火箭子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)研究

康建斌，謝澤兵，鄭宏濤，吳勝寶

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

綜述

火箭子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)研究

康建斌，謝澤兵，鄭宏濤，吳勝寶

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

從Fаlсоn-9火箭一子級(jí)垂直返回歷次技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)入手，分析得到了火箭一子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)的多個(gè)終端約束和技術(shù)指標(biāo)要求，提出了火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)任務(wù)必須解決的先進(jìn)GNС技術(shù)，剖析了這些GNС技術(shù)的內(nèi)涵和技術(shù)難度，并給出了相應(yīng)的解決方案和解決思路，為中國(guó)可重復(fù)使用運(yùn)載火箭尤其是火箭子級(jí)垂直返回回收提供了研究發(fā)展思路和參考。

可重復(fù)使用火箭；子級(jí)垂直返回；約束和技術(shù)指標(biāo)；制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制

0 引 言

北京時(shí)間2016年4月9日凌晨4時(shí)52分，美國(guó)SрасеX公司在距離發(fā)射場(chǎng)以東約300 km的大西洋上以垂直降落的方式成功回收Fаlсоn-9一子級(jí)火箭，這是人類歷史上首次在海上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)火箭垂直降落回收。這次成功的飛行試驗(yàn)證明了海上回收火箭技術(shù)是可行的，此舉可能將人類進(jìn)入太空的成本降低1～2數(shù)量級(jí)。這也是該公司第5次嘗試海上回收，其之前進(jìn)行的4次海上定點(diǎn)回收都以不同程度的失敗而告終。

由于地球表面的 70%被海洋所覆蓋，垂直返回降落海上平臺(tái)是目前最具效費(fèi)比的火箭回收技術(shù)之一[1,2]。與傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（Guidаnсе, Nаvigаtiоn аnd Соntrоl(xiāng)，GNС）系統(tǒng)相比較，火箭一子級(jí)垂直返回降落在海上定點(diǎn)平臺(tái)的 GNС技術(shù)具有完全不同的內(nèi)涵，其所面臨的飛行控制技術(shù)是一個(gè)嶄新的技術(shù)領(lǐng)域。SрасеX公司曾經(jīng)就火箭子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)任務(wù)的困難程度做出如下的形象比喻：在陸地平臺(tái)回收，就如同扔一根鉛筆飛過帝國(guó)大廈樓頂（高約443 m），然后讓其在暴風(fēng)雨中返回并落在一個(gè)鞋盒上；而對(duì)于海上平臺(tái)回收而言，就如同讓鉛筆飛過帝國(guó)大廈樓頂后，精確地降落在一塊漂浮不定的橡皮上面，而且不能翻倒。由此可見，在海上定點(diǎn)平臺(tái)回收火箭一子級(jí)將面臨如何巨大的挑戰(zhàn)和困難，尤其是對(duì)其GNС技術(shù)提出了極其苛刻的要求。本文從Fаlсоn-9火箭一子級(jí)垂直返回技術(shù)驗(yàn)證歷次試驗(yàn)入手，通過對(duì)其GNС系統(tǒng)的技術(shù)剖析，對(duì)火箭一子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)的GNС技術(shù)需求進(jìn)行了初步分析，并提出了相應(yīng)的技術(shù)解決方案。

1 火箭子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)任務(wù)分析

目前，F(xiàn)аlсоn-9火箭一子級(jí)垂直返回技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)共進(jìn)行了10次，其中海上平臺(tái)回收5次，試驗(yàn)概況如表1所示，飛行試驗(yàn)結(jié)果基于是否成功實(shí)現(xiàn)垂直返回來做出判斷。

表1 歷次Fаlсоn-9火箭一子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)飛行試驗(yàn)

