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0引言
可重复使用运载器（Reusable Launch Vehicle,RLV）是指可以重复使用、能够快速穿越大气层、自由往返于地球表面与太空之间的多用途飞行器。它既可以快速、便利地向空间运送有效载荷，也可以较长时间在轨停留和机动，完成任务后，又可安全、准确地降落在地面，是航空、航天技术高度结合的产物。近半个世纪以来，航天技术的成就极大地推动了人类的进步，但高昂的发射费用却令人望而生畏，阻碍了人类航天活动的快速发展。快速进入空间，并降低进入空间的费用，一直是人们期望的目标[1]。可重复使用运载器与一次性运载器的重要区别在于可再入大气层、降落在指定地点、进行简单维修或更换少量部件后又可再次执行飞行任务。它不仅可以通过完全重复使用来降低运载器的硬件成本，而且还能大大简化地面操作和设备，显著减少地面操作费用，是比较理想的航天运输工具[2]。普遍认为航天飞机是第1代的可重复使用运载器，而近年来世界各航天大国正积极研究开发第2代的可重复使用运载器，它将是未来实现快速、机动、可靠、廉价进出空间的重要途径。
第2代可重复使用运载器需要有极强的自主性、安全性和可靠性，这就要求当面临再入条件变化、飞行故障和任务重构条件时，飞行制导和控制系统仍有能力将运载器安全导引到指定的区域。因此，作为第2代可重复使用运载器核心关键技术之一的制导控制技术必须具有极强的鲁棒性和自适应性。
1可重复使用运载器发展概况
可重复使用运载器是航天运输系统发展的必然趋势，它不仅具有重要的民用价值，更具有重大的政治和军事价值。20世纪中期，冯布劳恩和钱学森就提出了重复使用天地往返运输系统的概念。美国在可重复使用运载器的研究方面起步早、投入大，1981年就完
成了哥伦比亚号航天飞机的首次成功飞行，标志着天地往返运输系统实现了部分可重复使用。显见的是，美国在其可重复使用运载器研究领域一直走在世界各国的前列，代表着世界发展的最高水平。同时，世界其它航天大国也纷纷推出自己的第2代可重复使用运载器方案和研制计划，包括吸气式空天飞机、以火箭为动力的单级或多级入轨重复使用运载器等。下面简要地给出世界各国的可重复使用运载器发展概况。
1.1美国
美国一直将确保进入空间的能力作为未来军事战略的首要目标，对可重复使用空间运输系统给予了高度重视。1981年，美国研制成功世界上第1架能部分重复使用的航天飞机，这是人类迄今为止第1个能往返于空间轨道和地球之间的实用型运输飞行器，但同时也是运行费用最为昂贵的飞行器。随着使用寿命即将到期，美国急需另外一种能够载人的飞行器进出空间。
1986年，里根总统提出研究跨大气层国家空天飞机（NASP）的设想，但由于研制费用过高，且研制进度严重拖后，该项目在1994年便停止了。进入20世纪90年代，NASA在研制航天飞机方面处于领先地位，分别与美国空军及波音、洛克希德等公司先后研制了DC-XA、X-33（见图1）、X-34、X-37（见图2）、X-40、轨道空间飞机（OSP）和X-43等试验性空间飞机，上述计划有的已经完成（DC-XA），有的已经停止（X-33、X-34、OSP等），有的还在进行之中（X-37、X-40、X-43等）。
NASA当前的重点项目之一是研制乘员探索飞行器（CEV），期望用其替代2010年即将退役的航天飞机[3]。美国空军目前则侧重发展空间作战飞行器（SOV）和空间机动飞行器（SMV），这在美国空军公布的转型飞行计划（TFP）中有了充分体现，TFP计划明确提出研发一种随时可以调用、具有空间运输和作战能力的空间作战飞行器SOV，SOV可在各种弹道轨迹上飞行，能重复使用，用于执行范围广泛的空间控制任务。SOV在军事上的作用非常突出，它能在48 h内将空间机动飞行器（SMV）、通用航空器（CAV）或普通载荷发射升空，具有按需快速升空、高发射率、任务间隔时间短、类似飞机等特点。
