垂直返回运载火箭制导技术研究与展望

本文结合运载火箭垂直返回段的特殊任务需求,梳理了垂直返回制导控制系统设计中的技术难点,并指出同时具备轨迹规划与制导控制功能的规划制导是一条可行的技术路线,提出了一个垂直返回控制系统方案,分析了惯性调姿段、动力减速段、气动减速段和动力软着陆段4个阶段制导技术的特点、难点及相应的制导方法。最后,结合技术研究、工程应用关注的重点,展望了垂直返回运载火箭规划制导关键技术。

火箭子级垂直返回海上平台制导、导航和控制技术研究

从Falcon-9火箭一子级垂直返回历次技术验证试验入手,分析得到了火箭一子级垂直返回海上平台的多个终端约束和技术指标要求,提出了火箭一子级垂直返回海上定点平台任务必须解决的先进GNC技术,剖析了这些GNC技术的内涵和技术难度,并给出了相应的解决方案和解决思路,为中国可重复使用运载火箭尤其是火箭子级垂直返回回收提供了研究发展思路和参考。

台车间距可调并自动垂直返回的链式输送机的设计

对台车间距可调及自动垂直返回链式输送机设计中的关键计算 ,如牵引链条最大张力计算、台车垂直自动返回的通过性及干涉性、坡降曲线、前台车滑块装置行程计算等作了细致分析并导出了公式。

垂直返回重复使用运载火箭弹道特性分析和优化设计

针对重复使用弹道设计中上升段弹道与返回段弹道之间相互耦合的问题,提出了一种简化总体弹道优化设计的方法。首先根据影响返回段设计的一子级射程关键约束,进行上升段的弹道设计。经分析,在同样的一子级射程约束情况下,上升段存在两组分离点参数;其次,分析了在不同的分离点情况下,上升段和返回段在前场和原场两种返回模式下运载能力的损失情况,并对相关弹道特性进行了分析,得出了在前场返回情况下优选低弹道方案、在原场返回情况下优选高弹道方案的方案,该结果可为垂直返回重复使用运载火箭的弹道设计提供参考。

运载火箭垂直回收着陆段制导导航与控制技术研究

子级垂直回收的一项关键技术是制导、导航与控制(Guidance Navigation and Control,GNC)技术。瞄准未来的组合体回收模式,结合现阶段发动机、着陆支架等环节的性能和特点,全面分析了返回过程中最关键的垂直着陆段对控制系统的需求和约束条件,研究了一种针对垂直着陆段的GNC技术,包含高精度导航算法、适应大推重比运载器快速下降模式着陆的凸优化在线轨迹规划与制导算法、适应大静不稳和晃动极零结构的参数优化设计以及基于自抗扰的高精度姿态控制算法。仿真结果表明,提出的技术可以满足设计需求。

垂直回收运载火箭高精度姿态控制技术

针对返回式火箭垂直着陆回收任务中的控制难点,全面分析了返回过程中最关键的垂直着陆段对控制系统的需求和约束条件,提出了一种针对垂直着陆段的高精度姿态控制方案,包括:适应大静不稳和晃动极零结构的参数优化设计、增益非线性平滑调度以及基于自抗扰的高精度姿态控制算法。仿真结果表明:1)该方法具备了工程实现性强、模型适用范围广的实用特点;2)采用所提出的控制方案相比传统仅采用姿态主网络控制方案的控制精度有较大程度的提升,特别在支腿展开稳定过程中控制精度提高接近80%,控制精度提升效果显著,可以满足设计需求。

利用视加速度补偿和推力逐级释放的垂直着陆制导方法

针对运载火箭子级垂直返回着陆段的制导问题,在应用凸优化的滚动时域在线规划基础上研究了制导鲁棒性的改善策略。为应对着陆后期控制能力不足的情况,在滚动规划过程中引入了推力上界逐级释放的策略;同时,考虑缓解干扰和误差累积的影响,在制导周期内引入了视加速度信息对在线规划的推力指令进行补偿,以进一步改善滚动规划的递归可行性;最后,通过数值算例仿真及对比分析验证所提出的补偿策略的有效性。

法尔肯9可重复使用火箭发展综述

美国Space X公司于2011年9月宣布研发法尔肯9可重复使用火箭,迄今已完成多次试验,引起国际航天领域的广泛关注。简要介绍法尔肯9可重复使用火箭的回收方案,梳理相关试验情况,并对涉及的关键技术进行分析,最后在此基础上对研制经验和启示进行总结。