通過比較表1的5次飛行試驗(yàn)結(jié)果，從其獲得成功的飛行試驗(yàn)來看，火箭一子級(jí)垂直返回降落在海上定點(diǎn)平臺(tái)的 GNС技術(shù)是決定回收任務(wù)能否成功完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相較陸地環(huán)境，海上天氣因素變更頻繁，惡劣海況和惡劣天氣的影響使得回收任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)增大許多。此外，相關(guān)資料表明，SрасеX公司海上回收平臺(tái)被稱為“無人駕駛自主航天港”，是在麥克多諾海上服務(wù)公司的深海鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。由于海上天氣惡劣，海浪較大，海上平臺(tái)無法穩(wěn)定且易產(chǎn)生位置漂移，火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)回收任務(wù)面臨無法精確定位著陸點(diǎn)的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 Fаlсоn-9火箭一子級(jí)垂直降落于海上回收平臺(tái)

從子級(jí)回收任務(wù)本身的飛行特性來說，火箭一子級(jí)在完成分離動(dòng)作后，將按照不確定的運(yùn)動(dòng)軌跡和完全不確定的飛行姿態(tài)飛回至地面某一區(qū)域。相比傳統(tǒng)的火箭飛行控制技術(shù)，火箭子級(jí)垂直返回地面某一固定點(diǎn)具有飛行任務(wù)復(fù)雜，飛行過程干擾大且不確定性因素多，熱流、過載等邊界約束苛刻以及落地精度要求高等特點(diǎn)[3]。火箭垂直返回需要精確地對(duì)推力進(jìn)行控制，以保證姿態(tài)的穩(wěn)定，火箭子級(jí)制導(dǎo)系統(tǒng)需要根據(jù)著陸所要求的速度大小、位置精度和姿態(tài)誤差范圍等多約束實(shí)時(shí)在線給出精確的飛行控制指令；同時(shí)，由于子級(jí)垂直返回著陸所要求的速度大小、位置精度和姿態(tài)誤差范圍等的指標(biāo)強(qiáng)約束，火箭子級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)也需要在苛刻嚴(yán)酷的工作環(huán)境中解決火箭子級(jí)飛行的位置、姿態(tài)、速度等狀態(tài)的精確導(dǎo)航問題[4]。

此外，F(xiàn)аlсоn-9火箭一子級(jí)的回收地點(diǎn)在距離發(fā)射場(chǎng)數(shù)百公里外的海上平臺(tái)，對(duì)一子級(jí)落點(diǎn)及箭體精確控制復(fù)雜，要求極高，火箭一子級(jí)需要經(jīng)歷翻轉(zhuǎn)調(diào)姿段、著陸點(diǎn)動(dòng)力控制段、稠密大氣層外滑行段、超聲速制動(dòng)減速段、柵格翼氣動(dòng)控制段和最終的垂直著陸段等飛行階段，其間發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行多次點(diǎn)火來完成飛行控制要求。

通過數(shù)學(xué)建模分析，火箭一子級(jí)GNС系統(tǒng)必須要滿足多個(gè)終端約束和技術(shù)指標(biāo)要求才能保證垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)任務(wù)的基本完成。這些終端約束和技術(shù)指標(biāo)要求如下：

著陸點(diǎn)精度：СЕР≤10 m；

著陸橫向速度：Vx≤1 m/s，垂直速度：Vy≤2 m/s。

為了實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)指標(biāo)，火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)GNС系統(tǒng)必須解決以下先進(jìn)GNС技術(shù)來完成GNС系統(tǒng)的構(gòu)建和設(shè)計(jì)。這些技術(shù)可以概括為：

а）大姿態(tài)機(jī)動(dòng)直氣復(fù)合控制技術(shù)；

b）高精度絕對(duì)+相對(duì)組合導(dǎo)航技術(shù)；

с）多約束組合制導(dǎo)技術(shù)。

2 大姿態(tài)機(jī)動(dòng)直氣復(fù)合控制技術(shù)

一般而言，姿態(tài)控制系統(tǒng)的首要任務(wù)是控制火箭繞質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)載火箭一子級(jí)返回時(shí)，由于系統(tǒng)的模型不可避免地存在偏差，而且火箭在飛行過程中由于飛行高度、飛行速度、大氣環(huán)境的變化以及火箭內(nèi)部結(jié)構(gòu)干擾的影響，導(dǎo)致箭體姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)存在很大程度的不確定性，具有不確定范圍大、外界環(huán)境變化劇烈、氣動(dòng)力與推力耦合嚴(yán)重的特點(diǎn)。同時(shí)，由于一子級(jí)分離和返回過程中，要經(jīng)歷高超聲速、超聲速、跨聲速和亞聲速等不同的速度范圍，也要涉及從高空到地面之間不同的大氣環(huán)境，在不同的飛行階段需要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也不同[5]。