其它研制活动有基斯特勒宇航公司在研的K-1垂直起飞、两级入轨不载人完全可重复使用运载器，以及私人研制、运营的可重复使用运载器太空船1号，它已经在2004年成功进行过两次飞行并顺利返航，预计到2020年左右，太空船1号可以以10万美元的价格向游客提供私人太空旅游服务[3]。
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1.2俄罗斯
俄罗斯暴风雪号航天飞机的成功飞行，表明已掌握了部分重复使用运载器技术，并具备了研制新一代重复使用天地往返运输系统的技术基础。俄罗斯在1991年又成功地进行了液氢燃料亚燃/超燃双模态冲压发动机飞行试验，在世界上首次实现了有推力的超燃，取得了突破性进展。目前，俄罗斯在载人重复使用航天器研制方面最受关注的是能源火箭航天公司正在研制的新一代可重复使用载人航天飞行器——快船号（见图3）。
快船号可以搭载6名宇航员进入轨道并返回地球，此外还能携带有效载荷往返于国际空间站（ISS），并能用于未来开发太空旅游项目或进行深空探测。快船号已列入俄罗斯航天局2005~2015年航天规划，将逐步取代现用的联盟号飞船，并计划于2010年进行首飞。但受困于经费不足，快船号的研制进度仍不明朗，俄罗斯正积极寻求国内外的合作。有报道称俄罗斯计划在2010年前完成基于快船号的新一代重复使用载人飞船的设计，新飞船名称暂定为罗斯，它将不仅用于近地轨道飞行，还将用于月球开发。
1.3欧洲
欧空局（ESA）从1994年就开始执行未来欧洲航天运输研究计划（FESTIP），提出了18种概念设计方案。1998年底FESTIP计划结束后，欧空局又启动了未来运载技术计划（FLTP），主要任务是继续选择和确定可重复使用运载器方案，发展和验证研制新一代欧洲运载器所需的技术。原计划在2007年研制欧洲的重复使用运载系统，2015年左右投入使用。但由于欧空局是由多个国家组成的松散技术联盟，它们之间在计划协调、合同分配等方面存在各种各样的问题，因此进展十分缓慢。2001年，欧空局在FLTP计划基础上提出制定一个新的计划——未来运载器准备计划（FLPP），经过近2年时间的研究和讨论，最终该计划在2003年5月正式开始执行，FLPP计划对未来10年欧洲可重复使用运载器的发展制定了详细的计划安排，欧空局将在2013年左右决定是否研制下一代可重复使用运载器。目前正在利用凤凰号飞行器（见图4）进行自动水平着陆试验，首次着陆试验已取得圆满成功，后续还将进行高超声速飞行试验、轨道再入试验等。
1.4日本
日本为了成为世界航天大国，在未来高技术战争中抢占制高点，已投入大量资金进行可重复使用运输系统的研究。早在1997年就制定了重复使用运载器发展计划，近期目标是在2010年左右研制出以火箭发动机为动力的可重复使用运载器，远期目标是在2020年左右研制成功以吸气式/火箭组合发动机为动力的空天飞机。因此，日本把开展HOPE-X飞行验证机作为近期的发展重点，进行关键技术攻关和概念性系统研究。
从1994年开始先后成功地进行了自动着陆飞行试验（ALFLEX）、高超声速飞行试验（HYFLEX）、轨道再入飞行试验（OREX）等3项飞行试验，目前正在进行高速飞行验证计划（HSFD）飞行试验。所有这些验证计划都是对关键技术进行攻关和试验，并针对自动着陆与低空飞行技术、高超声速飞行器的设计和制造技术、大气层再入技术进行演示验证。
1.5印度
印度提出了可重复使用的氢燃料单级入轨空天飞机方案，它采用涡扇冲压/超燃冲压/火箭组合系统和液化空气技术，目前超燃冲压发动机已进行了点火试验。有报道称印度计划将在2009年至2010年间进行可重复使用运载器技术验证机（RLV-TD）的飞行试验。
2可重复使用运载器再入段的特点
