科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 胡定坤
5月4日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）發(fā)射“獵鷹9”號(hào)運(yùn)載火箭執(zhí)行其第17次國(guó)際空間站補(bǔ)給任務(wù)，此次發(fā)射仍上演了SpaceX的拿手絕活——一級(jí)火箭垂直回收。近日，我國(guó)民營(yíng)火箭企業(yè)翎客航天連續(xù)兩次完成火箭“低空發(fā)射及回收試驗(yàn)”，并宣稱這均是火箭垂直回收環(huán)節(jié)的最后一步。
凸優(yōu)化制導(dǎo)算法被多次用在美國(guó)Masten公司的Xombie小火箭上進(jìn)行測(cè)試，使其具備了垂直著陸能力。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
火箭垂直回收有哪些奧秘？看起來(lái)簡(jiǎn)單的“先上天再落地”試驗(yàn)，難道真是通向火箭回收之路的“敲門(mén)磚”？
收火箭，過(guò)程復(fù)雜挑戰(zhàn)多
談到火箭回收，誰(shuí)能比SpaceX更有發(fā)言權(quán)？但自從它開(kāi)始研究火箭回收技術(shù)以來(lái)，一直將其視為關(guān)乎公司競(jìng)爭(zhēng)力的核心機(jī)密，從不申請(qǐng)專利，也不發(fā)表任何技術(shù)性論文。2016年，SpaceX火箭著陸技術(shù)主管拉斯·布萊克默“破天荒”地發(fā)表一篇題為《太空火箭自主精確著陸》的綜述性文章，才初步揭開(kāi)了該公司火箭回收技術(shù)神秘面紗的一角。
布萊克默總結(jié)了火箭回收面臨的四大挑戰(zhàn)：首先是環(huán)境極端復(fù)雜，火箭從高空返回速度快，大氣阻力和氣動(dòng)加熱明顯；其次是任務(wù)容錯(cuò)率低，返回必須一次成功，幾乎沒(méi)有二次嘗試的機(jī)會(huì)；第三是著陸困難，需要設(shè)計(jì)可折疊著陸緩沖裝置等復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)；最后是要克服風(fēng)力等擾動(dòng)精確到達(dá)回收?qǐng)龅亍?/p>
火箭回收過(guò)程也比較復(fù)雜。一級(jí)火箭分離后，由于慣性會(huì)繼續(xù)上升，到達(dá)一定高度時(shí)姿態(tài)控制系統(tǒng)使一級(jí)火箭倒轉(zhuǎn)，重啟發(fā)動(dòng)機(jī)反推使其進(jìn)入返回軌道；進(jìn)入大氣層后，一級(jí)火箭上安裝的4個(gè)鈦合金格柵將展開(kāi)，以控制其飛行姿態(tài)，使其飛向著陸點(diǎn)；當(dāng)接近著陸點(diǎn)一定距離時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)再次重啟，著陸緩沖裝置展開(kāi)，進(jìn)入末端著陸段。
技術(shù)多，哪個(gè)才是最核心
對(duì)火箭垂直回收而言，哪個(gè)技術(shù)最關(guān)鍵？
北京理工大學(xué)宇航學(xué)院特聘研究員劉新福告訴科技日?qǐng)?bào)記者，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力可調(diào)及著陸緩沖機(jī)構(gòu)等硬件條件的基礎(chǔ)上，火箭回收最大的難點(diǎn)是，在著陸段怎樣根據(jù)火箭的當(dāng)前位置、速度、姿態(tài)等信息，在線實(shí)時(shí)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大小和方向，以實(shí)現(xiàn)安全精確著陸，其最核心的技術(shù)是著陸段的制導(dǎo)算法。
