围绕降低发射成本、提升发射频次和可靠性的需求,可重复使用运载火箭正成为航天运输体系的重要发展方向。
返回段制导与控制是实现“可重复使用”的核心环节之一:飞行器需在跨速域、跨空域的复杂再入条件下,面对气动特性强非线性、外界扰动和初始偏差等不确定因素,在有限机载算力与时间窗口内完成“算得出、算得快、控得住、落得准”的闭环控制。
此次在酒泉完成的验证试飞,瞄准的正是这一关键难题。
从试验过程看,验证任务聚焦“百公里级高度剖面在线轨迹优化闭环制导”。
当日16时,“力鸿”一号遥一火箭升空后飞越“卡门线”,到达约120公里弹道最高点并转入无动力返回。
自距地面约70公里起,由中山大学研制的“慎思”二号D(SS-2D)箭载制导计算机开始执行在线轨迹优化返回制导程序,在复杂偏差与干扰条件下,完成助推器高精度定点、定姿着陆。
试验还对栅格舵气动控制方案与在线轨迹优化制导方法在跨速域、大空域再入场景中的工程可行性进行验证。
这一“问题—原因—影响—对策—前景”的链条,在试飞任务中体现得更为清晰。
首先,问题在于返回制导的“实时性与鲁棒性”要求大幅提升。
传统的离线轨迹预先规划方法,面对再入过程中的风场变化、气动参数偏差、推力/质量不确定等因素时,往往需要更大的安全裕度,可能带来落点误差扩大或控制余度不足。
尤其在无动力返回段,能量管理空间受限,任何偏差都会被放大,最终影响回收精度与安全性。
其次,原因在于再入返回属于典型的强耦合复杂系统:一方面,速度从高超声速跨越到低速阶段,气动模型随马赫数变化显著;另一方面,终端约束不仅要求落点位置精确,还要求着陆姿态和速度满足结构与控制的安全边界;同时,箭上计算资源有限,对算法实时性与稳定性提出硬约束。
上述因素叠加,使“在线计算、闭环修正”的技术路线更具现实意义,也更具挑战。
第三,影响在于该项验证为我国可重复使用运载火箭返回能力提供了关键数据支撑与技术路径示范。
在线轨迹优化闭环制导的成功验证,意味着在面对扰动和偏差时,制导系统具备根据实时状态动态重规划的能力,可望提升回收精度、缩小安全裕度、优化燃料与结构设计边界,并为后续更高频次、更低成本的航天运输奠定基础。
与此同时,试验采用的“慎思”二号D系统全部使用国产元器件,显示出关键系统自主可控的工程推进力度,有利于增强产业链供应链韧性,降低关键环节受制于人的风险。
第四,对策层面,试验体现出“算法—机载计算—控制执行—工程集成”的系统化解决思路。
中山大学团队将在线轨迹优化算法与箭载制导计算机深度耦合,针对再入返回的强非线性气动特性、终端位置—姿态—速度约束耦合以及机载算力受限等难题进行攻关,在保证精度的同时满足高动态飞行的实时制导需求;同时结合栅格舵气动控制方案,提升跨速域控制适应性。
校企协同机制也在任务组织中发挥作用:高校在基础理论与算法创新上形成突破,企业在工程实现、系统验证与任务保障方面提供平台与场景,共同推动关键技术从实验室走向工程化。
第五,前景判断上,返回制导能力的提升将进一步推动可重复使用运载火箭从“关键技术验证”向“可靠复用与规模化运营”迈进。
随着我国商业航天快速发展与卫星互联网、遥感应用等需求增长,发射服务对成本、频次、交付周期的要求持续提高。
在线轨迹优化闭环制导若在更多工况下完成充分验证,并与结构健康监测、快速检修复用流程、发射场保障体系等形成协同,将有望在未来支撑更高效的航天运输体系。
同时,此类关键技术的突破也将带动制导导航与控制、高可靠计算平台、先进材料与制造等相关领域迭代升级,形成面向新质生产力的技术外溢效应。
值得关注的是,“慎思”二号D系统的命名源自中山大学校训,反映出有组织科研与产学研融合的导向。
项目中多名学生以型号工程师身份参与算法开发、系统适配到试验验证的全过程,有助于培养面向工程实战的复合型人才,为持续创新提供后备力量。
此次飞行试验的成功,不仅体现了我国航天科技自主创新的最新成果,更展现了产学研深度融合的强大生命力。
随着航天强国建设的持续推进,此类关键技术的突破将有力支撑我国商业航天发展和空间基础设施构建,为培育新质生产力提供重要技术支撑。
未来,如何在保持技术领先优势的同时加快成果转化应用,将成为产学研各方需要共同思考的课题。