直到最近,SpaceX才開發出可以再次著陸並重新使用的第一階段。
(直到最近)不存在可重複使用火箭的著陸的部分原因可能是缺乏意志(阿波羅計劃並不關心重複使用火箭,只是去登月),部分原因是缺乏能力(即使阿波羅計劃確實關心重複使用火箭,他們也無法
我以為,在控制理論中,著陸火箭是一項艱鉅的任務,並且可能需要強大的計算能力,在更早的幾十年(更不用說1960年代)了,這是我的推測。
直到最近,SpaceX才開發出可以再次著陸並重新使用的第一階段。
(直到最近)不存在可重複使用火箭的著陸的部分原因可能是缺乏意志(阿波羅計劃並不關心重複使用火箭,只是去登月),部分原因是缺乏能力(即使阿波羅計劃確實關心重複使用火箭,他們也無法
我以為,在控制理論中,著陸火箭是一項艱鉅的任務,並且可能需要強大的計算能力,在更早的幾十年(更不用說1960年代)了,這是我的推測。
SpaceX展示的助推著陸能力不是突破的結果,而是一堆小的增量改進。
1966年,在 Surveyor計劃中,無人航天器在火箭動力的作用下降落在月球上。它使用(IIRC)三個脈衝固定位置推進器來控制其姿態和下降速度。這是一個相對較小的航天器(約3m高,重300kg),使事情變得容易。它的著陸腳很寬,因此如果以錯誤的姿態降落,它可以保持穩定。在月球重力較低的情況下,響應時間並不那麼關鍵,因此可以將其視為自主火箭著陸的“簡易模式”。但是,事實證明,基本的雷達高度計,用於確定航天器姿態的慣性平台以及簡單的控制環都足以著陸。
在Apollo程序中, LM下降階段僅稍微複雜一些;萬向架上的可節流發動機用於控制下降的方向和速率,較小的推進器用於控制姿態。原則上,人類飛行員可以指定一個著陸點,然後讓計算機進行其餘所有飛行直至著陸,但實際上,每位阿波羅指揮官都以半手動模式在約150m的高度上進行控制,船的姿態和下降率。此時的主要局限性在於,自治系統無法知道它是落在平坦的地面上還是一堆巨石上。雷達高度計是一個低分辨率探頭。
在重力高出六倍的情況下在地球上發射火箭需要更快的控制響應:不必是速度更快的計算機(您每秒只能進行幾千次操作; 方程式並不那麼複雜),但是諸如快速精確的節流閥之類的東西。我對那裡的歷史了解不多,但是我想這種事情在1960年代也可以使用。從正面看,當降落在地球上時,安排較大的平坦區域降落要容易得多!
正如@Dragongeek所提到的,蘇聯於1988年飛行了 Buran航天飛機;它唯一的飛行是無人發射升空並返回地球。它降落在機翼,水平飛行中,因此雖然制導和控制問題在復雜性上相似,但它無法直接與獵鷹9媲美。
1993年, DC-X項目演示了從3公里高空以火箭為動力的自主式垂直降落高度為12米的車輛的情況。可以肯定的是,DC-X存在一些問題,並且由於缺乏資金而最終被取消,但是沒有任何需要突破的地方。與Falcon 9一樣,DC-X使用多個萬向節,節流閥發動機作為主要飛行控制裝置,並增加了氣動表面和姿態控制推進器,並在其製導和控制系統中使用了GPS。
GPS當然對精確著陸有很大幫助;獵鷹第一階段通過GPS知道自己的位置,並將自己引導至絕對空間中的指定點-著陸板或 ASDS的中心。如果沒有在1980年代後期首次部署的GPS,則可以在落地點放置無線電信標,然後將其放置在該處。
可以說,SpaceX成功的關鍵在於,失敗的可重用發射器仍然可以是成功的消耗性發射器。通過製造一種實用的可消耗模式飛行的商業軌道發射器,並在有效載荷客戶的角錢上進行著陸試驗,他們已基本抵消了R&D著陸的成本。
現代的計算機視覺算法將使找到並瞄準另一個行星或月球上的平坦著陸點成為可能,SpaceX可能需要在其首次登月或火星著陸時進行此操作。這項技術是最近的發展。它需要相當現代的計算能力,才能從相機視圖實時獲取地形圖,但SpaceX如今並不需要這樣做。
SpaceX在Apollo時代的NASA上的一項技術改進是在設計過程中進行完整模擬的計算機功能。
繼續閱讀Saturn V F-1發動機的發展-他們必須處理燃料和燃燒系統中的振動。那時,他們實際上是在架子上啟動引擎,冒著每次炸毀的危險,以測試他們用滑尺計算出的想法。今天,他們將從一個或幾個測試中收集數據,然後運行計算機模擬(也許在台式機上,但在需要時NASA和SpaceX確實可以訪問某些大型“大型”計算機)。最終,您仍然需要一個實時測試,但數量不多,而且有聰明的人來構建仿真,因此大多數測試都將“成功”。當然,今天,一些工程師可以在PC上完成所有數學運算,而不需要具有滑動規則的工程師團隊。 SpaceX的工程師數量遠少於阿波羅時期的NASA。
NASA還因政治和競爭與空軍的要求而受阻-這影響了航天飛機計劃中的某些設計決策。在Elon沒錢之前,SpaceX幾乎可以完成他們想要的一切。
最後,我們站在我們面前的巨人的肩膀上。 SpaceX不必發明渦輪泵,他們只需對其進行改進。現在已經很好地理解了火箭噴嘴背後的數學原理,但是設計細節總是可以改進的。等等...
