摘要：可重复使用运载火箭是实现人类大规模低成本进出空间的重要途径。本文从垂直起降可重复使用运载火箭的技术需求出发,梳理了垂直起降可重复使用运载火箭面临的技术难题,并从技术难题分析得到垂直起降可重复使用运载火箭的关键技术。从总体优化设计、动力、结构与热防护、导航、制导与控制和健康管理等方面,对垂直起降可重复使用运载火箭关键技术的研究进展与未来发展方向进行了总结,可为可重复使用运载火箭的技术攻关提供参考。

摘要：通过对着陆支腿数量和构型进行对比仿真分析,提出了可重复使用运载火箭着陆支腿的总体布局方案,同时建立了着陆支腿参数化仿真模型,将着陆支腿的关键几何参数作为决策变量,基于多体动力学仿真软件开展着陆稳定性仿真分析,以提高着陆稳定性、降低运载火箭返回级受到的着陆过载系数及支腿轻量化为优化目标,对着陆支腿关键几何参数进行优化和确定。仿真结果表明,优化结果能够满足工程使用需要,可以为可重复使用运载火箭着陆支腿总体方案设计提供参考。

摘要：可重复使用火箭是当今世界运载火箭技术发展的重要方向。传统的一次性运载火箭只需要完成单次发射任务,通常使用高静强度安全系数来保证其结构可靠性。对于需要尽可能多地执行发射任务以提高经济效益的可重复使用运载火箭,结构疲劳耐久性与可靠性是静强度难以覆盖的。抗疲劳断裂性能与可靠性是高性能可重复使用运载火箭结构设计的基本问题。分析了火箭、尤其是发动机结构的载荷特点,提出环境因素作用下的振动疲劳是运载火箭发动机结构的主要失效形式;分析了运载火箭中常见的焊接结构与金属增材制造结构的疲劳问题,总结了运载火箭结构耐久性和可靠性分析的研究现状,对可重复使用运载火箭的耐久性与可靠性设计进行了展望。

摘要：针对可重复使用运载火箭一子级在垂直回收过程无动力减速段的姿态控制问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器和改进超螺旋算法的积分终端滑模控制方法。首先,基于火箭一子级绕质心运动模型,将含有模型不确定和外部扰动的姿态跟踪控制问题转化为含总扰动的二阶系统有限时间控制问题;其次,采用有限时间扩张状态观测器对系统不可测量状态量和总扰动进行估计,进一步将状态量估计值引入积分终端滑模面,基于总扰动估计值和改进超螺旋算法设计改进超螺旋积分终端滑模控制器;最后,利用Lyapunov理论证明闭环系统有限时间稳定。研究结果表明:该控制方法能够实现可重复使用运载火箭一子级姿态的准确快速跟踪并具有良好的鲁棒性。

摘要：针对可重复使用运载火箭一子级返回过程中大气层内无动力减速段姿态控制问题,考虑模型不确定性和外界干扰因素的影响,提出了一种基于多变量有限时间扩张状态观测器(multivariable finite-time extended stateobserver, MFTESO)的多变量有限时间控制方法。基于绕质心运动模型建立面向姿态控制的模型,利用MFTESO对系统状态和总扰动进行估计,并将估计值引入多变量有限时间控制器,以保证对姿态角期望值的准确和快速跟踪控制。基于Lyapunov理论证明了闭环系统有限时间稳定性;将基于MFTESO的多变量有限时间控制方法与非奇异快速终端滑模控制方法作对比,结果表明,前者使运载火箭一子级动态响应过程中的超调量、稳态误差更小,且能在有限时间内跟踪姿态角期望值,为实现垂直回收提供了必要条件。

摘要：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。

摘要：本文首先量化论述了SpaceX公司猎鹰系列运载火箭在发射次数、运输质量、发射成本、发射效率等方面的技术优势;其次,总结了该公司对全球航天发射服务带来的总体影响,并剖析了SpaceX公司的发展模式及其实现低成本发射的5个主要原因;再次,对比分析了我国现役主流运载火箭与猎鹰系列火箭相比在设计与制造成本方面存在的短板及其原因;最后,为推动我国航天低成本发射,提出了覆盖经营理念和管理模式变革、加快技术创新步伐、构建数字研制体系等5方面的建议,以快速提升我国航天运输市场竞争力。

摘要：可重复使用运载火箭能够大幅降低进入空间的成本,是下一代航天运输系统的重要组成部分,而动力着陆段是实现可重复使用运载火箭回收的关键。对现有运载火箭动力着陆段的制导控制方法进行了综述,在对现有方法进行分析的基础上提出了一种模块化协作设计,并对人工智能方法在制导控制中的应用进行了展望。首先建立了运载火箭动力着陆段制导控制的整体模型,归纳了常用指标及约束集合,并分析了制导控制设计需解决的问题。然后,对现有的主要制导控制方法,即解析制导方法、轨迹优化制导方法、基于机器学习的制导方法、姿态控制方法及制导控制协作方法等进行了综述,通过分析所考虑的运动方程模型、约束及性能指标等对主要方法进行了较全面的比较,并进一步针对不确定模型及干扰下的制导控制综合目标优化问题提出了一种模块化智能协作方法。最后,对动力着陆段制导控制方法的发展趋势进行了总结,并对人工智能方法与动力着陆段制导控制方法的结合进行了展望。

摘要：针对可重复使用运载火箭垂直回收软着陆问题,本文提出了一种运载火箭垂直回收着陆系统的理论设计原理,可用于开展着陆系统构型设计和支腿设计;基于有限元开展了动力学仿真并验证了所提出的设计原理的正确性。该设计原理未来可用于运载火箭垂直回收着陆系统的设计与优化。

摘要：可重复使用运载火箭在大气层内的回收着陆依靠气动力和推力完成高精度的定点垂直软着陆。在动力下降段,存在推力偏差、气动模型偏差和风扰动等各种干扰,将降低终端着陆精度并影响性能指标,使制导系统面临抗干扰的难题。为解决该难题,提出了一种组合干扰补偿制导方法,根据干扰是否可建模描述,将干扰分为可模型化的干扰和不可模型化的干扰,分别对这2类干扰进行处理。可模型化的干扰是指可以用模型描述的干扰,考虑将其用于最优制导中来提升性能指标;不可模型化的干扰是指难以用模型描述的干扰,考虑仅实时补偿其对终端约束的不利影响。在组合干扰补偿制导框架中,首先,设计了干扰估计器,用于对2类干扰进行实时估计;然后,设计了邻近最优干扰补偿制导算法,利用可模型化的干扰的估计值对最优制导指令进行实时修正补偿,在保证终端约束条件的前提下,利用可模型化的干扰提升性能指标;最后,设计了终端不变性干扰补偿制导算法,通过计算不可模型化的干扰引起的终端约束摄动,实时补偿不可模型化的干扰对终端约束的不利影响来保证终端不变性。仿真结果表明,所提出的组合干扰补偿制导方法能够在保证终端着陆精度的同时提升性能指标,同时对各种干扰具有较强的鲁棒性。