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收录时间:2019-05-24 11:39

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我国民营火箭企业翎客航天两次完成火箭试验

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  四日,美国太空探究技术公司(SpaceX)发射“猎鹰9”号运载火箭执行其第十七次国际空间站补给任务,此次发射仍演出了SpaceX的拿手绝活——一级火箭垂直回收。近日,我国民营火箭企业翎客航天连续两次完成火箭“低空发射及回收实验”,并声称这均是火箭垂直回收环节的最后一步。
 
  火箭垂直回收有哪些奥妙?看起来简单的“先上天再落地”实验,难道真是通向火箭回收之路的“敲门砖”?
 
  谈到火箭回收,谁能比SpaceX更有发言权?但自从它开端研讨火箭回收技术以来,不断将其视为关乎公司竞争力的中心秘密,从不申请专利,也不发表任何技术性论文。2016年,SpaceX火箭着陆技术主管拉斯·布莱克默“破天荒”地发表一篇题为《太空火箭自主准确着陆》的综述性文章,才初步揭开了该公司火箭回收技术神秘面纱的一角。
 
  布莱克默总结了火箭回收面临的四大应战:首先是环境极端复杂,火箭从高空返回速度快,大气阻力和气动加热明显;其次是任务容错率低,返回必需一次胜利,简直没有二次尝试的时机;第三是着陆艰难,需求设计可折叠着陆缓冲安装等复杂的辅助机构;最后是要克制风力等扰动准确抵达回收场地。
 
  火箭回收过程也比拟复杂。一级火箭别离后,由于惯性会继续上升,抵达一定高度时姿势控制系统使一级火箭倒转,重启示动机反推使其进入返回轨道;进入大气层后,一级火箭上装置的4个钛合金格栅将展开,以控制其飞行姿势,使其飞向着陆点;当接近着陆点一定间隔时,发起机再次重启,着陆缓冲安装展开,进入末端着陆段。


  对火箭垂直回收而言,哪个技术最关键?
 
  北京理工大学宇航学院特聘研讨员刘新福通知记者,在发起机推力可调及着陆缓冲机构等硬件条件的根底上,火箭回收最大的难点是,在着陆段怎样依据火箭的当前位置、速度、姿势等信息,在线实时计算动身动机推力的大小和方向,以完成平安准确着陆,其最中心的技术是着陆段的制导算法。
 
  SpaceX用了什么制导算法?布莱克默在文中披露,这个机密武器叫做“凸优化”。刘新福引见,2007年,NASA下属的喷气推进实验室(JPL)在国际权威期刊《制导、控制与动力学杂志》上率先提出了基于凸优化的着陆段制导算法(简称凸优化制导算法)。后来该算法被屡次用在美国Masten公司的Xombie小火箭上停止测试,使其具备了垂直着陆才能。
 
  “火箭回收对着陆制导算法的请求一是牢靠,二是计算速度快,箭载计算机要能在两三百毫秒以内计算出满足多约束条件的最优飞行轨迹。”刘新福表示,之前做不到回收火箭,主要是由于没有满足请求的制导算法。凸优化制导算法通常牢靠性高、收敛速度快,为完成火箭回收提供了可能。
 
  刘新福谈到,低速状态、疏忽大气阻力情况下的凸优化制导算法及其在飞行器上的考证实验已在公开文献中发表。但实践任务中火箭返回速度极快,在着陆段的大气阻力不可疏忽且对飞行轨迹影响较大。如何在思索气动力的状况下设计凸优化制导算法,保证算法的牢靠性与快速性,才是SpaceX的独门秘籍之一。
 
  众所周知,SpaceX在回收“猎鹰9”号火箭之前,曾运用“蚱蜢”火箭以及“F9RDev”火箭展开低空飞行回收实验,而“F9RDev”火箭简直就是“猎鹰9”号火箭的一级火箭局部。
 
  “这种实验的目的之一,就是考证着陆制导与控制算法的可行性。”刘新福引见,比方“蚱蜢”火箭曾特地停止侧向机动实验,让火箭飞到一定高度的同时横向机动一定间隔,然后让火箭返回发射点。后来“猎鹰9”号火箭实践回收任务中在着陆段的确有明显的横向机动过程,“蚱蜢”实验在一定水平上仿真了这一状况,并证明着陆制导与控制算法可以满足横向机动请求。前期停止的“直上直下”的回收实验,技术难度则相对低不少。
 
  “此外,火箭实验过程中的速度变化状况也很关键。”刘新福补充,假如火箭根本上匀速迟缓着陆,这样的实验难度相对较低,也不契合实践的飞行状况。此外,火箭着陆要同时准确控制位置和速度,当高度降为零时,速度也要简直降到零,而且简直没有修正的时机,任何悬停都会招致燃料的糜费,这样的任务采用离线轨迹跟踪办法很难完成。
 
  刘新福指出,难度比拟高的实验方式能够是火箭飞起来后停止大范围横向机动并准确着陆,制导算法需在线实时计算出“燃料最优”的着陆轨迹及相应的控制量,然后控制算法跟踪该轨迹完成着陆,必要时该着陆轨迹需在线重新规划。这种状况下对该轨迹计算的牢靠性与实时性提出了极高的请求,且火箭速度较大并不断变化。如Xombie火箭的飞行实验中最大横向速度高达30米/秒(即每小时108公里),最大降落速度也高达20米/秒。最省燃料对火箭回收也很重要,由于预留的燃料越少,火箭的运载才能损失越小。
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