垂直着陆重复使用运载火箭对动力技术的挑战

运载火箭采用垂直着陆方式实现重复使用的需求对火箭各分系统提出了新的挑战,而动力系统面临的挑战最大。垂直着陆重复使用运载火箭要求发动机提供正常的上升段推力外,还需提供运载火箭子级垂直着陆回收过程中的平稳减速力和稳健控制力,因而要求发动机具备可重复使用、大范围推力调节、二次起动、适应回收环境等多种能力,并具备较低成本。本文介绍了美国SpaceX公司开展FALCON 9系列运载火箭一子级垂直着陆回收技术研究和相关飞行试验的最新进展,研究并提出了垂直着陆重复使用运载火箭对动力技术的需求。     

垂直返回重复使用运载火箭技术分析

结合SpaceX公司近期进行的多次猎鹰火箭一子级垂直着陆返回技术试验,对比分析垂直返回重复使用运载火箭两种返回方式的工程应用价值。首先,建立运载火箭一子级动力返回段弹道设计动力学模型。随后,提出基于H-V飞行剖面分段返回弹道设计方法。然后针对“返回原场”（RTLS）和“不返回原场”(NRTLS)两种垂直返回方式,构建综合考虑上升段与返回段的推进剂耦合作用的一体化弹道优化设计策略。最后,通过数值仿真,对比分析了两种返回方式下的火箭运载能力。结果表明,采用“不返回原场”方式的运载能力损失仅占“返回原场”方式的一半,具有较好的工程应用价值。     

重复使用运载火箭精确回收滑模动态面控制

针对可重复使用运载火箭一子级再入垂直着陆阶段,利用滑模动态面控制(SMDSC)技术设计了一个精确垂直回收控制策略。首先考虑运载火箭的燃料消耗、质心变化及转动惯量摄动等特点,建立运载火箭一子级返回段动力学模型。然后针对范数有界的不确定性和有界连续的未知干扰,设计一个滑模状态观测器和一个自适应参数估计器用于获得其估计值;随后,基于获得的状态估计值和未知参数估计值,设计了一个基于自适应动态面技术的跟踪控制律。最后,通过数值仿真,对比两种不同控制策略下的运载火箭垂直返回姿态角跟踪能力。结果表明,采用本文提出的自适应滑模动态面控制策略具有更好的跟踪效果.     

参数自适应凸优化下的月面着陆最优轨迹规划

针对月面高精度下降着陆问题,提出了一种基于最优观测器的参数自适应凸优化月面着轨迹规划算法。首先,针对下降着陆主减速段需要尽可能减少燃料消耗的问题,考虑约束及动力学模型的非凸性,采用无损凸化技术将月面下降着陆问题转化为二阶锥规划问题;其次,为减少下降着陆过程中质量、比冲等参数不确定性影响,设计了基于Riccati方程的最优观测器;再根据标称参数凸优化所产生的最优轨迹进行飞行,利用该过程中加速度计实时测量信息,结合推力器输出信息,实现对着陆器参数的在线实时估计;在参数估计实现收敛后,通过在线求解二阶锥规划问题实现最优轨迹的在线规划。仿真结果表明,该观测器能够实现在线参数实时估计;该算法相较其他定点着陆算法,仅需要发动机具有离散的推力域,且具有精度更高的优势。     

“会学习”运载火箭的制导控制技术

“会学习”运载火箭具备“边飞边学”和“终身学习”的特征。对于“会学习”运载火箭制导控制技术具备的5个能力需求,即飞行状态在线辨识与感知、制导控制在线重构、经验知识自学习、“终身学习”和箭上强计算能力等进行了分析,研究了支撑“边飞边学”的在线辨识与控制重构、轨迹在线规划、目标在线变更等技术和支撑“越飞越聪明”的数据挖掘、自我学习、持续优化和决策评估等技术。最后,对“会学习”运载火箭的智能控制技术进行思考与展望。     

运载火箭伞降回收着陆技术概述

随着可重复使用运载火箭成为航天领域的热点,运载火箭的回收着陆技术亦受到更大的关注。基于传统构型的运载火箭的回收一般可分为伞降回收着陆式、垂直返回式和带翼飞回式三种类型,每种类型的回收着陆技术均有其各自的优缺点。其中伞降回收着陆技术虽然落点精度较低,但是具有技术成熟度高、可靠性高、运载能力损失低的优势,长期以来世界各航天大国一直在开展相关的研究。文章针对运载火箭回收着陆中非常关键的基于伞降方式的回收着陆技术及系统开展研究,梳理了国内外运载火箭伞降回收着陆技术的发展情况。对于运载火箭的伞降回收着陆而言,中国主要开展了基于群伞-缓冲气囊的伞降回收着陆系统以及基于可控翼伞的伞降回收着陆系统两类方案的研究。文章对这两类伞降回收着陆系统进行了基本的方案论述,包括系统的组成、系统的工作程序以及涉及到的主要关键技术分析,并对两种伞降回收着陆系统进行了对比论述。最后给出了运载火箭伞降回收着陆技术的结论和相关建议。     