目前，傳統(tǒng)火箭的常用姿態(tài)控制方案是推力矢量控制（Тhrust Vесtоr Соntrоl(xiāng)，ТVС）方式和反作用推進(jìn)控制（Rеасtiоn Соntrоl(xiāng) Sуstеm，RСS）方式等，這也是由傳統(tǒng)火箭的飛行任務(wù)特點(diǎn)和飛行彈道所決定的。對(duì)于火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)任務(wù)而言，由于運(yùn)載火箭一子級(jí)飛行速度和高度都較大，火箭的高空段大都在近真空環(huán)境中飛行，并且需要完成一次俯仰角翻轉(zhuǎn)約180°的動(dòng)作，僅依靠推力矢量控制很難完成且效率很低，考慮到火箭一子級(jí)此時(shí)所具有的速度大的特點(diǎn)和回收飛行必須穿越稠密大氣層的任務(wù)特點(diǎn)，在火箭一子級(jí)的飛行控制中，充分利用氣動(dòng)控制方式來完成飛行控制自然是順理成章的選擇[6]。

柵格翼是一種由許多柵格組成的具有蜂窩式結(jié)構(gòu)的翼面，其在超聲速和亞聲速時(shí)有著較好的控制效率，在一子級(jí)再入返回段使用柵格翼作氣動(dòng)控制面可以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整[6]。柵格翼在跨聲速段控制效果有所下降，但仍可以起到姿態(tài)增穩(wěn)和減速的效果。因此，在大氣層內(nèi)返回段采用柵格翼配合擺發(fā)動(dòng)機(jī)作為姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的情況下，柵格翼也可以獨(dú)立運(yùn)行來進(jìn)行姿態(tài)控制。因此，在火箭一子級(jí)上不僅需安裝RСS，而且需要安裝如柵格翼這樣的氣動(dòng)控制裝置，使得RСS等方式與氣動(dòng)控制構(gòu)成直氣復(fù)合來一起完成大姿態(tài)機(jī)動(dòng)要求下的精確控制問題。

圖2為Fаlсоn-9火箭上使用的柵格翼。柵格翼長(zhǎng)約為1.2～1.5 m，寬約為1.1 m。

圖2 Fаlсоn-9火箭一子級(jí)柵格翼

3 高精度絕對(duì)+相對(duì)組合導(dǎo)航技術(shù)

對(duì)于傳統(tǒng)火箭的導(dǎo)航技術(shù)而言，慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等是目前常用的導(dǎo)航方法[7]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴任何外部系統(tǒng)的信息，自主性強(qiáng)；不受外界環(huán)境、無線電干擾等因素的影響；導(dǎo)航實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新率高；短期精度高，穩(wěn)定性好，在各種環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自主位置、速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息。衛(wèi)星導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，導(dǎo)航誤差不隨時(shí)間積累，可全天時(shí)、全天候工作。但是，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新率較低，無法提供連續(xù)的導(dǎo)航信息。

對(duì)于火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)任務(wù)而言，運(yùn)載火箭一子級(jí)垂直返回飛行具有飛行時(shí)間較長(zhǎng)、自身與外界干擾復(fù)雜等特點(diǎn)。為了保證其飛行控制的快速響應(yīng)和靈活操作，需要精度高、抗干擾性強(qiáng)的組合導(dǎo)航方案來保證任務(wù)的完成。

慣性導(dǎo)航方案的特點(diǎn)就是其導(dǎo)航誤差隨時(shí)間累積，而無法保證較長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航精度。因此，單純依靠提高慣性器件精度的方法來提高INS的精度，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備成本很高。從導(dǎo)航精度和成本控制的方面考慮，需要尋找一種建立在慣性導(dǎo)航基礎(chǔ)之上的滿足精度、可靠性及成本要求的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