@RusselBorogove的答案錯過了使著陸助推器成為可能的關鍵技術進步,這就是為什麼我要添加此答案。
給出的所有“著陸”示例均等於解決倒立擺問題+假設控制輸入沒有約束的製導問題。問題是,如果您想實際降落軌道艙助推器,那麼您的約束將很困難,並且您必須考慮最優性。
LM,Surveyor和DC-X都展示了軟行星降落;他們沒有展示最佳軟行星降落。儘管這些問題在傳遞方面有些相似之處,但它們絕對不可比。解決“軟行星”著陸問題意味著您必須確定最壞情況下的燃油儲備量。解決最佳的軟行星問題意味著您可以為最佳情況調整燃料儲備。第一個假設您的水箱已經滿了,第二個使您的水落了,第二個假設您的水箱基本是空的。解決第一個問題是微不足道的;第二個是什麼。
SpaceX取得的關鍵突破是創建一種算法,該算法可以解決最優軟著陸問題並保證收斂性(它將始終在一定的處理器時間內生成解決方案)。優化使用內部點方法(IPM),這意味著更快的處理器肯定會有所幫助。我認為IPM並不存在於60年代,我想大多數優化器肯定會在2000年前的任何東西上使微芯片上的計算變得昂貴(特別是因為找到使用更少計算資源的更好的優化器仍然是研究的活躍領域) 。您不能僅使用軟著陸問題算法來著陸一級助推器,因為您將無法在到達目的地之前用盡燃料(即使使用最佳的軟著陸助推器在著陸前仍會用盡燃料)。您不能只用更多的燃料來填充助推器,因為這樣您的有效負載率將開始降至零。
SpaceX解決最佳軟行星問題的算法的細節。
strong>火箭發動機的節流能力受到限制(許多發動機只能降低至40%ish)。這就是所謂的非凸約束,它使整個最佳問題都不凸。正如所有優化人員都知道的那樣,您不能證明非凸問題的全局最小值。 SpaceX(儘管實際上是由SpaceX著陸的負責人Lars Blakmore)發明了一種叫做“無損凸化”的東西。該算法採用低維非凸問題,並將其置於較高維,這使問題在較高維處凸出,其中使用“內部點方法”來找到全局最優值。高維的全局最優解然後被減少,並應用於非凸凸問題。如果您想更好地了解最佳著陸問題的無損凸度,請閱讀此論文。
作為旁注,SpaceX花了數年的時間用草with測試車開發這些算法。一群才華橫溢的人花了幾年時間才弄清楚如何解決助推器著陸問題。
我還要補充一點,在測試過程中,僅使用氮氣推力就沒有足夠的姿態授權。直到SpaceX添加Gridfins後,著陸才開始起作用。 Gridfin很棒,因為它們可以提供姿態控制,而無需像氣體推力那樣使用質量。
TL:DR SpaceX解決了最佳軟行星著陸問題,這比僅是軟行星著陸問題(實際的技術突破+ Gridfin)要難得多。
>在羅素·波羅戈夫(russell Borogove)的答案中,我還要提出另外兩點:
在技術站點上,發動機的設計採用了動力著陸裝置心裡。它們可以配備必要的硬件,以便在飛行中輕鬆重啟。此外,獵鷹9號是第一個使用9台小型發動機的火箭,可以在一個或三個高效運行的發動機上進行動力著陸(取決於配置)。
經濟學也起著很大的作用。 SpaceX提供的發射價格足夠便宜,以至於客戶願意使用不會消耗所有燃料來完成任務的火箭。他們之所以可以這樣做,是因為他們在內部顯著降低了成本。另一方面,與其他大型項目(例如SLS)一樣,Apollo計劃本身也非常昂貴。您能想像如果有人建議將SLS比有效載荷交付所需的30%大(需要納稅人付費)以實現可能會或可能不會得到回報的功能嗎?
像ULA這樣的私營公司也是如此。與整個波音公司相比,Spaceflight的業務範圍不是很大,只要他們能夠一遍又一遍地出售相同的簡單設計,他們就無需將自己的開發資金投入其中。
堅實的火箭助推器謬論也證明了這一點。 SRB的開發和使用成本極低,但長期使用卻非常昂貴-航天飛機上的助推器每次發射費用約為5000萬美元。 Atlas V最多有5個助推器,每個助推器價值1000萬美元,其成本幾乎是完全可重複使用的Falcon 9的價格。然而,選擇這些設計的原因是前期成本很少,並且客戶願意為每次發射支付這些費用。
降落火箭需要哪些技術突破?