带预设性能的火箭垂直着陆段姿态自适应控制设计

可重复使用运载火箭是典型的复杂非线性、强不确定性系统,其着陆飞行过程中存在的未知环境干扰和未建模动态将严重影响火箭姿态系统的稳定性。针对此情况,设计了火箭垂直着陆段飞行的姿态自适应控制系统,以解决上述不确定性所带来的不利影响;同时,引入误差转换技术,使得控制器能同时保证系统预设的瞬态性能和稳态性能。仿真结果表明,设计的控制算法能满足飞行姿态控制性能要求,且对外部干扰和模型不确定性具有较强的鲁棒性。     

运载火箭自适应制导及在线轨迹重构方法研究

结合我国运载火箭发展，梳理了传统制导方法的工程应用历程;针对故障适应性和自主化需求，分析了基于在线轨迹规划的制导方法发展概况。基于伪谱离散和凸优化理论，提出一套适应不同目标轨道的弹道轨道联合在线重构算法框架，并利用在线重构设计一种运载火箭故障导致推力不足后的自适应制导算法，通过数值实验和嵌入式测试，验证了在线重构算法和自适应制导方法的正确性、有效性。     

基于在线轨迹规划的混合再入制导方法(英文)

针对在线轨迹规划与跟踪,提出了一种混合再入制导方法。该方法将基于航路点的分段轨迹规划与轨迹跟踪制导有效地结合起来。首先给出再入飞行器无量纲运动方程,建立制导坐标系(GCF),并推导了新坐标系下的经纬度表达式。并将再入飞行过程中各种飞行约束条件转换为控制变量约束。为了加快轨迹优化速度,设计了初始再入飞行轨迹和相关航路点,给出了基于航路点信息的分段轨迹在线规划方法。纵向飞行轨迹跟踪采用基于线性二次型调节器(LQR)的方法,横侧向制导采用横向误差走廊的方法进行控制。仿真结果显示,该方法在线轨迹规划平均计算时间小于0.2秒,且具有较高的制导精度。     

亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹设计及仿真

对亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹生成方案进行了研究。该方案将地面投影几何轨迹参数化,通过迭代计算参数生成标准轨迹,验证轨迹可行性并选择最优轨迹。经仿真验证,该方案能够在较短时间内完成轨迹的在线生成,结果满足进场着陆要求。     

垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析

重复使用运载技术是降低单次发射成本、提高发射密度和减少残骸危害的有效手段,随着以Falcon 9系列为代表的垂直起降运载器的成功回收与重复使用,其在商业航天发射市场表现出了较强的竞争力,掀起了可重复使用运载器的研究新热潮。首先梳理了垂直起降可重复使用运载器的发展现状,然后结合垂直起降运载的任务特征分析了其关键技术,最后总结了垂直起降运载器的发展趋势。     

Intelligent and Autonomous Flight Technology for Launch Vehicles

This paper proposes the architecture of an intelligent flight launcher system as well as fundamental solutions to capability prediction and dynamic planning. This effort reflects the latest progress in the applications of intelligent and autonomous technology for launcher flights. The paper first describes the characteristics and capabilities of intelligent and autonomous systems and classifies various related technologies. In the context of intelligent and autonomous technology in aerospace engineering, it then focuses on technical difficulties involved with intelligent flight and reviews developments in the field. An E~3 classification model of an intelligent flight launcher is then proposed and its application scenarios are discussed. Based on an intelligent flight system configuration of the launcher, the online trajectory planning and initial value guess are examined, and vertical landing is provided as an example to explain the effects of the implementation of computational intelligence to flight systems.     

水下垂直发射航行体空泡流动研究

水下垂直发射航行体是工程研制的重要对象之一,水下垂直发射技术是航行体研究的核心与关键。动基座发射与跨介质飞行是水下垂直发射的两个突出特点,特别是在一定条件下出现的空泡现象使得水下垂直发射物理现象异常复杂。鉴于此,系统梳理了水下垂直发射需要关注的问题,介绍了水下垂直发射航行体空泡流研究的主要技术途径和研究手段,探讨了未来的主要发展趋势。     

基于序列凸规划的运载火箭轨迹在线规划方法

针对大气层内气动力对轨迹规划求解实时性与收敛性的影响,提出一种基于模型补偿序列凸规划的大气层内火箭轨迹规划方法.该方法的核心思想是通过设计一种序列补偿的方式,将火箭动力学中非线性项(气动力加速度与重力加速度)与过程约束项(动压、过载约束等)进行凸化,从而将轨迹规划问题转化为序列凸规划问题而得到快速求解.在此基础上,本文...     

