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admin 2019-05-12 阅读:296

科技日报实习记者 胡定坤

5月4日,SpaceX发射“猎鹰9”运载火箭履行其第17次世界空间站补给使命,此次发射仍上演了SpaceX的擅长绝活——一级火箭笔直收回。

SpaceX第17次世界空间站货运补给使命

SpaceX火箭发射及收回轨道,来历:John Kraus

近来,我国民营火箭企业翎客航天接连两次完结火箭“低空发射及收回实验”,并声称这“两连跳”均是火箭笔直收回环节的最终一步。

翎客航天(LinkSpace)

火箭笔直收回有哪些奥妙?看起来简略的“跳一跳”实验,莫非真是通向火箭收回之路的“敲门砖”?

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收回火箭,进程杂乱应战多

谈到火箭收回,谁能比SpaceX还有发言权?但自从它开端研讨火箭收回技能以来,一向将其视为关乎公司竞争力的中心秘要,从不申请专利,也不宣布任何技能性论文。2016年,SpaceX火箭着陆技能主管拉斯•布莱克默“破天荒”地宣布一篇题为《太空火箭自主准确着陆》的总述性文章,才开始揭开了该公司火箭收回技能奥秘面纱的一角。

拉斯•布莱克默总结了火箭收回面对的四大应战。首先是环境极点杂乱,火箭从高空回来速度大,大气阻力和气动加热显着;其次是使命容错率低,回来有必要一次成功,简直没有二次测验的时机;三是着陆困难,需求规划可折叠着陆缓冲设备等杂乱的辅佐组织;最终是要战胜战胜风力等扰动准确抵达收回场所。

火箭收回进程也比较杂乱。一级火箭别离后,由于惯性会持续上升,抵达必定高度时姿态操控系统使一级火箭倒转,重启发动机反推使其进入回来轨道;进入大气层后,一级火箭上设备的4个钛合金格栅将打开,以操控其飞翔姿态,使其飞向着陆点;当挨近着陆点必定间隔时,发动机再次重启,着陆缓冲设备打开,进入结尾着陆段。

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技能多,哪个才是最中心

对火箭笔直收回而言,哪个技能最要害?

北京理工大学宇航学院特聘研讨员刘新福通知科技日报记者,在发动机推力可调及着陆缓冲组织等硬件条件的基础上,火箭收回最大的难点是在着陆段怎样依据火箭的当时方位、速度、姿态等信息,在线实时核算出发动机推力的巨细和方向以完成安全准确着陆,其最中心的技能是着陆段的制导算法。

SpaceX用了什么制导算法?布莱克默在文中宣布,这个秘密兵器叫做“凸优化”。刘新福介绍,2007年,NASA部属的喷气推动实验室(JPL)在世界威望期刊“Journal of Guidance, Control, and Dynamics”上首先提出了根据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于美国Masten公司的Xombie小火箭上进行测验,使其具有了笔直着陆才能。

SpaceX第17次世界空间站货运补给使命

“火箭收回对着陆制导算法的要求一是牢靠,二是核算速度快,箭载核算机要能在两三百毫秒以内核算出满意多约束条件的最优飞翔轨道。”刘新福表明,之前做不到收回火箭,首要是由于没有满意要求的制导算法。凸优化制导算法一般牢靠性高、收敛速度快,为完成火箭收回供给了或许。

刘新福谈到,低速状况、疏忽大气阻力状况下的凸优化制导算法及其在飞翔器上的验证实验已在揭露文献中宣布。但实践使命中火箭回来速度极快,在着陆段的大气阻力不行疏忽且对飞翔轨道影响较大。如安在考虑气动力的状况下规划凸优化制导算法,确保算法的牢靠性与快速性,才是SpaceX的独门秘籍之一。

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“跳一跳”,什么“姿态”才正确

众所周知,SpaceX在收回“猎鹰9”火箭之前,曾运用“蚱蜢”火箭以及“F9R Dev”火箭展开低空飞翔收回实验,而“F9R Dev”火箭简直便是“猎鹰9”火箭的一级火箭部分。

“这种实验的意图之一,便是验证着陆制导与操控算法的可行性。”刘新福介绍,比方“蚱蜢”火箭曾专门进行侧向机动实验,让火箭飞到必定高度的一起横向机动必定间隔,然后让火箭回来发射点。后来“猎鹰9”火箭实践收回使命中在着陆段的确有显着的横向机动进程,“蚱蜢”实验在必定程度上仿真了这一状况,并证明着陆制导与操控算法可以满意横向机动要求。前期进行的“直上直下”的收回实验,技能难度则相对低不少。

SpaceX第17次世界空间站货运补给使命

“此外,火箭实验进程中的速度改变状况也很要害。”刘新福弥补,假如火箭基本上匀速缓慢着陆,这样的实验难度相对较低,也不符合实践的飞翔状况。此外,火箭着陆要一起准确操控方位和速度,当高度降为零时,速度也要简直降到零,并且简直没有批改的时机,任何悬停都会导致燃料的糟蹋,这样的使命选用离线轨道盯梢办法很难完成。

刘新福指出,难度比较高的实验方法可所以火箭飞起来后进行大范围横向机动并准确着陆,制导算法需在线实时核算出“燃料最优”的着陆轨道及相应的操控量,然后操控算法盯梢该轨道完成着陆,必要时该着陆轨道需在线从头规划。这种状况下对该轨道核算的牢靠性与实时性提出了极高的要求,且火箭速度较大并一向改变。如Xombie火箭的飞翔实验中最大横向速度高达30m/s(即每小时108公里),最大下降速度也高达20m/s。最省燃料对火箭收回也很重要,由于预留的燃料越少,火箭的运载才能丢失最小。

来历:科技日报 文中图片均来自网络

修改:岳靓

审阅:管晶晶

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