降落傘。
自19世紀以來就存在。
其他答案是指助推器級的垂直垂直著陸,但是自降落傘競賽以來,已經完成了帶有降落傘的著陸火箭。我覺得降落傘在這裡值得一提,所以讓我引用 https://www.nasa.gov/missions/research/f_sounding.html:
自1959年以來daccess-ods.un.org daccess-ods.un.org美國國家航空航天局(NASA)贊助的太空和地球科學研究已使用探空火箭對儀器進行測試[...]
在大多數情況下,有效載荷重新進入大氣層之後,它會通過降落傘的方式,然後取回。通過回收部分有效載荷,可以對其進行翻新和再次飛行,從而節省大量資金。
還完成了對助推器級的恢復,取得了一定程度的成功。讓我引用 https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/5.pdf:
第一個Decelerator子系統,其中包括1978年11月,由三個主要降落傘,繖形降落傘和飛行員降落傘組件以及測力傳感器和配件組成的集束組件組裝到第一個組裝好的SRB中。
[...]
在成功發射STS-1之後,在飛行後評估中發現了與SRB硬件可重用性相關的三個重要問題:後裙圈結構完整性,後裙內部再入溫度和電纜鹽水侵入。[...]
計劃進行翻新硬件(降落傘除外)的首次飛行是使用STS-3硬件的STS-7;降落傘預定在STS-4上進行反光。
因此,到1983年,美國宇航局的航天飛機計劃已經著陸,恢復和翻新了助推器級(甚至更早了,我還沒有檢查所有文檔)。
值得注意的是,SpaceX的回收平台在著陸後也要進行翻新。但是很明顯,降落傘著陸比動力,垂直,受控著陸要造成更大的損害(翻新成本更高,可回收的零件更少)。
我還要提到 Ansari X-PRIZE月球著陸挑戰和 Lunar Lander挑戰。那裡的發展有助於對上升/下降動力進行精細控制。
在另一個答案中,羅素·博羅戈夫(Russel Borogove)提出了一個正確的觀點,即降落需要零技術突破,而僅僅是逐步改進。已經以逆向工程的方式包含在內,以使火箭降落在水面或海洋上。
我已經讀過,Soyez助推器的第一階段非常堅固,以至於墜落在地面上後有時可以重複使用。如果這是正確的,那麼製造可重複使用的助推火箭的一種非常簡單的方法就是並且只是過度製造它們並使它們變得比所需的要堅固得多,從而使其效率降低並且無法作為重型有效載荷進行發射,但是卻可以毫不費力地重複使用。
降落傘是長時間使用的另一種方法。將降落傘與堅固性結合使用,可能會在早期導致可重複使用的助推器階段。
飛馬號運載火箭是從飛機上發射的,第一次發射是在1990年,運載小型衛星進入近地軌道。
https://en.wikipedia.org/wiki/飛馬(火箭) 1
https: //www.nbcnews.com/mach/innovation/billionaire-rolls-out-ginormous-rocket-launching-airplane-n766996 2
當然是飛機通常用於許多航班,因此這些飛機算作是可重複使用的第一階段。
rockoon是從氣象氣球發射的小型探空火箭。當然,氣球沒有被回收再利用,但是天氣氣球很便宜。 Rockoons最早於1955年發射升空。
最近,JP航空航天公司開發並使用了Rockoons作為其太空訪問計劃的一部分。[6]此外,愛荷華州立大學和普渡大學(Purdue Orbital)已經啟動了開發火箭的計劃[7] [8],總部位於洛杉磯的利奧航空航天公司和羅馬尼亞航天公司ARCASPACE最近進行了重大工作。這家西班牙公司zero2infinity計劃在2018年從一個名為Bloostar的氣球中發射一個環形火箭,將微型衛星運送到低地球軌道。英國基地公司B2Space正在開發將小型衛星發射到近地軌道的概念[9]。斯托菲爾航空航天公司還計劃通過其愛馬仕Rockoon系統發射Cubesats。
https://en.wikipedia.org/wiki/Rockoon 3
請注意,雖然沒有飛艇,但可以操縱飛艇達到了氣球是否具有的高度。
在地面上長著火箭雪橇的長軌道可能會加速火箭飛機的飛行,從而使火箭飛機在達到軌道速度方面處於領先地位。因此,可以將軌道和火箭雪橇視為可重複使用的第一階段。
更小尺寸的火箭雪橇早在1954年就已在美國用於測試設備,並且有傳言稱德國人使用了火箭雪橇。於1945年3月16日發射火箭。
https://zh.wikipedia.org/wiki/Rocket_sled 4
因此,如果有足夠的意願,似乎有可能在幾十年前就開發出了可重複使用的助推器。