凸優化制導算法被多次用在美國Masten公司的Xombie小火箭上進行測試，使其具備了垂直著陸能力。圖片來自網絡

今日視點

5月4日，美國太空探索技術公司(SpaceX)發射“獵鷹9”號運載火箭執行其第17次國際空間站補給任務，此次發射仍上演了SpaceX的拿手絕活——一級火箭垂直回收。近日，我國民營火箭企業翎客航天連續兩次完成火箭“低空發射及回收試驗”，并宣稱這均是火箭垂直回收環節的最后一步。

火箭垂直回收有哪些奧秘?看起來簡單的“先上天再落地”試驗，難道真是通向火箭回收之路的“敲門磚”?

收火箭，過程復雜挑戰多

談到火箭回收，誰能比SpaceX更有發言權?但自從它開始研究火箭回收技術以來，一直將其視為關乎公司競爭力的核心機密，從不申請專利，也不發表任何技術性論文。2016年，SpaceX火箭著陸技術主管拉斯·布萊克默“破天荒”地發表一篇題為《太空火箭自主精確著陸》的綜述性文章，才初步揭開了該公司火箭回收技術神秘面紗的一角。

布萊克默總結了火箭回收面臨的四大挑戰：首先是環境極端復雜，火箭從高空返回速度快，大氣阻力和氣動加熱明顯;其次是任務容錯率低，返回必須一次成功，幾乎沒有二次嘗試的機會;第三是著陸困難，需要設計可折疊著陸緩沖裝置等復雜的輔助機構;最后是要克服風力等擾動精確到達回收場地。

火箭回收過程也比較復雜。一級火箭分離后，由于慣性會繼續上升，到達一定高度時姿態控制系統使一級火箭倒轉，重啟發動機反推使其進入返回軌道;進入大氣層后，一級火箭上安裝的4個鈦合金格柵將展開，以控制其飛行姿態，使其飛向著陸點;當接近著陸點一定距離時，發動機再次重啟，著陸緩沖裝置展開，進入末端著陸段。

技術多，哪個才是最核心

對火箭垂直回收而言，哪個技術最關鍵?

北京理工大學宇航學院特聘研究員劉新福告訴科技日報記者，在發動機推力可調及著陸緩沖機構等硬件條件的基礎上，火箭回收最大的難點是，在著陸段怎樣根據火箭的當前位置、速度、姿態等信息，在線實時計算出發動機推力的大小和方向，以實現安全精確著陸，其最核心的技術是著陸段的制導算法。

SpaceX用了什么制導算法?布萊克默在文中披露，這個秘密武器叫做“凸優化”。劉新福介紹，2007年，NASA下屬的噴氣推進實驗室(JPL)在國際權威期刊《制導、控制與動力學雜志》上率先提出了基于凸優化的著陸段制導算法(簡稱凸優化制導算法)。后來該算法被多次用在美國Masten公司的Xombie小火箭上進行測試，使其具備了垂直著陸能力。

“火箭回收對著陸制導算法的要求一是可靠，二是計算速度快，箭載計算機要能在兩三百毫秒以內計算出滿足多約束條件的最優飛行軌跡。”劉新福表示，之前做不到回收火箭，主要是因為沒有滿足要求的制導算法。凸優化制導算法通常可靠性高、收斂速度快，為實現火箭回收提供了可能。

劉新福談到，低速狀態、忽略大氣阻力狀況下的凸優化制導算法及其在飛行器上的驗證實驗已在公開文獻中發表。但實際任務中火箭返回速度極快，在著陸段的大氣阻力不可忽略且對飛行軌跡影響較大。如何在考慮氣動力的情況下設計凸優化制導算法，保證算法的可靠性與快速性，才是SpaceX的獨門秘籍之一。

先上天再落地，什么“姿勢”才正確

眾所周知，SpaceX在回收“獵鷹9”號火箭之前，曾使用“蚱蜢”火箭以及“F9R Dev”火箭開展低空飛行回收試驗，而“F9R Dev”火箭幾乎就是“獵鷹9”號火箭的一級火箭部分。

“這種試驗的目的之一，就是驗證著陸制導與控制算法的可行性。”劉新福介紹，比如“蚱蜢”火箭曾專門進行側向機動試驗，讓火箭飛到一定高度的同時橫向機動一定距離，然后讓火箭返回發射點。后來“獵鷹9”號火箭實際回收任務中在著陸段確實有明顯的橫向機動過程，“蚱蜢”試驗在一定程度上仿真了這一情況，并證明著陸制導與控制算法能夠滿足橫向機動要求。前期進行的“直上直下”的回收試驗，技術難度則相對低不少。

“此外，火箭試驗過程中的速度變化情況也很關鍵。”劉新福補充，如果火箭基本上勻速緩慢著陸，這樣的試驗難度相對較低，也不符合實際的飛行情況。此外，火箭著陸要同時精確控制位置和速度，當高度降為零時，速度也要幾乎降到零，而且幾乎沒有修正的機會，任何懸停都會導致燃料的浪費，這樣的任務采用離線軌跡跟蹤方法很難實現。

劉新福指出，難度比較高的試驗方式可以是火箭飛起來后進行大范圍橫向機動并精確著陸，制導算法需在線實時計算出“燃料最優”的著陸軌跡及相應的控制量，然后控制算法跟蹤該軌跡實現著陸，必要時該著陸軌跡需在線重新規劃。這種情況下對該軌跡計算的可靠性與實時性提出了極高的要求，且火箭速度較大并一直變化。如Xombie火箭的飛行試驗中最大橫向速度高達30米/秒(即每小時108公里)，最大下降速度也高達20米/秒。最省燃料對火箭回收也很重要，因為預留的燃料越少，火箭的運載能力損失越小。(實習記者 胡定坤)