临近空间太阳能无人机横航向变质心控制技术

王克帆，邱潇颀，高长生，荆武兴

（哈尔滨工业大学航天工程系，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引 言

近年来，随着太阳能电池技术的不断发展，临近空间太阳能无人机重新成为世界各国军事研究的热点。由于其具有飞行高度高、工作寿命长、覆盖范围广、使用成本低的特点，因此可以弥补飞机平台高度低、时间短以及卫星平台成本高、侦查密度低的缺点，是执行侦查预警、目标跟踪以及通信等任务的理想空中平台［1-2］。在空天防御领域，临近空间太阳能无人机兼具传统航空航天器的诸多优点，也被称为“高机动性伪卫星”，应用前景广阔。

当前太阳能无人机的横向控制常采用方向舵偏转和螺旋桨差动实现。例如，Meola 等［3］利用方向舵偏转实现了对小型无人机的控制，验证了方向舵控制方案的可行性；赵维娜等［4］基于变权伪逆法和变约束再分配伪逆法，研究了螺旋桨差动控制分配算法。考虑到能源约束的问题，太阳能无人机多采用大展弦比、低结构面密度的设计，以此来提升气动效率、降低结构重量［5］。但这会造成太阳能无人机的机翼扭转刚度不足，再加上其飞行高度较高导致来流密度较小，使得副翼操纵效率低下，甚至会出现“副翼反效”现象［6］。太阳能无人机的蓄电池密度较大、质量相对集中，且其质量通常占全机质量的30%～40%［7］，因此，选用蓄电池作为可移动质量块的变质心能够获得足够的控制力矩［8-9］。

变质心控制技术已经在多个领域中得到了应用。Huang 等［10］基于PID 控制理论，利用变质心技术实现了对太阳帆卫星的高度控制；……