【簡介：】航天器垂直起降技術(shù)作為支撐太空 探索 的關(guān)鍵技術(shù)之一，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代的科幻電影中（Destination Moon，Rocketship X-M等）。
1969年7月16日Apollo登月成功，標(biāo)志著人類
航天器垂直起降技術(shù)作為支撐太空 探索 的關(guān)鍵技術(shù)之一，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代的科幻電影中（Destination Moon，Rocketship X-M等）。
1969年7月16日Apollo登月成功，標(biāo)志著人類掌握了月球垂直起降技術(shù)。20世紀(jì)末期隨著航天發(fā)射任務(wù)的逐漸增多，降低發(fā)射成本成為了運載火箭發(fā)展的方向之一，回收火箭并實現(xiàn)多次使用是大幅降低發(fā)射成本的重要途徑。90年代提出的火箭單級入軌技術(shù)是火箭重復(fù)使用技術(shù)的原型，包括垂直起飛-垂直降落（VTVL）、垂直起飛-水平著陸（VTHL）和水平起飛-水平著陸（HTHL）三類[1]。美國和蘇聯(lián)設(shè)計的航天飛機實現(xiàn)了VTHL，但其高昂的研發(fā)、制造和修復(fù)費用并沒能實現(xiàn)降低發(fā)射成本的預(yù)期。直至2015年12月22日，美國SpaceX成功回收Falcon9火箭助推級，并通過對助推級的重復(fù)使用，實現(xiàn)了降低發(fā)射成本的目的。
各國航天機構(gòu)和公司為提升運載火箭在商業(yè)航天國際發(fā)射市場中的競爭力，均在積極開展垂直著陸關(guān)鍵技術(shù)研究工作。本文將簡要介紹各國研發(fā)的垂直起降驗證飛行器和技術(shù)驗證情況。
三角快帆（DC-X）
三角快帆（Delta clipper experimental, DC-X）是美國麥道公司（McDonnell Douglas）研制的飛行器，高12m，底部直徑4.1m，重18900kg，采用四臺RL-10A-5液氫液氧發(fā)動機提供推力，每臺發(fā)動機推力60kN，推力調(diào)節(jié)范圍30%-100%，是世界上第一艘以火箭動力進(jìn)行垂直起降的可重復(fù)使用運載器[2]。從1993年8月18日DC-X首次試驗成功，至1996年7月共開展12次飛行試驗，最大飛行高度2500m。該項目的研究成果為運載器重復(fù)使用，火星定點著陸奠定了堅實的基礎(chǔ)。
Xombie
Xombie火箭是Masten Space System公司為可重復(fù)使用VTVL技術(shù)研制的驗證火箭，推力調(diào)節(jié)范圍[1.5kN, 3kN]，參與了NASA組織的月球著陸器挑戰(zhàn)賽獲得第一名，著陸精度達(dá)到16cm[3]。作為NASA自主上升與下降動力飛行驗證平臺（Autonomous Ascent and Descent Powered-Flight Testbed, ADAPT）的飛行器，完成了大范圍轉(zhuǎn)移燃料最省制導(dǎo)技術(shù)的驗證（Guidance for Fuel-Optimal Large Diverts, G-FOLD），成功實現(xiàn)了基于凸優(yōu)化算法的動力軟著陸段在線軌跡規(guī)劃[4]。
蚱蜢（Grasshopper）
SpaceX設(shè)計了蚱蜢飛行器，是Falcon9助推級回收動力軟著陸段制導(dǎo)控制技術(shù)驗證平臺[5]。在2012年9月至2013年10月期間，共開展了8次飛行試驗，最大飛行高度744m，重點驗證了大推重比著陸技術(shù)、風(fēng)干擾下的穩(wěn)定技術(shù)、精確著陸導(dǎo)航系統(tǒng)、以及橫向機動能力等制導(dǎo)控制技術(shù)。
EAGLE
EAGLE（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR）是德國宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR）為驗證垂直起降技術(shù)研制的驗證飛行平臺，采用400N推力的渦噴發(fā)動機提供動力，可實現(xiàn)深度節(jié)流。驗證了低空低速下（0.5-1.2m）的制導(dǎo)、姿控技術(shù)[6]。后續(xù)將研制1500N推力的EAGLEXL飛行器和單組元火箭發(fā)動機，從而為在線軌跡規(guī)劃技術(shù)的驗證創(chuàng)造條件。