可重复使用运载器是迄今为止飞行过程最为复杂的一种运载器[4]。特别是对于可重复使用运载器的再入阶段，需要在具有极大初始再入动能和势能条件下，将运载器平稳安全地导引到既定的着陆区域，同时又使过载、动压和气动加热处于允许范围内，这是可重复使用运载器面临的主要工程应用问题，也是其区别其它飞行器的显著特征。下面从不同角度给出可重复使用运载器再入阶段的主要特点：
a）飞行高度：从地球轨道到跨越大气层，再到水平着陆的大空域飞行过程。
b）飞行速度：在将巨大动能和势能转化为热能的过程中，飞行马赫数变化剧烈，经历高超声速、超声速、亚声速直至着陆的飞行状态。
c）飞行阶段：再入飞行环境复杂、飞行状态变化快，使得可重复使用运载器的再入飞行过程可分为几个复杂的飞行阶段，既有为快速减速以穿越高热流区的大攻角初始下降飞行段，又有为进行任务航程规划和空间机动的滑翔飞行段，还有为进场着陆做准备的能量管理段等，从而使得可重复使用运载器的飞行阶段相比其它飞行器复杂得多。
d）飞行约束：对再入过程中的最大过载、热流、动压和总加热量等具有苛刻的约束，同时要求可在无动力、无复飞能力的条件下，实现可重复使用运载器的自主、精确水平着陆。
e）飞行控制：再入飞行过程中动压变化剧烈，气动参数偏差和干扰严重，使得单一控制方案和控制执行机构设计的难度很大。在大空域、高动态再入飞行条件下，如何有效协调不同执行机构，提高再入飞行控制的自适应性和鲁棒性是个难题。
f）机体结构：巨大的再入速度、高升阻比的结构外形，使得可重复使用运载器在再入过程中将面临严重的气动加热问题，从而使得可重复使用运载器的防热结构质量将占机体总质量的很大一部分。可重复使用运载器再入段防热材料和防热策略选择也是再入过程研究中的一项关键技术。
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3可重复使用运载器再入制导技术
再入制导技术是可重复使用运载器研制中的一项核心关键技术，它可在高动态再入飞行过程中缓解对防热、气动和过载等的苛刻条件，以实现精确平稳地自主水平着陆。有关可重复使用运载器再入制导的研究较多，早期研究主要是针对航天飞机展开的，而近期一系列的研究主要是面向美、欧等第2代可重复使用运载器计划而开展，以满足对更高自主性、安全性和可靠性的需求。
一般可将再入制导分为两大类：标准轨道法和预测制导法。标准轨道法具有控制律简单、容易实现、对机载计算能力要求较低的优点，但也存在落地控制精度低、受再入初始条件误差和扰动因素影响大的不足。相比较而言，预测制导法的控制较复杂，对机载计算能力要求较高，该方法可以根据再入飞行的当前状态及预测落点偏差在线调整控制指令，因而对各种再入误差有较强的鲁棒性，能满足自主精确再入的要求。
再入制导技术自20世纪50年代至今，已持续发展了半个多世纪。对升力式再入飞行器而言，20世纪70年代以后，相关研究主要是针对航天飞机而展开的，而针对航天飞机的再入制导律[5]也是迄今唯一成熟的、反复经受了工程实践检验的升力式再入制导方法。然而，从20世纪90年代初开始，为满足新一代天地往返可重复使用运载器对自主性、安全性、可靠性和精确性的苛刻要求，开展了大量新型再入制导技术的研究开发和验证工作。比较典型的研究工作有美国NASA在1999年启动的以X-33为背景模型的先进制导与控制项目（AGC），该项目研究计划已完成了对多种制导控制技术的测试和评估工作。下面对为第2代可重复使用运载器而开发的几类主要再入制导方法进行简要分析。
3.1线性二次调节器（LQR）再入制导方法
这是AGC项目下由马歇尔航天中心开发的再入制导方法
[6]，属于跟踪参考剖面的类型。纵向参考剖面由相对于能量的参考状态（剩余航程、高度和弹道倾角）和参考控制量（攻角和倾斜角）组成，通过现有的参考轨迹设计方法预先生成，跟踪所需的控制信号通过线性二次调节器获得，侧向制导则是根据侧向走廊进行周期性的倾斜角反向。该再入制导方法的适应性不如具有机上生成参考轨迹能力的方法，但对各种初始条件具有很好的鲁棒性。另外，由于该方法对大部分轨迹来说制导增益都是独立的，因此对于不同的初始条件要预先计算出增益值储存在机载计算机中。