SpaceX用了什么制導(dǎo)算法？布萊克默在文中披露，這個(gè)秘密武器叫做“凸優(yōu)化”。劉新福介紹，2007年，NASA下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在國(guó)際權(quán)威期刊《制導(dǎo)、控制與動(dòng)力學(xué)雜志》上率先提出了基于凸優(yōu)化的著陸段制導(dǎo)算法（簡(jiǎn)稱凸優(yōu)化制導(dǎo)算法）。后來(lái)該算法被多次用在美國(guó)Masten公司的Xombie小火箭上進(jìn)行測(cè)試，使其具備了垂直著陸能力。
“火箭回收對(duì)著陸制導(dǎo)算法的要求一是可靠，二是計(jì)算速度快，箭載計(jì)算機(jī)要能在兩三百毫秒以內(nèi)計(jì)算出滿足多約束條件的最優(yōu)飛行軌跡。”劉新福表示，之前做不到回收火箭，主要是因?yàn)闆](méi)有滿足要求的制導(dǎo)算法。凸優(yōu)化制導(dǎo)算法通常可靠性高、收斂速度快，為實(shí)現(xiàn)火箭回收提供了可能。
劉新福談到，低速狀態(tài)、忽略大氣阻力狀況下的凸優(yōu)化制導(dǎo)算法及其在飛行器上的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)已在公開(kāi)文獻(xiàn)中發(fā)表。但實(shí)際任務(wù)中火箭返回速度極快，在著陸段的大氣阻力不可忽略且對(duì)飛行軌跡影響較大。如何在考慮氣動(dòng)力的情況下設(shè)計(jì)凸優(yōu)化制導(dǎo)算法，保證算法的可靠性與快速性，才是SpaceX的獨(dú)門(mén)秘籍之一。
先上天再落地，什么“姿勢(shì)”才正確
眾所周知，SpaceX在回收“獵鷹9”號(hào)火箭之前，曾使用“蚱蜢”火箭以及“F9R Dev”火箭開(kāi)展低空飛行回收試驗(yàn)，而“F9R Dev”火箭幾乎就是“獵鷹9”號(hào)火箭的一級(jí)火箭部分。
“這種試驗(yàn)的目的之一，就是驗(yàn)證著陸制導(dǎo)與控制算法的可行性?！眲⑿赂＝榻B，比如“蚱蜢”火箭曾專門(mén)進(jìn)行側(cè)向機(jī)動(dòng)試驗(yàn)，讓火箭飛到一定高度的同時(shí)橫向機(jī)動(dòng)一定距離，然后讓火箭返回發(fā)射點(diǎn)。后來(lái)“獵鷹9”號(hào)火箭實(shí)際回收任務(wù)中在著陸段確實(shí)有明顯的橫向機(jī)動(dòng)過(guò)程，“蚱蜢”試驗(yàn)在一定程度上仿真了這一情況，并證明著陸制導(dǎo)與控制算法能夠滿足橫向機(jī)動(dòng)要求。前期進(jìn)行的“直上直下”的回收試驗(yàn)，技術(shù)難度則相對(duì)低不少。
“此外，火箭試驗(yàn)過(guò)程中的速度變化情況也很關(guān)鍵?！眲⑿赂Ｑa(bǔ)充，如果火箭基本上勻速緩慢著陸，這樣的試驗(yàn)難度相對(duì)較低，也不符合實(shí)際的飛行情況。此外，火箭著陸要同時(shí)精確控制位置和速度，當(dāng)高度降為零時(shí)，速度也要幾乎降到零，而且?guī)缀鯖](méi)有修正的機(jī)會(huì)，任何懸停都會(huì)導(dǎo)致燃料的浪費(fèi)，這樣的任務(wù)采用離線軌跡跟蹤方法很難實(shí)現(xiàn)。
劉新福指出，難度比較高的試驗(yàn)方式可以是火箭飛起來(lái)后進(jìn)行大范圍橫向機(jī)動(dòng)并精確著陸，制導(dǎo)算法需在線實(shí)時(shí)計(jì)算出“燃料最優(yōu)”的著陸軌跡及相應(yīng)的控制量，然后控制算法跟蹤該軌跡實(shí)現(xiàn)著陸，必要時(shí)該著陸軌跡需在線重新規(guī)劃。這種情況下對(duì)該軌跡計(jì)算的可靠性與實(shí)時(shí)性提出了極高的要求，且火箭速度較大并一直變化。如Xombie火箭的飛行試驗(yàn)中最大橫向速度高達(dá)30米/秒（即每小時(shí)108公里），最大下降速度也高達(dá)20米/秒。最省燃料對(duì)火箭回收也很重要，因?yàn)轭A(yù)留的燃料越少，火箭的運(yùn)載能力損失越小。
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