1 引言
2010年4月22日美国研制的人类首架空天无人机X-37B成功发射升空，阿特拉斯5号火箭执行了此次发射任务。到2015年，空天无人机共执行了四次飞行任务。尽管美国军方一再强调，研制X－37B的主要目的是测试并验证其先进的制导和控制系统的性能和表现，但有专家指出，该项目具有明显的军事目的。战时，X-37B可通过“机械手”、电磁干扰或各类机载武器等对敌国卫星和其他航天器进行军事行动，包括干扰、控制、捕获和摧毁敌国航天器，对敌国进行军事侦察等。X-37B一经发射便引起世界其他军事大国的强烈关注和反响，一些军事专家称之为“首架空天战机的雏形”，必将给空天无人机（Unmanned Aero-Space Vehicle，UASV）和地面作战武器系统带来革命性的变化。
2 概念与内涵
空天无人机是一种以火箭基组合循环发动机为动力发射到太空，能在空间轨道上运行，也能在大气层内远程飞行，且可实现天地往返的可重复使用军民两用无人机。空天无人机集成了航空器和航天器等多方面的设计思想，是航空与航天技术紧密结合的产物。空天无人机不仅可以执行平时的民用任务，更重要的是还可以执行战时的军事任务。
同一般的高超声速飞行器相比，空天无人机具有以下特点：
（1） 在空间具有一定的机动变轨能力，通过空间轨道机动及搭载的有效载荷打击敌方航天器，保护本国的军民两用天基设施。
（2） 具有能够产生大升阻比的气动外形，再入过程升力方向可控，机动能力和突防能力比常规洲际导弹强，可以实现全球打击。
（3） 由于飞行器可能已经部署在低轨道，与常规的高超声速飞行器或洲际导弹相比，省去了发射过程的时间，即打击反应时间更快，打击目标时间更短，突防概率更高。
（4） 飞行器在高超声速飞行时动能大，若设计与亚音速巡航导弹相当破坏力的战斗部，飞行器机载导弹战斗部质量可以减轻，从而减小了飞行器的设计载荷。
（5） 飞行器完成空间任务后可以在空间滞留待命或者进行轨道机动，完成空中任务后可以返回地面，也就是说，它最大特点就是可以反复使用，减少各种成本。
3 应用价值
空天无人机在军事上具有极其重要的战略及战术应用价值[1,2]：
（1） 空天无人机可作为侦察监视与预警平台。它既可以像军用卫星一样在太空轨道运行的过程中获取敌方情报信息资料，也可脱离轨道反复在目标区的外层空间飞行，随时掌握作战地区敌情变化，综合各种侦察信息，更及时、更准确地提供战场信息，对导弹发射等进行预警。与各种侦察卫星相比，空天无人机具有更大的灵活性，综合侦察能力更强，实时性更好。
（2） 空天无人机还可作为空间武器发射平台。在未来空天作战中，空天无人机不仅可作为各种武器弹药、动能武器、高能激光武器、微波武器等的发射平台，还是天基系统的支援平台，能对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击，对战争的胜负产生至关重要的影响。
（3） 空天无人机可作为快速远距离运输机，它既能在大气层内作高超声速飞行，又能进入轨道机动飞行，飞向目标所需的时间将大大缩短。从普通机场起飞，可在一至两个小时之内快速达到全球任何地方，对全球范围发生的地区冲突迅速作出反应。
（4） 空天无人机可作为战时空间预备指挥所。空天无人机能像空间站那样在轨长期停留，如果配备先进的指挥控制系统，一旦战时需要，可以直接承担起作战指挥控制任务。
4 关键技术分析
1）总体设计技术
该项关键技术具体包括：
a.面向多任务的新型飞行器构型优化设计
b.快速自主机动覆盖技术
c.公用舱与不同载荷的通用接口及其适配性技术
d.面向不同武器的通用在轨发射和分离技术
2）飞行器离轨技术
飞行器从停泊轨道离轨，通过再入大气层实施对地面目标打击，飞行过程大致要经历以下四个阶段：制动段、过渡段、再入段及末制导段。可以把制动段、过渡段合二为一，称为离轨段[3,4]。
离轨段轨道设计要解决的问题主要有：
a.制动作用减速脉冲ΔV的大小和方向的选择；
b.制动点位置的选择，为了保证飞行器以要求的精度降落在预定着陆点，在离轨段轨道设计时要通过一定的方法选择合适的制动点位置；
c.大气入口点再入角的确定。
d.制动段关机方程的建立，在实际有干扰的情况下，如何确定发动机关机时刻。
3）高超声速气动特性和空气动力学
空天无人机气动特性和空气动力学技术主要内容包括：
a.气动特性风洞试验技术；
b.气动载荷风洞试验技术；
c.气动参数辨识技术；
d.气动力天地换算技术；
e.反作用控制系统（RCS）喷流及其干扰流场计算及试验技术；
