反向射流作用下可回收火箭升阻特性

可回收火箭动力减速过程中反向射流将大幅改变箭体气动特性,为获得反向射流对箭体气动特性的影响,利用数值模拟方法获得箭体升阻力系数,分析升阻特性变化规律并提出升阻特性表征参数。首先,对反向射流钝体构型进行数值模拟,将得到的结果与已公开的实验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。其次,采用RANS方法模拟了单喷管构型火箭多种典型飞行状态,得到箭体升阻力系数随迎角变化曲线以及升阻特性变化规律,通过对回流区内流动状态进行分析得到升阻特性改变的机理。最后,由反向射流对箭体气动特性影响程度提出表征参数。结果表明:反向射流会对箭体形成遮挡作用并影响箭体升阻力特性。有射流时升阻力特性受飞行高度影响较大,受飞行马赫数影响较小,与无射流时的规律恰好相反。大部分飞行工况下阻力系数小于0.1,部分高空飞行工况将出现负阻力。本研究提出以反向射流与箭体宽度比作为气动特性表征参数,可以较好地反映反向射流对箭体的遮挡作用并表征箭体在反向射流作用下的气动特性变化规律。

可回收火箭大气层内动力下降的多阶段鲁棒优化制导方法

针对大气层内可回收火箭的动力下降问题,提出一种多阶段的鲁棒优化(Robust optimization,RO)方法.由于大气层内存在未知风场,如何在火箭下降段考虑这种不确定性具有十分重要的意义.首先,建立一个关于高度的不确定风场模型,在该风场下给出火箭动力下降的鲁棒最优控制问题.为了求解该问题,使用一种对不等式约束采取一阶近似并将一阶项作为安全裕量加入约束的鲁棒优化方法,得到一个可以求解的单阶段鲁棒优化算法.其次,定量给出安全裕量的上界,基于该上界提出一种多阶段鲁棒优化算法,避免单阶段鲁棒优化算法中安全裕量可能过大导致无法求解的问题.最后,通过仿真对比各个算法在多个实际风场下的性能,结果表明所提出的多阶段鲁棒优化方法同时具有较高的落点精度和对于不同风场的鲁棒性.

逆向喷流对可回收火箭气动特性的影响研究

可回收火箭返回时,需要依靠发动机进行点火减速制动,为得到逆向喷流条件下箭体气动性能的变化规律,通过对低空和高空两次点火过程进行数值仿真,分析来流马赫数和攻角对箭体气动性能的影响,同时开展单喷管、多喷管喷流条件下的仿真研究。结果表明,低空状态,逆向喷流会导致全箭轴向力系数绝对值减小,且喷流数目越多,轴向力系数绝对值越小。小攻角条件下,逆向喷流会引起全箭压心大幅前移,随着开机台数增加,压心前移越多。高空条件下,喷流膨胀区和来流存在强烈的相互干扰,导致轴向力系数减小明显,其绝对值在0.04以内,0°~10°攻角内箭体法向力系数绝对值小于0.1,随着来流静压增加,法向力系数绝对值小于0.1的攻角区间减小。

一种可回收火箭验证机整流罩气动外形优化

针对某型可回收火箭验证机整流罩气动外形优化问题,提出一种CAD/CFD集成仿真优化方法。首先,针对原始外形开展了气动特性计算,揭示了整流罩对全箭气动性能的影响规律。随后,利用FloEFD+HEEDS联合优化方法,以最大法向力作为优化目标,开展了128个不同整流罩外形的气动性能仿真。结果表明,不合适的整流罩外形会导致小迎角条件下法向力、俯仰力矩系数线性度变差。正迎角条件下,整流罩上下表面的压差引起了负法向力和抬头力矩,从而抵消了箭体产生的部分法向力和俯仰力矩。通过自动寻优算法,得到了满足当前尺寸约束条件下的可回收火箭验证机返回时整流罩最优气动外形,优化后的气动外形法向力系数提升了8倍。

可回收火箭动力着陆段在线制导算法

针对火箭垂直回收精确着陆问题,该文研究了基于凸优化的在线制导算法,提出了一种制导、导航与控制一体化闭环数值仿真方法。通过无损凸化和逐次凸化方法,将火箭回收段制导问题转化为二阶锥优化问题,并结合内点法将该特定问题进行定制求解。研究了在随机大气扰动、发动机节流特性、导航系统随机偏差以及系统整体时延等多重不确定因素作用下算法的鲁棒性。通过对问题进行定制化求解,该算法具备毫秒级的收敛特性,且具有较高的算法鲁棒性。在动力学环境扰动、控制和导航系统偏差以及系统整体延时等不同扰动的组合作用下,该算法的仿真结果满足火箭回收精确软着陆的要求。

基于强化学习的可回收运载火箭着陆制导

可回收运载火箭的着陆制导需要严格保证着陆位置、速度精度,并尽量减小燃料消耗。基于最优控制的着陆制导方法需要依赖火箭精确模型,不具有对模型偏差的泛化能力。针对此问题,本文基于强化学习方法,通过不基于模型的交互采样,训练了神经网络形式的火箭着陆制导策略。首先,建立火箭着陆制导问题的马尔可夫决策过程模型,根据终端约束和燃料消耗指标设计了分阶段奖励函数;然后,在此基础上设计了多层感知机制导策略网络,并使用不基于模型的邻近策略优化算法,通过与火箭着陆制导马尔可夫决策过程的交互采样,实现对制导策略网络的迭代优化;最后,在可回收运载火箭着陆段仿真场景下对制导策略进行验证。仿真结果表明,本文提出的强化学习着陆制导策略能够保证火箭的着陆精度、燃料消耗与最优解相近,且能够泛化至火箭模型参数存在偏差的工况。

美国洛克韦尔公司提出可回收的大推力运载火箭方案

根据美国空军关于降低运载火箭发射成本的要求,美国洛克韦尔国际公司提出了一项大推力运载火箭(HLV)方案。本文着重介绍这种火箭的结构特点及其性能。它将装有一个不载人的再入滑翔器,能将有效载荷部署到轨道上并把航天电子设备送回地面。该公司认为,这种运载火箭的发射成本可降为原航天飞机发射成本的三分之一或更少。HLV在90年代初期就可能具有初始发射能力。本文最后提出了尚待解决的一些技术问题。

SpaceX的颠覆式创新

Spacex公司(美国太空探索技术公司)成立于2002年,创始人是备受争议的硅谷钢铁侠——埃隆·马斯克。在经历了最初的三次失败后,2008年由该公司研制的“猎鹰(Falcon)1号”火箭成功发射。2018年2月6日,由Spacex公司制造的"猎鹰"重型火箭成功发射,并在完成任务后顺利回收,让全世界航天爱好者倍感震惊,它的造价远低于同类型火箭,但性能却高出许多。

欧洲阿里安5发展计划

本文讲述了阿里安5研制任务的提出,计划中的阿里安5的有关技术性能及研制进度。