可反复利用运载火箭 | 星际光彩打破火箭接纳要害造导技能

泉源 北京星际光彩空间科技有限公司

克日，星际光彩顺遂完成火箭一子级接纳历程的在线计划制导技能软硬件立室验证，测试了相干算法框架在智能箭载盘算机“星控一号”上的事情情形，运算速率餍足设计要求。试验效果评释，星际光彩自主研发的在线计划制导计谋餍足了自主可控、实战可用的目的。

（X-Y 平面仿真飞行轨迹）

在线计划制导技能是实现可重复利用火箭着陆的要害，该技能使火箭在返回历程中具备自顺应调解和在线及时优化的本领，以有用应对种种滋扰和突发情形，是保障火箭一子级接纳历程指标最优、落点准确的焦点技能。这次试验的乐成为双曲线二号（SQX-2）可重复利用运载火箭一子级乐成接纳提供了紧张技能保障。

（差别再入肇始点，火箭软着陆历程的飞行轨迹）

从 2018 年起，星际光彩的制导操纵设计师团队连续开展基于凸优化的在线计划制导技能研究，在一系列要害技能上取得了较猛进展。基于凸优化的在线计划制导操纵技能涉及飞行力学、操纵理论、优化理论、数值阐发、盘算机硬件、软件工程等诸多学科。本次软硬件立室试验的乐成，标记着星际光彩继全面把握高精度固体、液体迭代制导技能之后，根本把握了运载火箭下一代制导操纵的要害焦点技能。后续将用于火箭上升段制导操纵以替换现在的迭代制导技能，也可以用于最优轨道转移、多飞行器协划一多个范畴，为星际光彩实现运载火箭的全飞行域智能操纵打下技能底子。

（设计职员测试优化算法在智能箭载盘算机“星控一号”上的盘算速率）

凸优化理论对火箭接纳历程至关紧张

火箭一子级接纳为什么要用凸优化理论？关于这个题目的答复要回来到一子级接纳的现实要求以及凸优化的特性自己。

火箭靠推进剂开释化学能加快把货品输送到特定位置，再靠推进剂减速回到地面特定位置（现在天下上只能做到一子级动力接纳），整个历程的动力操纵都必要斲丧推进剂。而怎样安排推进剂使得运载本领（即往特定轨道运载几多货品的本领）最大的同时能包管火箭宁静接纳，这一点至关紧张，该题目可进一步转化为使接纳历程斲丧推进剂最少的题目，也便是把推进剂尽大概多的用于上升段的加快、尽大概少的用于接纳段的减速，这正是一个优化题目。通例的制导要领不是优化要领，虽可以实现火箭的宁静接纳，却无法包管火箭运载本领的最大化，也就无法包管运输利润最大化。而凸优化正是利用优化要领办理题目的一条确切可行的路径。

（从1000米处接纳的多种潜伏路径及燃耗最优路径比拟图）

与火箭上升阶段相比，一子级接纳阶段对操纵技能提出了更高要求。一方面，一子级接纳的鉴定效果更为刚性，好比上升阶段，载荷入轨放射毛病在数公里范畴内均可鉴定为放射使命圆满乐成，而一子级接纳的落点偏差仅许可操纵在几米乃至几十厘米；另一方面，一子级接纳历程的工况也更为庞大，好比火箭降落阶段液体推进剂质量的淘汰以及章动、大姿态条件下的气动滋扰等造成的箭体稳健性更差。是以，一子级接纳的历程必要更精致化的操纵，以实现接纳历程的路径计划最优、能量安排最优、操纵品格最优。

而基于凸优化理论的在线计划制导技能，具有全程指标最优、在线及时求解、精度高、鲁棒性强、实用范畴广等诸多长处，是最新一代可遍及应用于航空航天范畴的制导操纵要领。

凸优化理论是数学中优化理论的一个紧张分支，在呆板进修、数据发掘等范畴应用非常遍及。该理论进展较为成熟，许多优化题目一旦转换为凸优化题目，即意味着该题目根本已得到办理。其应用范畴非常遍及，如主动操纵体系、估量和信号处置惩罚、通讯网络、电路设计、数据阐发及建模、统计和金融等范畴。此前该理论在航天范畴应用较少，其最初应用于航天范畴，是为相识决在月球、火星等地生手星探测使命中的计划制导题目，而 SpaceX乐成将该技能迁徙应用到猎鹰 9 号上，于是显现了2015年12月21日20：30分（本地时间）谁人载入史乘的一刻：猎鹰9号火箭在输送Orbcomm公司11颗通讯卫星进入轨道后，一子级返回佛罗里达州卡纳维拉尔角，笔挺又安稳地降落在放射工位上。

（图片泉源于网络）

与传统的摄动制导给出牢固飞行弹道的要领相比，该要领不设定牢固弹道，具有高动态性、高机动性、指标最优性等特点，也便是说在飞行历程中火箭的“大脑”及时作出决议计划，纵然当前时候火箭已经和预定位置有了较大毛病、纵然目的点和预定目的点有所改变，也包管火箭能到达要求的目的点，同时包管某项指标最优，好比用最少的燃料或用最少的时间；与迭代制导追踪牢固点的要领相比，该要领同样具有高机动性、指标最优性的长处，好比基于凸优化的要领可以实现导弹根据特定轨迹飞行，同时包管时间最优，而迭代制导则无法实现，迭代制导也无法实现火箭在接纳历程中利用最少的燃料以包管最大的运载本领。

星际光彩基于凸优化的制导技能结果丰富

针对凸优化要领，外洋已有一些开源的求解器，但存在底层代码不行控、运行不稳健等题目。

星际光彩拥有一支履历富厚的制导操纵设计师团队，颠末多年积存，在基于凸优化的在线计划制导技能研究上取得一系列丰富结果：

• 独立自主研制了更实用于运载火箭飞行使命的求解器。该求解器不但自主可控、实战可用，同时，可将线性题目与庞大的非线性题目联合，极大进步了求解速率；

• 实现了轨迹在线快速盘算技能。单次运算速率进入百毫秒以内，餍足了火箭放射及接纳使命快速相应的必要，到达偕行业先辈程度；

• 大范畴、多束缚三通道轨迹优化技能。即保障该在线计划制导技能在多种表里部束缚条件下都可以确保接纳使命乐成，确切可用。

（计划火箭速率、发动机推力及三维轨迹）

基于凸优化的制导操纵要领在为航空航天操纵技能带来庞大前进的同时，也对飞控盘算机的盘算本领提出了更高的要求。飞控盘算机必要在线及时盘算大范围凸优化题目，以对飞行路径举行餍足各项束缚的计划，乃至可以对飞行姿态举行计划。星际光彩自主研发的星控系列智能箭载盘算机，具有完全自主知识产权，体系宁静可靠，运算性能壮大，餍足航天技能的相干要求。

基于上述凸优化在线计划制导技能的火箭接纳技能将会在来岁通过星际光彩SQX-2一子级公里级、百公里级接纳试验及SQX-2 首飞使命举行实战练习。

SQX-2是星际光彩自主研发的基于液氧甲烷发动机的一款可重复利用运载火箭。该火箭打算来岁举行一子级接纳试验，飞行高度分别是米级、公里级和百公里级，用于验证新的计划制导操纵技能、可变推力动力体系、箭体布局和机构、着陆体系性能等指标，为星际光彩开辟液体可接纳运载火箭技能、低落放射本钱、开辟贸易市场奠基坚固底子。