可重复使用运载火箭星际荣耀突破火箭回收关键制导技术

　　来源北京星际荣耀空间科技有限公司
　　近日，星际荣耀顺利完成火箭一子级回收过程的在线规划制导技术软硬件匹配验证，测试了相关算法框架在智能箭载计算机星控一号上的工作情况，运算速度满足设计要求。试验结果表明，星际荣耀自主研发的在线规划制导策略满足了自主可控、实战可用的目标。
　　（XY平面仿真飞行轨迹）
　　在线规划制导技术是实现可重复使用火箭着陆的关键，该技术使火箭在返回过程中具备自适应调整和在线实时优化的能力，以有效应对各种干扰和突发情况，是保障火箭一子级回收过程指标最优、落点精确的核心技术。此次试验的成功为双曲线二号（SQX2）可重复使用运载火箭一子级成功回收提供了重要技术保障。
　　（不同再入起始点，火箭软着陆过程的飞行轨迹）
　　从2018年起，星际荣耀的制导控制设计师团队持续开展基于凸优化的在线规划制导技术研究，在一系列关键技术上取得了较大进展。基于凸优化的在线规划制导控制技术涉及飞行力学、控制理论、优化理论、数值分析、计算机硬件、软件工程等诸多学科。本次软硬件匹配试验的成功，标志着星际荣耀继全面掌握高精度固体、液体迭代制导技术之后，基本掌握了运载火箭下一代制导控制的关键核心技术。后续将用于火箭上升段制导控制以替代目前的迭代制导技术，也可以用于最优轨道转移、多飞行器协同等多个领域，为星际荣耀实现运载火箭的全飞行域智能控制打下技术基础。
　　（设计人员测试优化算法在智能箭载计算机星控一号上的计算速度）
　　凸优化理论对火箭回收过程至关重要
　　火箭一子级回收为什么要用凸优化理论？关于这个问题的回答要回归到一子级回收的实际要求以及凸优化的特性本身。
　　火箭靠推进剂释放化学能加速把货物运送到特定位置，再靠推进剂减速回到地面特定位置（目前世界上只能做到一子级动力回收），整个过程的动力控制都需要消耗推进剂。而如何分配推进剂使得运载能力（即往特定轨道运载多少货物的能力）最大的同时能保证火箭安全回收，这一点至关重要，该问题可进一步转化为使回收过程消耗推进剂最少的问题，也就是把推进剂尽可能多的用于上升段的加速、尽可能少的用于回收段的减速，这正是一个优化问题。常规的制导方法不是优化方法，虽可以实现火箭的安全回收，却无法保证火箭运载能力的最大化，也就无法保证运输利润最大化。而凸优化正是使用优化方法解决问题的一条切实可行的路径。
　　（从1000米处回收的多种潜在路径及燃耗最优路径对比图）
　　与火箭上升阶段相比，一子级回收阶段对控制技术提出了更高要求。一方面，一子级回收的判定结果更为刚性，比如上升阶段，载荷入轨发射偏差在数公里范围内均可判定为发射任务圆满成功，而一子级回收的落点误差仅允许控制在几米甚至几十厘米；另一方面，一子级回收过程的工况也更为复杂，比如火箭下降阶段液体推进剂质量的减少以及章动、大姿态条件下的气动干扰等造成的箭体稳定性更差。因此，一子级回收的过程需要更精细化的控制，以实现回收过程的路径规划最优、能量分配最优、控制品质最优。
　　而基于凸优化理论的在线规划制导技术，具有全程指标最优、在线实时求解、精度高、鲁棒性强、适用范围广等诸多优点，是最新一代可广泛应用于航空航天领域的制导控制方法。
　　凸优化理论是数学中优化理论的一个重要分支，在机器学习、数据挖掘等领域应用非常广泛。该理论发展较为成熟，很多优化问题一旦转换为凸优化问题，即意味着该问题基本已得到解决。其应用领域非常广泛，如自动控制系统、估计和信号处理、通信网络、电路设计、数据分析及建模、统计和金融等领域。此前该理论在航天领域应用较少，其最初应用于航天领域，是为了解决在月球、火星等地外行星探测任务中的规划制导问题，而SpaceX成功将该技术迁移应用到猎鹰9号上，于是出现了2015年12月21日20：30分（当地时间）那个载入史册的一刻：猎鹰9号火箭在运送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，笔直又平稳地降落在发射工位上。
　　（图片来源于网络）
　　与传统的摄动制导给出固定飞行弹道的方法相比，该方法不设定固定弹道，具有高动态性、高灵活性、指标最优性等特点，也就是说在飞行过程中火箭的大脑实时作出决策，即使当前时刻火箭已经和预定位置有了较大偏差、即使目标点和预定目标点有所变化，也保证火箭能达到要求的目标点，同时保证某项指标最优，比如用最少的燃料或用最少的时间；与迭代制导追踪固定点的方法相比，该方法同样具有高灵活性、指标最优性的优点，比如基于凸优化的方法可以实现导弹按照特定轨迹飞行，同时保证时间最优，而迭代制导则无法实现，迭代制导也无法实现火箭在回收过程中使用最少的燃料以保证最大的运载能力。
　　星际荣耀基于凸优化的制导技术成果丰硕
　　针对凸优化方法，国外已有一些开源的求解器，但存在底层代码不可控、运行不稳定等问题。
　　星际荣耀拥有一支经验丰富的制导控制设计师团队，经过多年积累，在基于凸优化的在线规划制导技术研究上取得一系列丰硕成果：
　　独立自主研制了更适用于运载火箭飞行任务的求解器。该求解器不仅自主可控、实战可用，同时，可将线性问题与复杂的非线性问题结合，极大提高了求解速度；
　　实现了轨迹在线快速计算技术。单次运算速度进入百毫秒以内，满足了火箭发射及回收任务快速响应的需要，达到同行业先进水平；
　　大范围、多约束三通道轨迹优化技术。即保障该在线规划制导技术在多种内外部约束条件下都可以确保回收任务成功，切实可用。
　　（规划火箭速度、发动机推力及三维轨迹）
　　基于凸优化的制导控制方法在为航空航天控制技术带来巨大进步的同时，也对飞控计算机的计算能力提出了更高的要求。飞控计算机需要在线实时计算大规模凸优化问题，以对飞行路径进行满足各项约束的规划，甚至可以对飞行姿态进行规划。星际荣耀自主研发的星控系列智能箭载计算机，具有完全自主知识产权，系统安全可靠，运算性能强大，满足航天技术的相关要求。
　　基于上述凸优化在线规划制导技术的火箭回收技术将会在明年通过星际荣耀SQX2一子级公里级、百公里级回收试验及SQX2首飞任务进行实战演练。
　　SQX2是星际荣耀自主研发的基于液氧甲烷发动机的一款可重复使用运载火箭。该火箭计划明年进行一子级回收试验，飞行高度分别是米级、公里级和百公里级，用于验证新的规划制导控制技术、可变推力动力系统、箭体结构和机构、着陆系统性能等指标，为星际荣耀开拓液体可回收运载火箭技术、降低发射成本、开拓商业市场奠定坚实基础。