本文是根據Lars Blackmore在16年的一篇公開論文翻譯而來，雖然有些早而且是科普文章，但是可以初見一些SpaceX火箭著陸的細節，后面我會對spaceX landing control 技術主管MIT博士期間研究火箭控制算法的論文進行講解，敬請期待。
Lars Blackmore:Lars Blackmore is principal rocket landing engineer at SpaceX.

太空火箭自主精準著陸

Lars Blackmore 是SpaceX公司的首席火箭著陸工程師。
精準著陸能夠增強太陽系的探索并實現可重復利用和重復加注燃料的火箭。

對自主航天器或火箭進行著陸非常具有挑戰性,在預定目標附近實現精準著陸更是難上加難。精準著陸有潛力改善太陽系探索并實現像飛機一樣可重復利用和重復加注燃料的火箭。

他介紹了精準著陸的挑戰、最近在地球上商業可重復使用火箭領域精準著陸的進展,以及將此技術擴展到火星等行星著陸所需的條件。

自主航天著陸簡史

在過去50年里,自主航天器將人類從太空送回、將幾個火星車著陸在火星表面、將探測器送至土星的衛星土衛六、在小行星著陸,等等。通過這些任務,人們現在知道火星曾經溫暖多水,很可能支持生命存在,而土衛六有甲烷湖,甲烷是一種有機化合物。穩步進展使得更重的有效載荷能夠在更奇特的地點著陸,最近的改進如先進減速技術將進一步擴大探索者在太陽系中的觸角。

盡管這些任務瞄準目標行星表面上的特定位置,但精確度各不相同。精確度用著陸橢圓來量化,著陸橢圓是飛行器99%可能著陸的區域。飛行前,任務規劃者必須選擇一個著陸點,使得著陸橢圓內的每一點都可安全著陸。圖1顯示火星任務的著陸橢圓在穩步改善,但仍以公里而非米來衡量。

精準著陸的必要性

當精度以公里計時,任務必須在沙漠(火星情況)或海洋或平原(地球情況)著陸。如果著陸精度可以達到米級而非公里級,一個充滿機遇的世界將會開啟:

• 探索火星洞穴和山谷
• 從其他行星取回樣本
• 在整個太陽系建立永久前哨
• 制造火箭,在將有效載荷送入軌道后,能像飛機一樣重復加注燃料和重復使用,而不是單次飛行后就丟棄,從而大幅降低太空旅行成本

挑戰

在行星上實現精準著陸存在一些重要挑戰。

極端環境

從太空進入大氣層的飛行器要經歷極端條件。

• 絕大部分進入能量通過與大氣的摩擦耗散,導致極端高溫必須耗散;例如阿波羅防熱盾前緣溫度超過2500攝氏度。
• 阻力導致再入飛行器受到巨大作用力;例如SpaceX的Falcon 9 可重復使用(F9R)火箭重約35噸,再入時最大減速為6個地球重力加速度。
• 強風吹拂再入飛行器,地球高空風速經常超過每小時100英里。
• 由于航天器周圍電離空氣干擾無線電通信,所有或部分再入過程中通信可能中斷;例如阿波羅13號返回艙經歷了6分鐘的通訊中斷。
• 最后,在地球軌道外運行的航天器受到強輻射,可能對電子設備致命。木星附近執行任務尤其如此,那里輻射環境極其強烈。

微小的錯誤余地

大多數著陸,第一次嘗試必須成功,否則飛行器將在撞擊中被摧毀。此外,很少有額外推進劑可用于第二次著陸嘗試。對于大型火箭發動機,技術上很難并且低效地將推力調低到懸停狀態——每多懸停一秒都是在浪費推進劑。

對于 F9R,火箭必須在高度恰好為零時速度也恰好達到零。如果速度過早到零,它會墜毀;如果速度過晚到零,它會開始回升,此時切斷發動機然后下落是唯一選擇。這需要對垂直位置和速度有精確的了解和控制。

觸地挑戰

通常使用專用系統如著陸支架來減緩著陸載荷,保護火箭免受巖石損壞,并防止著陸后傾覆。設計出在質量和空間上盡可能高效的著陸支架是一項挑戰,將火箭送到直立靜止位置并避免超出支架承受能力也是一項挑戰。對于"好奇號"火星車,天空吊車系統實現了火星車懸架的雙重用途即作為著陸減震系統。

