CICC科普栏目｜垂直起降可重复使用验证飞行器介绍
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引言
航天器垂直起降技术作为支撑太空探索的关键技术之一，最早出现于20世纪50年代的科幻电影中（Destination Moon，Rocketship X-M等）。
1969年7月16日Apollo登月成功，标志着人类掌握了月球垂直起降技术。20世纪末期随着航天发射任务的逐渐增多，降低发射成本成为了运载火箭发展的方向之一，回收火箭并实现多次使用是大幅降低发射成本的重要途径。90年代提出的火箭单级入轨技术是火箭重复使用技术的原型，包括垂直起飞-垂直降落（VTVL）、垂直起飞-水平着陆（VTHL）和水平起飞-水平着陆（HTHL）三类[1]。美国和苏联设计的航天飞机实现了VTHL，但其高昂的研发、制造和修复费用并没能实现降低发射成本的预期。直至2015年12月22日，美国SpaceX成功回收Falcon9火箭助推级，并通过对助推级的重复使用，实现了降低发射成本的目的。
各国航天机构和公司为提升运载火箭在商业航天国际发射市场中的竞争力，均在积极开展垂直着陆关键技术研究工作。本文将简要介绍各国研发的垂直起降验证飞行器和技术验证情况。
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三角快帆（DC-X）
图 1 DC-X飞行器
三角快帆（Delta clipper experimental, DC-X）是美国麦道公司（McDonnell Douglas）研制的飞行器，高12m，底部直径4.1m，重18900kg，采用四台RL-10A-5液氢液氧发动机提供推力，每台发动机推力60kN，推力调节范围30%-100%，是世界上第一艘以火箭动力进行垂直起降的可重复使用运载器[2]。从1993年8月18日DC-X首次试验成功，至1996年7月共开展12次飞行试验，最大飞行高度2500m。该项目的研究成果为运载器重复使用，火星定点着陆奠定了坚实的基础。
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Xombie
图 2 Xombie飞行器
Xombie火箭是Masten Space System公司为可重复使用VTVL技术研制的验证火箭，推力调节范围[1.5kN, 3kN]，参与了NASA组织的月球着陆器挑战赛获得第一名，着陆精度达到16cm[3]。作为NASA自主上升与下降动力飞行验证平台（Autonomous Ascent and Descent Powered-Flight Testbed, ADAPT）的飞行器，完成了大范围转移燃料最省制导技术的验证（Guidance for Fuel-Optimal Large Diverts, G-FOLD），成功实现了基于凸优化算法的动力软着陆段在线轨迹规划[4]。
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蚱蜢（Grasshopper）
图 3 蚱蜢飞行器
SpaceX设计了蚱蜢飞行器，是Falcon9助推级回收动力软着陆段制导控制技术验证平台[5]。在2012年9月至2013年10月期间，共开展了8次飞行试验，最大飞行高度744m，重点验证了大推重比着陆技术、风干扰下的稳定技术、精确着陆导航系统、以及横向机动能力等制导控制技术。
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EAGLE
图 4 EAGLE飞行器
EAGLE（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR）是德国宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR）为验证垂直起降技术研制的验证飞行平台，采用400N推力的涡喷发动机提供动力，可实现深度节流。验证了低空低速下（0.5-1.2m）的制导、姿控技术[6]。后续将研制1500N推力的EAGLEXL飞行器和单组元火箭发动机，从而为在线轨迹规划技术的验证创造条件。
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FROG
图 5 FROG飞行器
法国太空局（Centre National d'Etudes Spatiales, CNES）认为导航制导控制（GNC）是垂直着陆过程中最具挑战的技术之一，因此研发了两型低成本飞行器：基于400N推力涡喷发动机的FROG-T和基于1000N推力H2O2发动机的FROG-H。通过设计基于PID和最优控制（LQG）的俯仰、偏航和滚动姿态控制律，开展悬挂飞行试验，验证了地面支持系统，以及硬件平台、电子系统和嵌入式软件[7]。同时，也为学生和研究机构开展算法验证提供了低成本的验证飞行平台。
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RV-X
图 6 RV-X飞行器
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）为验证垂直着陆制导控制技术研制了RV-X飞行器，高度7m，直径1.8m，重2900kg，采用液氢液氧发动机。并于2018年开展100m高度的垂直起降飞行试验。
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CALLISTO
图 7 CALLISTO飞行器
CALLISTO是由CNES、DRL和JAXA联合研发的重复使用验证飞行平台，计划于2020年开展飞行试验[8]。采用JAXA研制的可重复使用液氢液氧发动机，额定推力40kN，飞行任务剖面最大高度50km，最大速度5马赫。通过CALLISTO全面验证垂直着陆过程气动减速段和动力软着陆段的关键技术，以及栅格舵、反作用控制系统（Reaction and Control System, RCS）、着陆支腿和主发动机等关键部件的验证工作，为新一代Ariane 6可重复使用火箭提供技术支撑。
