，将其自由度减小到1个。

在飞行器可操作区域设置一套锁紧机构如图5所示，与限位机构配合，限制水平移动自由度，实现设备组合体的最终固定。

3结束语

设备集成化两自由度安装机构可以实现设备组合体的整体安装固定，并提供安装导向，可根据飞行器内部空间选择不同的旋转和平移两自由度的组合，适用于装填比大、操作空间受限的新型飞行器，有效提高飞行器的可维护性。

参考文献