此外,著陸環境可能很危險。對于"火星探測車",巖石和強風的組合可能會刺破著陸氣囊,因此增加了自主視覺和火箭系統來檢測并減小橫向速度。

需要擊中目標

實現精確著陸要求飛行器能在風等干擾下擊中目標。對于太空再入飛行器,這是一個獨特的問題,因為它既不是彈道導彈也不是飛機。彈道導彈試圖高速擊中目標,因此(像子彈一樣)它利用高彈道系數和高速度來避免受干擾影響。飛機確實會被干擾推來推去,但機翼賦予它輕松糾正這些干擾的控制權。垂直著陸的火箭兩者都沒有,使得精確著陸極具挑戰性。

最新進展

在過去兩年里,兩家商業公司 SpaceX 和 Blue Origin 已經將火箭送入太空并在距目標數米范圍內著陸回地球。Blue Origin 的 New Shepard 火箭已經在該公司西德克薩斯州試驗場多次著陸。SpaceX 的 Falcon 9 一級火箭已經在Cape Canaveral陸地以及名為"自主太空港無人駁船"(ASDS)的浮動著陸平臺上著陸,如圖2所示。圖3展示了 SpaceX 最近著陸的圖像。

控制彌散是實現精確著陸的關鍵,彌散是由環境不確定性引起的軌跡變化。為了說明這一點,考慮 Falcon 9一級從太空返回的例子。為實現精確著陸,必須控制彌散使得觸地時至少99%的彌散落在指定著陸區內。對于F9R,這意味著在無人駁船著陸時著陸位置的彌散要達到10米或更好,在Cape Canaveral著陸時達到30米或更好。

圖4展示了F9R任務的各個階段。在上升過程中,風將火箭推來推去,使得彌散增大。第一次縮小彌散的機會是倒推燃燒,使火箭射回發射臺。在大氣層再入期間,風和大氣不確定性再次增加彌散。著陸燃燒是最后一次減小彌散的機會,需要能夠轉向或側向移動。

對于 F9R,控制彌散需要精確的倒推燃燒瞄準、帶翼的大氣內控制(如圖5所示)以及帶轉向機動的著陸燃燒。后者是最具挑戰性的方面之一,也是火星精確著陸提案所需的。飛行器必須計算從當前位置到目標的轉向軌跡,在不超出硬件能力的情況下靜止著陸并保持良好姿態。計算必須自主完成,在幾分之一秒內完成。如果不能及時找到可行解,航天器將墜毀在地面上。如果不能找到最優解,可能會耗盡可用推進劑,結果一樣。最后,硬件故障可能需要多次重新規劃軌跡。

自1960年代以來,這類問題的一維通用解就已存在,但在三維空間還沒有。在過去十年,研究表明如何使用現代數學優化技術來解決火星著陸問題,并保證及時找到最佳解。由于地球大氣層密度是火星的100倍,氣動力成為主要關注點,而不是像在軌跡規劃階段可以忽略的微小干擾。因此,地球著陸是一個非常不同的問題,但SpaceX和Blue Origin已經證明這也是可以解決的。 SpaceX 使用 CVXGEN 生成定制飛行代碼,實現超高速機載凸優化。

下一步行動

雖然從太空高精度著陸已經在地球上實現,但將這項技術轉移到在太陽系其他天體著陸仍面臨挑戰。

一個問題是導航:精確著陸要求火箭精確知道它在哪里以及移動速度有多快。雖然GPS對地球著陸是一大助力,但宇宙其他任何地方都是GPS盲區。幾乎所有行星任務都依賴地面導航:巨大的無線電天線跟蹤飛行器,計算其位置和速度,并將這些信息上傳到飛行器的飛行計算機。這對于只需精確到數公里的著陸就足夠了,但對于需要精確到數米的著陸則不夠。

類似于駕駛時看后視鏡,地面跟蹤隨著距起點距離增加而越來越不準確。相反,需要聚焦在目標行星上才能在其上精確著陸。"深度撞擊"是利用目標導航的一個任務例子,但(顧名思義)它是一個撞擊任務,而非著陸。

最近的研究利用地形相對導航實現了數十米量級的導航精度,著陸器在著陸過程中成像行星表面并將特征與機載地圖匹配來確定自己的位置。這可以在地球上進行測試,至少部分不需要從太空執行整個再入。

幾家公司已使用實驗飛行器,其中一些如圖6所示,通過低空跳躍演示動力下降技術。利用這些飛行器,地形相對導航已在地球上進行了測試,"火星2020"火星車任務正在考慮在火星上進行演示。如果成功,將地形相對導航與已證實的精確制導控制相結合,最終可能實現在火星、木衛二以及太陽系其他天體上的精確著陸。

參考文獻

[參考文獻列表從原文中省略]