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Starhopper
图 8 Starhopper飞行器
Starhopper飞行器是SpaceX公司为星际飞船（Starship）研制的原型测试飞行器，搭载了一台猛禽（Raptor）发动机，推力可达到200吨。该飞行器在2019年4月3日完成了首次系绳跳跃；7月25日完成了18m高的飞行试验；8月27日完成最后一次垂直起降试验，飞行高度约150m，水平横移约200m。飞行试验成功验证了飞行器的低空稳定性，以及猛禽发动机的工作性能。
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RLV-T5
图 9 RLV-T5飞行器
中国翎客航天公司研制了推力为3kN的液氧酒精火箭发动机，并先后研制了三机并联的RLV-T3和五机并联的RLV-T5飞行器，开展了多次低空起飞-悬停-着陆飞行试验，并于2019年8月10日完成了300m垂直起降试验。采用状态预测神经网络控制算法，实现了垂直起降过程中高度、速度和姿态的控制[9]。
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“孔雀”飞行器
图 10 “孔雀”飞行器
中国宇航智能控制技术国家级重点实验室为开展运载火箭垂直回收制导控制技术研究，研制了“孔雀”飞行器。针对火箭返回过程中最后时刻的动力软着陆段，开展了在线轨迹规划、高精度相对导航与制导控制等关键技术的研究工作，并于2018年12月9日开展了外场飞行试验，取得成功。
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CZ-2C
图 11 CZ-2C落区安全控制试验
考虑到火箭返回过程中需要以较大速度进入稠密大气，利用气动力控制火箭到达目标着陆区上空是节省燃料的有效方法。同时，考虑到动力着陆段在较短时间内对火箭落点调节能力有限，必须要求发动机点火前火箭已处于着陆场上空。因此，利用栅格舵在保证箭体姿态稳定的前提下，控制气动力的方向，从而在满足热流、过载和动压等再入过程安全约束的条件下，提升位置控制精度，是实现火箭安全回收的关键技术之一。2019年7月26日，中国运载火箭技术研究院抓总的长征二号丙火箭一子级残骸在贵州黔南布依族苗族自治州被顺利找到，落点在设定的落区范围内，标志着我国运载火箭首次“栅格舵分离体落区安全控制技术”试验取得成功！
[1]. D.G. Andrews, E.E. Davis, E.L. Bangsund. Rocket-Powered Single-Stage-to-Orbit Vehicles for Safe Economical Access to Low Earth Orbit, Acta Astronautica, Vol. 26, No. 8-10, pp. 633-642.
[2]. D.C. Freeman, T.A. Talay, R.E. Austin. Single-stage-to-orbit Meeting the challenge, Acta Astronautica, Vol. 38, No. 4, pp. 323-331.
[3]. F. Robert, et al. Planetary Lander as a Testbed for Technology Demonstration, AIAA SPACE Forum, Sep. 2013.
[4]. D.P. Scharf, et al. ADAPT demonstrations of onboard large-divert Guidance with a VTVL rocket, 2014 IEEE Aerospace Conference, Jun. 2014.
[5]. B. Mahlstedt. Optimal VTOL of SpaceX’s Grasshopper, 2012.
[6]. M. Sagliano, M. Dumke, S. Theil. Simulations and Flight Tests of a New Nonlinear Controller for the EAGLE Lander, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 56, No. 1, pp. 259-272.
[7]. D. Monchaux, et al. FROG, a Rocket for GNC demonstrations, 69thInternational Astronautical Congress, Oct. 2018.
[8]. J. Klevanski, et al. Aerodynamic Studies in Preparation for CALLISTO - Reusable VTVL Launcher First Stage Demonstrator, 69th International Astronautical Congress, Oct. 2018.
[9]. S. Chen, et al. Application of State Prediction Neural Network Control Algorithm in Small Reusable Rocket. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(3): 322286.end
本文来源：宇航智控
投稿邮箱：liuyali@c2.org.cn
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