3.2预测-校正方法
预测-校正方法[7]根据实际飞行条件，用牛顿法和数字积分法选择参数，在线得到一条可行轨迹。一般来说，该方法的攻角是马赫数的函数，倾斜角为由几条近似线段组成的剖面。对参考控制量的校正过程大都采用了经验方法：首先通过大量的飞行仿真，建立一系列控制量增量与相应落地偏差之间的数据库和相应的误差曲线。当通过快速预测法发现落点有偏差时，根据偏差量与控制量增量间的误差曲线，来求得相应的控制量增量。
3.3准平衡滑翔方法
准平衡滑翔方法是AGC项目资助下由爱荷华州立大学开发的一种再入制导方法[8,9]。使用准平衡滑翔条件，将二维再入走廊的不等式约束直观体现于倾斜角-速度剖面内，从而将参考轨迹的优化设计问题转化为单参数搜索问题，使机上实时生成参考轨迹得以实现。
准平衡滑翔制导也可分为纵向制导和侧向制导两部分。准平衡滑翔条件主要用于纵向参考轨迹的生成。纵向参考轨迹的设计分为3段：初始下降段、准平衡滑翔段和末端能量管理准备段。其中初始下降段和末端能量管理准备段分别通过从再入初始点开始正向积分和从再入段终点进行逆向积分得到。准平衡滑翔段是开发者认为的主要飞行段，其纵向参考轨迹的倾斜角曲线被设计成只需搜索一个设计参数的分段线性函数。纵向参考轨迹跟踪律则使用了LQR方法。
对于侧向制导，准平衡滑翔方法使用的是一种预报制导方法，它通过不断实时计算并预估横向飞行状态，来确定倾斜角的反向点。
3.4演化的加速度制导方法
演化的加速度制导方法[10~12]是在AGC项目资助下由加利福尼亚大学开发完成的。它是将航天飞机的二维再入轨迹规划方法扩展到三维空间，同时考虑了纵向和横向运动，并在降阶模型基础上生成阻力和横向加速度剖面，再基于非线性控制器实现反馈线性化来生成倾斜角和攻角指令，以跟踪参考阻力和航向剖面。
EAGLE具有机上生成参考轨迹的能力，不但考虑了轨迹设计的可行性，还考虑了轨迹设计的优化性。
在AGC项目对所资助制导方法的评测报告中[13]，EAGLE是综合得分最高的两套再入制导方法之一，而另外一套方法为上文所述的准平衡滑翔方法。
3.5自适应制导方法
自适应制导方法[14]是一种自适应反演制导方法，它由两部分组成：在线自主轨迹重构算法和可重构控制器。该方法首先根据任务特点建立离线轨迹优化模型，以设计生成可行轨迹数据库，这其中包括了各种故障状态下的最优飞行轨迹。在再入过程中通过实时测量或在线辨识得到飞行器的当前状态和关键参数，不断调整轨迹形状。这样，轨迹可以在线重构以补偿控制面故障和其它异常事件导致的飞行器动力学改变。制导律中的可重构控制器则采用了反演结构来生成轨迹要求的俯仰角速率指令。
在进一步的研究中，制导律的开发者[15]改进了在线轨迹生成算法，提出了一种新型最优化方法，大大提高了优化速度，表明这一先进自适应制导在严重控制作动器失效和各种扰动情况下能进行快速、精确的轨迹重构，便于更换着陆场，实现平稳安全的降落。
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3.6最优非线性反馈制导方法
最优非线性反馈制导方法[16]使用了近年来发展起来的伪谱方法。很明显，可重复使用运载器的在线、实时、最优轨迹生成能在节约成本的同时充分提高安全性，然而事实证明这是最优控制理论中最具挑战性的课题。目前，使用伪谱方法的制导律能够补偿大的不确定性和扰动，并能大大增强安全性，对于处理上述问题表现出了很大的希望。该制导方法首先建立了再入飞行器的标准三自由度动力学模型，并采用了X-33模型的理论曲线拟合，使用伪谱最优非线性反馈控制生成实时最优轨迹更新指令。