机动发射弹道导弹集群诸元快速规划

针对机动发射条件下弹道导弹集群的飞行诸元快速规划问题，将神经网络预测与最小二乘优化相结合，提出了一种弹道导弹发射诸元快速规划方法。首先分析了弹道导弹助推段飞行策略并选取适当的发射诸元，以发落点信息为输入，设计双隐藏层诸元预测网络，通过弹道仿真获取弹道数据建立数据集完成网络训练，利用该网络可以得到发射诸元迭代初值。在此基础上，为了消除数据集中样本数据不平衡对发射诸元规划精度的影响，以落点射程、横程、高程偏差最小为指标函数，结合最小二乘优化方法进行迭代获得发射诸元精确解。最后在典型发射场景下，进行了弹道导弹集群机动快速发射仿真验证。结果表明，该方法相较于传统方法可显著提高计算速度与精度，且在给定的大范围机动条件下，能够满足弹道导弹集群对远距离、多目标的快速精确打击。     

减速板故障下的RLV末端区域能量管理算法设计

针对可重复使用运载器(RLV)在末端区域能量管理阶段可能存在减速板故障而无法精确控制速度大小,导致无法稳定到达着陆窗口的问题,提出一种考虑减速板故障下的在线RLV末端区域能量管理算法。首先给出减速板卡死故障下的飞行器运动模型,并分析其对飞行器运动产生的影响。然后,在能量走廊内设计纵向标称轨迹,结合飞行能力,设计有限时间轨迹跟踪控制器跟踪地面侧向几何轨迹。最后,分析动压剖面与飞行距离之间的关系,提出减速板卡死故障下的在线修正动压剖面算法,将传统的动压剖面四参数求解简化为单参数更新问题,避免动压剖面的迭代,简化计算流程。仿真结果表明,所设计的算法在减速板故障且存在气动不确定性时,能够顺利到达自主着陆窗口,具有鲁棒性。     

绕月自由返回飞行任务的轨道设计方法

针对绕月自由返回飞行提出一种任务轨道设计方法。在双二体模型下基于圆锥曲线拼接和能量匹配原则迭代计算初值,采用Broyden法构造新的微分修正格式,在精确模型下分别针对三组不同的目标变量和目标值对初值进行逐级修正使之满足再入参数。采用简单迭代调整近地点时刻、飞行时间完成发射弹道拼接和落点位置匹配,迭代初值根据落点纬度插值确定,插值表通过对若干飞行时间进行初值计算和发射弹道拼接构造。算例表明,该流程能够扩展初值计算的适用范围,具有良好的收敛性和计算效率。     

弹道学在运载火箭总体设计中的实践与展望

简要介绍了运载火箭弹道学的主要研究内容,从弹道设计的基本方法出发,着重分析了弹道设计对于运载火箭总体设计的重要影响。在回顾我国运载火箭弹道学发展历史的同时,对我国运载火箭弹道学的特点进行了系统总结。最后结合后续我国运载火箭发展的技术需求,对弹道学的未来发展进行展望,提出了若干重点研究方向。     

基于在线轨迹优化的运载火箭可重构制导方法（英文）

In order to improve the safety and reliability of a launch vehicle, we present a reconfigurable guidance method based on online trajectory optimization for thrust decrease at the ascending stage of the launch vehicle in this paper. We used a multiple shooting method to convert the optimal control problem into a nonlinear programming(NLP) problem. Finally, we used the interior point method to solve the NLP problem. The simulation results show that the method can effectively adapt to thrust decreases by 5% and 10%. This reconfigurable guidance method based on online planning is proposed to realize launch missions under the condition of power descent, thus verifying the feasibility of the method.     

The Research on Key Technologies of Chinese Heavy-Lift Launch Vehicle Control System

This paper reviewed the development of control technology in domestic and foreign launch vehicle(LV), and based on which, the key technologies of control system for Chinese heavy-lift launch vehicles were proposed. A dynamic on-line trajectory planning technique was discussed to meet the demand of guidance control under complex constraints, and model based identification and adaptive control technology was suggested to deal with the control problems caused by model uncertainty and disturbance, and an integrated avionics system based on high speed communication was put forward for module integration and distributed control, and FBG based real time flight control was also discussed. Moreover, other key technologies, such as wireless interconnection, wireless power transfer, and temporal and spatial partitioning operating system, are both briefly introduced for the application in control systems. These studies will lead to breakthroughs in autonomous flight control in LV, and provide technical support for more long-term deep space explorations.