基于单目视觉的火箭回收高度测量技术研究

精确测量火箭实时高度是完成火箭回收任务的重要前提之一,为了实现对火箭高度的实时测量,本文对基于单目视觉的火箭回收高度测量技术进行了研究。首先针对火箭回收过程中的烟雾场景,在何凯明暗通道去雾算法的基础上,结合视网膜大脑皮层(Retinex)理论对透射率函数进行改进,从而提升了去雾算法对不同雾环境下的适应性。其次,针对火箭回收中靶点的特性,提出了适用于靶点特征提取的算法,并设计实验验证了算法的可行性与可靠性。针对火箭与地面靶点的几何特性构建了数学模型,并设计实验定量分析了高度解算算法的可行性。最后定量分析了不同雾浓度下不同去雾算法对高度测量结果的影响。仿真和实物实验结果表明,根据本文提出方法计算得到的火箭高度解算精度在0.5 m以内,可满足火箭回收中对高度测量的需求。

我国商业火箭公司火箭回收相关专利分析

本文在分析我国商业火箭公司的火箭回收现状及相关专利申请情况的基础上,对火箭回收方案、专利布局及不同专业领域的专利申请情况进行了研究,并对火箭回收相关技术创新的保护和专利布局提出了建议。

海上火箭回收过程中船舶耦合运动响应分析

为分析海上火箭回收过程中,船舶在火箭冲击载荷、锚泊力及波浪力耦合作用下的运动响应问题,基于有限体积法在时域计算火箭回落过程中甲板受到燃气射流冲击载荷的时历曲线。之后使用耦合算法将冲击载荷模型与船舶运动相结合,实现回收船舶动力耦合分析计算模型的建立,并在此基础上重点探讨沿船长及船宽分布的不同落点对船舶横摇、纵摇及垂荡运动的影响。得出火箭落点偏心距离的增加会增大船舶运动幅值的结论。部分结果可为海上火箭回收姿态调控提供参考数据。

从竹筒粽子说起——浅谈火箭回收相关的航天原理

太空探索公司(SpaceX)成功回收"猎鹰9号"火箭第一级,点燃了大众对于火箭回收的关注热情.本文试图通过简单易懂的方式向大众介绍一些与火箭回收相关的航天原理,利用竹筒粽子这一生活中常见的事物解释宇宙第一速度、多级火箭、软着陆等科学概念.

一种运载火箭第一子级回收方案设计方法

针对可回收火箭的总体设计,提出了一种用于运载火箭第一子级回收方案的设计方法。首先,建立火箭子级运动模型,为便于确定回收推力大小和调节范围,在模型中引入了推力比例因子和推力调节因子。然后,探讨回收推力和推进剂剩余量的对应关系,并通过飞行时间给出剩余推进剂的约束条件。最后,从设计的角度确定回收基本过程,并通过仿真算例制定火箭子级的回收方案。所提方法详细给出了回收过程中火箭发动机的推力大小、推力调整范围、工作时间、落点位置、最大速度以及着陆段的起始速度和高度的估计。算例表明所提方法可以实现回收过程的关键参数确定。

火箭回收:“拾荒”界“神级”操作

从人类第一次发射火箭以来,火箭残骸要么落下来报废,要么变成太空垃圾四处游荡。然而,自从2016年由埃隆·马斯克创建的太空探索技术公司(SpaceX)的“猎鹰9号”火箭在海上平台成功回收后,火箭回收便在全世界航空航天界流行了起来。

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。

火箭垂直回收着陆段在线制导凸优化方法

为了研究火箭垂直回收着陆段的制导律设计问题,通过求解最省燃料问题获得制导律,将连续优化问题转化为一类二阶锥凸优化问题(SOCP)。采用凸优化问题求解程序,实时计算最优轨迹获得当前制导周期内的制导律,导引火箭飞向目标点并垂直软着陆。该方法对着陆段初始状态偏差和下降过程中气动扰动有较强的适应性。进行了3个算例的仿真,结果表明:凸优化方法具有确定的收敛性质,相较于Radau伪谱法求解更加高效;参数设置简单,能够满足实时制导需求,具有在线应用的潜力。

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。

垂直回收火箭可伸缩着陆腿展开的动力学仿真分析

可伸缩着陆腿是实现运载火箭垂直回收的有效途径。相比于着陆过程,火箭着陆腿展开过程涉及的动力学问题更值得特别关注。根据多体动力学方法建立可伸缩着陆腿的虚拟样机模型,针对展开过程开展仿真分析,研究了支腿结构柔性、腿节滑移摩擦力、气动罩气动力及过载等因素对展开时长和展开到位角速度两个关键展开特性指标的影响。结果表明,结构柔性对展开特性影响可忽略,过载对展开特性的影响最大,其次是气动罩气动力和腿节摩擦力。相关研究结果可为用于火箭垂直回收的可伸缩式着陆腿设计提供参考。

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。

像回收可乐瓶一样回收火箭?