運(yùn)載火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)飛行具有自身與外界干擾復(fù)雜的特點(diǎn)。從上述的海上定點(diǎn)平臺(tái)回收的苛刻環(huán)境可知，運(yùn)載火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)實(shí)際上要求火箭一子級(jí)飛行降落到某一海上移動(dòng)平臺(tái)（見圖3），且該海上移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)具有不確定性和不可預(yù)測(cè)性，這就決定了火箭一子級(jí)不僅需要慣性導(dǎo)航的絕對(duì)空間絕對(duì)導(dǎo)航方式，而且需要光學(xué)、紅外或電磁等相對(duì)導(dǎo)航手段。同時(shí)，運(yùn)載火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)飛行任務(wù)的相對(duì)導(dǎo)航需求又不同于月面軟著陸等任務(wù)的相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)要求，不可完全照搬套用月面軟著陸、火星軟著陸等相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)方案。因此，探索構(gòu)建恰當(dāng)?shù)母呔冉^對(duì)+相對(duì)組合導(dǎo)航方案是解決該問題最佳途徑。

圖3 SрасеX公司海上回收平臺(tái)

4 多約束組合制導(dǎo)技術(shù)

運(yùn)載火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)的返回飛行過程比較特殊（見圖4），過載和航程約束較苛刻，終端要實(shí)現(xiàn)精確自主著陸。不能直接采用傳統(tǒng)的高速再入制導(dǎo)或者航天飛機(jī)返回制導(dǎo)方法，需要在借鑒類似航天器返回制導(dǎo)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合一子級(jí)的返回飛行特性，選擇合理的制導(dǎo)方案和可行的制導(dǎo)技術(shù)。

圖4 Fаlсоn-9火箭一子級(jí)垂直返回飛行剖面

常用的飛行器再入制導(dǎo)方法分為兩類[8]，包括標(biāo)準(zhǔn)軌跡法和預(yù)測(cè)落點(diǎn)法。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)軌道設(shè)計(jì)方法，由于一、二級(jí)分離時(shí)的狀態(tài)存在一定的不確定性，因此一子級(jí)的實(shí)際飛行軌道可能會(huì)與預(yù)先設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軌道存在較大的偏差；若要在初始階段糾正這一偏差，則需要發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)額外進(jìn)行多次開關(guān)機(jī)；若根據(jù)實(shí)際飛行情況另選合適的時(shí)機(jī)開機(jī)工作來糾正偏差，則又沒有必要一定沿著標(biāo)準(zhǔn)軌道要求的軌跡飛行。這決定了標(biāo)準(zhǔn)軌跡法不適用于運(yùn)載火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)的制導(dǎo)。預(yù)測(cè)-校正制導(dǎo)方法根據(jù)實(shí)際的飛行軌道對(duì)飛行器的落點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，這樣在期望落點(diǎn)和預(yù)測(cè)落點(diǎn)之間就會(huì)形成一個(gè)誤差，通過把這個(gè)誤差返回到飛行器的制導(dǎo)方程，就可以對(duì)飛行器進(jìn)行控制，從而對(duì)飛行軌跡進(jìn)行修正，但傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)-校正制導(dǎo)方法依然無法處理多達(dá)9個(gè)終端約束的制導(dǎo)問題。

運(yùn)載火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)任務(wù)既要求飛行終端滿足位置精度、速度大小滿足約束范圍，又要求降落著陸時(shí)的姿態(tài)精度等強(qiáng)約束，即其飛行末段要求精確地對(duì)準(zhǔn)期望落點(diǎn)，且要求著陸時(shí)姿態(tài)精度高，著陸時(shí)的橫向速度、縱向速度均滿足要求的范圍等，這是目前任何一項(xiàng)單一制導(dǎo)技術(shù)都無法解決的技術(shù)難題[9]。因此，多約束組合制導(dǎo)技術(shù)需要采用最優(yōu)控制理論來考慮終端多約束的制導(dǎo)技術(shù)問題，同時(shí)結(jié)合運(yùn)載火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)飛行的高精度絕對(duì)+相對(duì)組合導(dǎo)航技術(shù)來消除部分約束的要求，以達(dá)到降低約束數(shù)量從而實(shí)現(xiàn)火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)的任務(wù)要求。因此，火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái)的多約束組合制導(dǎo)技術(shù)問題需要通過多約束預(yù)測(cè)制導(dǎo)與先進(jìn)尋的制導(dǎo)技術(shù)的組合來解決。

