中山大学自主研发"智慧大脑"助力火箭精准返回 国内首次百公里级高度在线轨迹优化制导飞行成功

可重复使用运载火箭要走向高频次、低成本、稳定可靠的工程化应用,关键不仅在于“能不能返回”,更在于“能不能按需返回、准确返回”。

长期以来,传统运载火箭的飞行轨迹多由地面预先设计并固化到程序中,按既定路线执行任务。

这种方式在一次性任务中有效,但当任务进入回收复用阶段,尤其是再入与末端着陆过程,外界环境与系统状态的不确定性显著增大:大气密度随高度快速变化,风场扰动瞬息万变,气动特性强非线性,末端约束耦合复杂,动力系统还可能出现推力偏差等非预期工况。

面对这些变量,如果仍依赖“事先写死”的单一路径,回收精度、可靠性和任务灵活性都将受到制约。

此次在酒泉卫星发射中心完成的技术验证试验,直指这一痛点。

1月12日,“力鸿一号”飞行器升至约120公里亚轨道顶点后开始无动力返回。

自距地面约70公里高度起,中山大学“空天智能无人系统”团队自主研发的在线轨迹优化制导算法在“慎思”二号D箭载计算机上接管飞行控制。

飞行器在高速下落的几分钟内,系统根据实时状态高频计算最优飞行轨迹,平均每秒多次更新,持续输出控制指令,引导飞行器在仅依靠气动舵面(栅格舵)控制、无燃料推动的条件下穿越复杂大气层,最终将落点误差控制在预定目标数百米范围内。

公开信息显示,这是国内首次完成“百公里级高度剖面在线轨迹优化闭环制导飞行”验证。

从原因看,推动在线闭环制导走向工程化,既是技术规律使然,也是产业发展需求所迫。

一方面,百公里级再入阶段速度更快、航程更长、气动热环境更剧烈,传统静态方案难以覆盖全部扰动与偏差,必须依靠“边飞边算、边算边控”的实时闭环能力来抵消误差累积。

另一方面,面向未来“航班化”运营,高密度发射带来的空域调配、回收场站能力分配、天气窗口变化等因素,会频繁提出“临时调整落点”等现实需求。

火箭如果不能在飞行中自主重规划并执行新的可行轨迹,就难以适应高频次任务组织方式。

从影响看,这类“自主应变制导”能力将显著提升回收任务的鲁棒性与灵活性。

其一,它让回收过程具备对任务变化的主动适配能力,可在能力边界内根据指令切换到新的合理落点,提高任务调度弹性。

其二,它增强对突发故障的被动处置能力,例如当某台发动机推力下降、气动环境偏离预期时,系统仍可通过在线优化重新分配控制策略,尽可能保持回收目标不失。

其三,在线闭环制导有望降低总体设计对“极端保守裕度”的依赖,使总体方案在性能与安全之间取得更优平衡,为后续降低回收成本、提升复用周转效率奠定基础。

从对策看,工程实现的关键在于把复杂算法真正“装进火箭”。

团队将轨迹优化算法进行并行化改造与加速,使其在有限箭载算力下依然能够满足高频实时决策需求。

参与人员介绍,制导算法需要在百毫秒量级完成一次最优轨迹计算,并基于实时状态输出控制指令。

与此同时,“慎思”二号D计算机采用100%国产元器件和国产DSP处理器,面向工程应用在可靠性、可替代性与供应链安全方面具备积极意义。

对可重复使用火箭而言,制导控制系统相当于“中枢神经”,其工程化程度直接决定回收任务能否稳定复现、能否规模化运营。

从前景看,在线轨迹优化闭环制导的发展,将与可重复使用火箭的多次点火、深度变推力等动力技术相互支撑,共同构成回收复用的核心能力体系。

相关负责人表示,从公开路径判断,国际领先企业在返回制导上也采用在线轨迹优化的技术路线。

此次试验在百公里级高度剖面完成验证,意味着我国在更贴近真实再入场景的条件下实现闭环在线优化,为后续向更高速度、更复杂任务剖面扩展积累了关键数据与工程经验。

下一步,随着算法、计算平台与飞控系统进一步联调迭代,并在更多任务中开展重复验证,具备自主重规划能力的回收体系有望从“验证可行”走向“稳定可用”,为高频次发射与低成本进入空间提供更坚实的技术支撑。

从"固定程序"到"自主决策",我国航天制导技术的这一跨越式发展,折射出中国航天由"跟跑"向"并跑"乃至"领跑"的转型轨迹。

在太空经济时代来临的背景下,掌握核心技术的自主权不仅关乎经济效益,更是确保航天安全的重要基石。

这项突破让我们看到,中国航天正以创新步伐,稳步迈向更加智能、高效的未来。