中国人对太空的向往已有数千年,众多飞天神话见证着这一梦想。而今,中国火箭飞向太空早已成真,然而,这些飞上天的火箭,还没有“飞回家”的体验--火箭回收,依旧是中国火箭人面前的一道险关。事实上,今年国产大火箭的回收探索已经提速。最近,由航天科技集团八院研制的重复使用运载火箭新技术验证箭,在酒泉卫星发射中心成功进行了10公里级飞行试验。

返回式探空火箭裙锥减速器方案设计及分析

针对传统的探空火箭减速板质量大、展开角度不可调节等缺陷,提出一种新型探空火箭裙锥减速器减速方案。它具有质量小、可改变展开角、展开阻力面积大等优点。针对超声速探空火箭减速器再入时的气动特性,对其外围流场进行了仿真分析,得出了减速器不同锥角对气动特性及过载的影响,并给出了减速器外围流场、压力场以及减速器的应力应变分析,结果表明,减速器所受的气动阻力与其锥角有明显关系,具有非线性特点,且减速器的最大应力小于许用应力。该方案可为探空火箭的回收及新型减速器的设计提供一定的参考依据。

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。

用于拦截低空飞行器的电动力火箭及其发射架系统设计

为了对低空非法飞行器进行拦截,解决无人机黑飞扰乱公共治安,破坏社会秩序的行为,本文提出了用于拦截小型低空飞行器的电动力火箭及其发射架,实现了不产生电磁波干扰的情况下对低空飞行器的精准拦截。该电动力火箭由四个QF2827涵道电机推动,使用发射架进行初对准后发射,利用机器视觉的图像识别模块对目标进行识别和捕捉,利用改进后的NAZA飞控对姿态进行修正,在接近目标时发射网弹对飞行器进行拦截。该火箭还具有回收功能,在拦截成功之后,火箭拖着降落伞缓慢下降,在即将抵达地面时四个涵道电机会开启反推,短时间内降低火箭着陆速度,实现回收利用,对建筑物及行人无安全威胁。

可复用火箭,极限在何处?

自从苏联于1957年成功发射第一颗人造卫星后,人类便开始了探索太空的历程。在过去的几十年中,运载火箭一直是人类进入太空的唯一工具。然而,火箭发射一次后便报废,这不但耗资巨大,也容易造成次生不利影响。因此,对火箭回收复用技术的研究已成为当前探索太空领域的热门话题之一。

状态预测神经网络控制应用于小型可回收火箭

随着商业航天的到来,可重复使用运载器的研究受到广泛关注,以SpaceX为代表的商业航天公司研发的部分可回收火箭表现出了前所未有的竞争力。为了研发可回收火箭技术,翎客航天利用民间工业力量研制了RLV-T3小型可回收火箭验证机,并在该验证机上通过数百次试验逐渐掌握了垂直起降(VTVL)技术。主要介绍了翎客航天在VTVL技术中的一项动力控制技术,提出了状态预测神经网络控制(SPNNC)算法。该算法具有鲁棒性强、适用范围广、控制参数易调整等优点。详细地描述了该算法的原理,并通过Simulink对SISO和MIMO 2种系统进行了仿真。同时详细地论述了将状态预测神经网络控制算法应用于RLV-T3小型可回收火箭的飞行及回收的试验,包括RLV-T3小型可回收火箭的基本特点、控制难点、存在的问题,飞行过程中各物理量的曲线和试验结论。经试验验证,状态预测神经网络控制算法具有良好的控制性能,基于该控制技术,即状态预测神经网络控制算法的RLV-T3小型可回收火箭验证机可以安全地实现垂直起飞、弹道飞行、空中悬停、软着陆回收全流程。

火箭子级垂直回收布局气动特性及发动机喷管影响

垂直回收可重复使用运载火箭是运载火箭发展的一个重要方向,大长细比的火箭子级垂直再入过程属于典型的非规则钝头体绕流,与传统低阻力流线体飞行器气动特性差异较大。采用风洞试验辅以数值仿真分析的方法,对基于栅格舵的火箭子级垂直回收构型基本气动特性和非规则钝头体绕流情况进行了研究,获得了发动机外露喷管和栅格舵对火箭子级垂直回收气动特性的影响规律,给出了火箭子级垂直回收布局设计建议。结果表明:火箭子级倒飞状态下肩部区域会在小迎角下产生大分离流动,外露发动机喷管左右两侧诱导出较强的分离涡结构,与火箭尾翼、肩部大分离流动相互作用;垂直回收构型在超声速下阻力会一直处于较高的水平,不同马赫数下压心移动量较大,倒飞时发动机外露喷管会产生较大的干扰静不稳定力矩,其量值与栅格舵提供的静稳定控制力矩基本相当,在火箭子级垂直回收方案设计时需要引起注意。