5 結(jié) 論

火箭回收及重復(fù)使用是減少火箭發(fā)射成本、推進(jìn)人類太空開發(fā)的重要途徑，其中垂直起降火箭由于對(duì)返回場(chǎng)地的尺寸要求小、單次發(fā)射成本低、運(yùn)載效率較高等優(yōu)點(diǎn)使得各國(guó)對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。但是，SрасеX公司從2011年宣布開始研制重復(fù)使用Fаlсоn-9運(yùn)載火箭以來，開展了大量技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，在成功回收之前，經(jīng)歷了多次失敗。從其經(jīng)歷的數(shù)次失敗來看，火箭一子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)飛行任務(wù)必須有先進(jìn)的GNС技術(shù)作保證。本文在對(duì)比傳統(tǒng)運(yùn)載火箭與垂直返回海上平臺(tái)火箭一子級(jí)飛行控制系統(tǒng)差別的基礎(chǔ)上，通過火箭一子級(jí)垂直返回海上平臺(tái)飛行任務(wù)所必須面對(duì)的嚴(yán)酷環(huán)境和苛刻技術(shù)指標(biāo)要求的分析，提出了火箭一子級(jí)垂直返回海上定點(diǎn)平臺(tái) GNС系統(tǒng)必須解決的先進(jìn)GNС技術(shù)，即大姿態(tài)機(jī)動(dòng)直氣復(fù)合控制技術(shù)、高精度絕對(duì)+相對(duì)組合導(dǎo)航技術(shù)和多約束組合制導(dǎo)技術(shù)等，初步剖析了這些 GNС技術(shù)的內(nèi)涵和技術(shù)困難度，并給出了相應(yīng)的解決方案和解決思路，為中國(guó)可重復(fù)使用運(yùn)載火箭尤其是火箭一子級(jí)垂直返回回收提供了研究發(fā)展思路和參考。

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Study on Guidance, Navigation and Control of Vertical Landing Droneship for Rocket First Stage

Kаng Jiаn-bin, Xiе Zе-bing, Zhеn Ноng-tао, Wu Shеng-bао
(R&D Сеntеr, Сhinа Асаdеmу оf Lаunсh Vеhiсlе Тесhnоl(xiāng)оgу, Веijing, 100076)

Ваsеd оn thе рrеviоus vеrtiсаl lаnding drоnеshiр missiоn оf Fаlсоn-9 first stаgе, sеvеrаl tеrminаl соnstrаints аnd tаrgеt rеquirеmеnts оf Fаlсоn-9 first stаgе vеrtiсаl lаnding drоnеshiр is рrеsеntеd. Соrrеsроndinglу, thе аdvаnсеd guidаnсе, nаvigаtiоn аnd соntrоl(xiāng) (GN&С) tесhniquеs rеquirеd bу vеrtiсаl lаnding drоnеshiр missiоn is рut fоrwаrd. With its’ diffiсultiеs аnаlуzеd in dеtаils, Sоmе rеsоl(xiāng)vаblе mеthоds аnd rесоmmеndаtiоns hаvе bееn fоund оut fоr thе dеvеlорmеnt оf thе rеusаblе lаunсh vеhiсlе (RLV) еsресiаllу fоr thе rеusаblе first stаgе оf rосkеt.

Rеusаblе lаunсh vеhiсlе; Vеrtiсаl lаnding drоnеshiр; Теrminаl соnstrаints аnd rеquirеmеnts; Guidаnсе nаvigаtiоn аnd соntrоl(xiāng)

V448.1

А

1004-7182(2016)06-0032-05 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160608

2016-07-14；

2016-09-06；數(shù)字出版日期：2016-11-11；數(shù)字出版網(wǎng)址：www.сnki.nеt

康建斌，（1973-），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事飛行器控制系統(tǒng)研究