FROG
法國太空局（Centre National d'Etudes Spatiales, CNES）認(rèn)為導(dǎo)航制導(dǎo)控制（GNC）是垂直著陸過程中最具挑戰(zhàn)的技術(shù)之一，因此研發(fā)了兩型低成本飛行器：基于400N推力渦噴發(fā)動機的FROG-T和基于1000N推力H2O2發(fā)動機的FROG-H。通過設(shè)計基于PID和最優(yōu)控制（LQG）的俯仰、偏航和滾動姿態(tài)控制律，開展懸掛飛行試驗，驗證了地面支持系統(tǒng)，以及硬件平臺、電子系統(tǒng)和嵌入式軟件[7]。同時，也為學(xué)生和研究機構(gòu)開展算法驗證提供了低成本的驗證飛行平臺。
RV-X
日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）為驗證垂直著陸制導(dǎo)控制技術(shù)研制了RV-X飛行器，高度7m，直徑1.8m，重2900kg，采用液氫液氧發(fā)動機。并于2018年開展100m高度的垂直起降飛行試驗。
CALLISTO
CALLISTO是由CNES、DRL和JAXA聯(lián)合研發(fā)的重復(fù)使用驗證飛行平臺，計劃于2020年開展飛行試驗[8]。采用JAXA研制的可重復(fù)使用液氫液氧發(fā)動機，額定推力40kN，飛行任務(wù)剖面最大高度50km，最大速度5馬赫。通過CALLISTO全面驗證垂直著陸過程氣動減速段和動力軟著陸段的關(guān)鍵技術(shù)，以及柵格舵、反作用控制系統(tǒng)（Reaction and Control System, RCS）、著陸支腿和主發(fā)動機等關(guān)鍵部件的驗證工作，為新一代Ariane 6可重復(fù)使用火箭提供技術(shù)支撐。
Starhopper
Starhopper飛行器是SpaceX公司為星際飛船（Starship）研制的原型測試飛行器，搭載了一臺猛禽（Raptor）發(fā)動機，推力可達(dá)到200噸。該飛行器在2019年4月3日完成了首次系繩跳躍；7月25日完成了18m高的飛行試驗；8月27日完成最后一次垂直起降試驗，飛行高度約150m，水平橫移約200m。飛行試驗成功驗證了飛行器的低空穩(wěn)定性，以及猛禽發(fā)動機的工作性能。
RLV-T5
中國翎客航天公司研制了推力為3kN的液氧酒精火箭發(fā)動機，并先后研制了三機并聯(lián)的RLV-T3和五機并聯(lián)的RLV-T5飛行器，開展了多次低空起飛-懸停-著陸飛行試驗，并于2019年8月10日完成了300m垂直起降試驗。采用狀態(tài)預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，實現(xiàn)了垂直起降過程中高度、速度和姿態(tài)的控制[9]。
“孔雀”飛行器
中國宇航智能控制技術(shù)國家級重點實驗室為開展運載火箭垂直回收制導(dǎo)控制技術(shù)研究，研制了“孔雀”飛行器。針對火箭返回過程中最后時刻的動力軟著陸段，開展了在線軌跡規(guī)劃、高精度相對導(dǎo)航與制導(dǎo)控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，并于2018年12月9日開展了外場飛行試驗，取得成功。
CZ-2C
考慮到火箭返回過程中需要以較大速度進(jìn)入稠密大氣，利用氣動力控制火箭到達(dá)目標(biāo)著陸區(qū)上空是節(jié)省燃料的有效方法。同時，考慮到動力著陸段在較短時間內(nèi)對火箭落點調(diào)節(jié)能力有限，必須要求發(fā)動機點火前火箭已處于著陸場上空。因此，利用柵格舵在保證箭體姿態(tài)穩(wěn)定的前提下，控制氣動力的方向，從而在滿足熱流、過載和動壓等再入過程安全約束的條件下，提升位置控制精度，是實現(xiàn)火箭安全回收的關(guān)鍵技術(shù)之一。2019年7月26日，中國運載火箭技術(shù)研究院抓總的長征二號丙火箭一子級殘骸在貴州黔南布依族苗族自治州被順利找到，落點在設(shè)定的落區(qū)范圍內(nèi)，標(biāo)志著我國運載火箭首次“柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)”試驗取得成功！
