[发明专利]一种大空域高动态火箭子级落区精确垂直回收控制方法

说明书

本发明公开了一种大空域高动态火箭子级落区精确垂直回收控制方法，制导控制系统采用快速时变、多通道耦合姿态控制方法设计，算法及程序运行于导航与制导控制一体化系统中的双核嵌入式计算机上，利用双核嵌入式计算机解算的火箭一子级当前马赫数和位姿信息，进行大空域高动态高马赫飞行状态下的控制律解算，实时求取火箭子级栅格舵的俯仰、偏航和滚转通道控制指令，导引一子级向目标点区域垂直降落。本发明主要应用于解决运载火箭一子级在飞行状态变化剧烈，高马赫、大空域、高动态飞行条件下的精确控制问题，系统结构简单、实现方便、通用性强，且不影响运载火箭飞行主任务。

技术领域

本发明属于导航与制导控制领域，具体涉及一种大空域高动态火箭子级落区精确垂直回收控制方法。

背景技术

随着世界各国运载火箭高强度、高密度发射的常态化，越来越成熟的发射技术促使人们向着低发射成本的方向探索，运载火箭回收重复利用是降低发射费用的有效途径之一；同时在传统运载火箭发射时，通常需要确定火箭残骸落区范围，选择人烟稀少的一上千平方公里地区，以进行人员疏散，方便残骸搜寻并减小残骸引发次生事故等，而随着经济快速发展，无制导控制系统的火箭子级由于自由落体飞行，落点散布范围太广，而且落地速度高使得残骸坠地过程中会产生较大的冲击力和爆炸，对周围环境设施甚至人员会产生很大的损伤，使得运载火箭子级实现指哪落哪的精确落区控制技术至关重要。同时，近年来火箭的可重复使用和垂直回收技术得到了广泛关注，如能设计制导控制系统使得火箭子级能安全返回，并且垂直降落，则对箭体及内部设备的损伤会降低很多，同时可以实现火箭的重复利用，大大降低发射成本，实现火箭的快速响应和快速发射。

目前已经实际工程应用的子级回收系统主要是两个系统：一是采用群伞方式进行溅落回收，但群伞控制不确定性高，易受风场等因素的影响，误差大；二是采用液体发动机加栅格舵对火箭子级进行制导控制并实现垂直降落回收，如美国SpaceX猎鹰9系列火箭的垂直回收，但需要在设计火箭初期就加装姿控发动机和栅格舵系统，可靠性好，但成本高、难度大。所以如何更有效地实现符合我国现役火箭实际情况的低成本回收和火箭子级落区控制是亟待解决的关键技术问题。

同时，我国现役运载火箭中所采用的制导方法，如摄动制导、迭代制导都无法直接应用于火箭垂直回收段制导律设计，摄动制导需要跟踪标准弹道，但火箭在返回大气过程中飞行轨迹与标准弹道偏差较大，导致落点精度无法保证，因此每发火箭均需要设计标准弹道，不具备推广性和通用性；迭代制导基于最优控制问题的解析解，在真空飞行段有较高的精度，但在垂直回收段难以获得高精度的制导律解析结果。所以，如何在火箭返回大气层后有效地实现火箭子级的精确控制并且实现方法的通用性具有非常重要的工程应用价值和研究意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大空域高动态火箭子级落区精确垂直回收控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大空域高动态火箭子级落区精确垂直回收控制方法，该方法依托制导控制系统，系统包括制导模块和控制模块，采用快速时变、多通道耦合姿态控制方法，利用双核嵌入式计算机解算的火箭一子级当前马赫数和位姿信息，进行大空域高动态高马赫飞行状态下的控制律解算，实时求取火箭子级栅格舵的俯仰、偏航和滚转通道控制参数和控制指令，导引一子级向目标点区域垂直降落。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)与目前国内现有技术相比，对于我国现役火箭，为不影响主发射任务，无法通过改装并加装姿控发动机进行火箭垂直回收，并且发动机研制难度大。本发明所述的一种大空域高动态火箭子级落区精确垂直回收控制方法通过单纯加装栅格舵借助气动力进行有效制导和控制，使火箭子级在返回大气层后落在指定地点同时实现垂直返回和末端速度减速控制，可以实现火箭子级核心设备的更低成本回收和更精确的落区控制。