该再入制导方法具有2个显著的优势：一是不需要反馈计算时的任何先验知识，也即不需要预测算法；二是具有从故障和异常状态下恢复的能力，而通常这些情况在没有快速轨迹重构时是不能够被恢复的。
3.7混合制导方法
混合制导方法[17]将再入轨迹在线生成技术、基于阻力加速度飞行剖面的跟踪制导技术和数值预测制导技术进行了有机结合，其中在线生成的再入轨迹能够向轨迹预测制导算法提供初值，以加快轨迹预测制导算法的收敛速度；轨迹跟踪控制器控制再入吸热，使再入轨迹满足再入走廊约束；而数值预测算法则对再入轨迹进行快速预报，生成合适的制导指令，将可重复使用运载器精确导向目标。初步仿真分析验证了该制导方法的可行性，但仍需进一步开展横程预测、轨迹生成器自动初始化和误差条件下散布分析等方面的研究。
4可重复使用运载器再入制导关键技术
在可重复使用运载器制导方法的研究中，目前主要有基于标准轨道的制导方法和基于轨道预测的制导方法两种。对于继航天飞机之后的第2代新型可重复使用运载器，需要有极高的自主性、安全性和可靠性，并具有执行多种任务的灵活性，同时又能大大降低研制生产和运行的成本。这些都对可重复使用运载器新型制导方法的研究提出了挑战，需要综合考虑气动加热约束、弹道约束、能量约束、动压约束、控制约束及环境因素等，还需要求解复杂非线性最优化问题、智能自适应控制问题、大范围初始参数散布问题，以及不确定性系统偏差问题等。下面探讨给出第2代可重复使用运载器制导技术中值得深入开展研究的几项关键技术。
4.1实时、在线最优轨迹生成和重构技术
与第1代航天飞机相比，第2代可重复使用运载器着重强调的是运载器飞行的自主性、安全性和可靠性，并大大降低运行维护的成本，减少前期任务设计的工作量。这就要求在出现控制面失效和各种异常故障状态以及大的扰动和不确定性影响时，运载器能够自主进行实时、在线的最优再入轨迹生成和重构，以满足可重复使用运载器安全降落和临时更换着陆场的需要。这一技术在面对各种苛刻的弹道、气动、结构、控制约束及边界要求时，将变得极为复杂，但却对未来可重复使用运载器的安全性具有极为重要的作用。
4.2快速数值预测技术
再入制导常用的标准轨道法虽然具有控制形式简单、易实现、对机载计算能力要求低的优点，但同时也存在着落地控制精度低、易受各种误差和扰动影响的缺陷。随着计算能力和数值算法的进步，预测制导法将被广泛应用于新一代可重复使用运载器中。使用快速数值预测技术，可进行剩余轨迹、可行轨迹和各种误差及扰动因素影响的快速预测，为实现实时、在线的自主预测制导方法提供了可能。
4.3最优控制、自适应控制和智能控制在再入制导中的应用技术
对于新一代可重复使用运载器，在制导控制系统中采用传统的反馈控制律会制约整个系统的性能，并可能降低系统的安全余量，已无法满足再入飞行器高动态、强不确定性条件下对自主性、安全性的苛刻要求。有研究表明[18]，使用最优控制技术的再入制导在作动器失效等故障情况下仍能进行轨迹的重构。而在再入制导中使用自适应控制和智能控制方法，不仅能使系统对各种参数误差、外界扰动和不确定性具有强鲁棒性，还能在控制作动器失效等故障或临时变更任务更换着陆场情况下，实现在线轨迹指令重构和制导增益自适应。可以认为，最优控制、自适应控制和智能控制等理论在再入制导中的应用，将是未来可重复使用运载器满足其设计开发初衷的一种必然选择。
5结束语
随着空间利用在国家安全和经济社会中作用的日益凸显，航空与航天技术高度结合的新一代可重复使用运载器将成为未来世界航天运输系统发展的主要方向。
另外，据研究统计，美国、俄罗斯、欧洲和日本自1990年以来的各种运载器故障中，42.5%可以通过先进制导控制技术来解决[19]，从中可以看出先进制导控制技术对于未来可重复使用运载器安全可靠飞行的重要性。不仅如此，开发先进的制导控制技术更可以减小可重复使用运载器先期任务分析、规划的代价和时间，大大节省成本。
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