f.高升阻比先进气动布局设计技术与飞行器总体设计技术；
g.多学科优化设计技术；
h.再入轨道与飞行走廊设计技术。
4）高温长时间热防护技术
主要关键技术包括：
a.防热系统防热与结构一体化设计技术
b.再入热环境精确预测与试验技术
c.高、中、低温区防热系统方案
d.防热系统的地面试验技术
e.新型超高温热防护概念研究
f.防热系统飞行演示试验技术
5）高精度GNC技术
GNC技术的主要研究内容包括：
a.自主导航与定位技术：包括导航与定位系统的方案与结构，高精度导航与定位算法，高动态下（高马赫与大过载）卫星导航信号的快速捕获技术，不同飞行阶段和环境导航系统的切换，导航传感器管理与系统重构技术；小型化、低成本的组合导航系统。
b.容错控制技术：包括控制系统容错算法和不同飞行阶段控制系统变结构控制；飞行控制律设计与模态转换技术；高超声速姿态控制技术；气动力操纵面与RCS的混合控制与协调技术，大攻角BTT（Bank To Turn）姿态控制技术。
c.智能鲁棒故障检测与诊断技术。
d.高超声速条件下的精确制导技术，基于在线智能优化的标准轨道制导技术，无动力再入航路点（WayPoint）制导技术。
e.极高速飞行的飞行器和大气之间产生的电离层导致的制导、导航、通信、指挥、控制和“黑障”区内的导航信息补偿技术。
6）飞行控制技术
空天无人机等高超声速飞行器与目前现有的亚声速/超声速飞行器相比有许多不同的飞行特性，有的方面目前还无法完全掌握。
空天无人机在高超声速飞行过程中，飞行器对控制的响应速度要求高。然而，在高超声速飞行过程中，控制面的控制效率与亚声速/超声速飞行状态相比有了较大的降低。控制面较大的偏转又将引起不希望的气动热。因而在高超声速空天无人机控制中往往采用控制面和反应控制系统(RCS)相结合的控制手段。
空天无人机由于采用了轻质材料，在飞行过程中由于气流的扰动等因素作用极易发生气动弹性振动。在飞行器控制模型中，不可能完全精确地考虑到飞行过程中各种复杂的力学过程。而且飞行过程中往往又会受到各种事先无法完全预知的扰动。因此空天无人机的飞行控制是实现高超声速飞行必须解决的关键技术之一。
另外，空天无人机能够根据任务的不同实时规划最优飞行轨迹并能够对轨迹做出迅速调整以响应任务的变化。实时快速地寻求轨迹最优解并进行轨迹控制也是一个重要的研究方向。这方面的主要研究内容包括[5-7]：
a.不同任务的最优轨迹设计和轨迹控制技术：应急情况下的轨迹在线规划和快速重构技术；再入轨迹与巡航轨迹的转接技术。
b.改变机体温度分布的轨道机动技术：通过机载导航/控制算法求解模拟温度和环境的非线性微分方程，产生相应的攻角、高度或姿态变化指令，改变飞行器运行轨道，降低温度。
c.再入轨道机动策略与机动方式：采用何种机动策略和方式对轨道进行调整才能代价最小地适应任务的变化。
5 总结
空天无人机将是21世纪的空中“全能超级明星”，特别是随着空天无人机制造技术的日益成熟，不难想象，在不远的将来，空天无人机的参战将使传统的作战样式产生革命性的变化。未来的空战和太空战融为一体、空战的突然性将加大、防空作战将向空天一体防空扩展。总体上看，空天无人机虽然目前还处于探索研究阶段，但它有望成为21世纪最先进、最经济有效的航天运载工具，代表了今后数十年内航天运载技术的发展方向，并且将成为未来控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。可以预见，它的试验和成功必将推进太空武器化进程和太空军备竞赛的升级。
参考文献：
[1] 徐海玉主编. 美军空天对抗理论与技术研究[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2002
[2] 常显奇. 军事航天学[M]. 北京：国防工业出版社, 2002
[3] 陈洪波, 杨涤. 升力式再入飞行器离轨制动研究[J]. 飞行力学, 2006年第2期
[4] 任章, 袁国雄. 轨道武器战斗舱再入制导技术研究[J]. 航天控制, 2005年第2期
[5] 程国采. 航天飞行器最优控制理论和方法[M]. 北京：国防工业出版社. 1999
[6] 郑本武. 航天飞机再入大气层最优轨迹[J]. 南京航空航天大学学报, 1993年第4期
[7] 黄福铭. 航天器飞行控制与仿真[M]. 北京：国防工业出版社, 2004
作者简介：章祎（1981-），男，工程硕士，高工，主要研究方向：飞行器总体设计和综合保障
