王敏钊1,甘庆忠2,周宏宇1,王小刚3,崔乃刚1
摘要: 重复使用运载火箭的返回过程历经自由落体、高空动力减速、无动力减速和末端动力减速等多个阶段,相应的弹道规划问题涉及严格的终端/过程约束,面临复杂的动力/无动力全程能量管理难点。特别的,动力故障状态将显著影响火箭的射程能力和机动范围,使得力热环境约束明显偏离标称情况,最终影响降落安全。延长无动力(气动)减速段是补偿动力减速不足的主要方案,同时在动力正常情况下具有节约燃料、减少发动机损耗的作用。针对这一背景,聚焦高空动力减速和无动力减速飞行段,提出动力故障下的返回段弹道分段在线规划策略,包括基于凸优化的燃料最优动力下降段、面向动力/无动力衔接的低动压减速段、以及基于严格末端交班约束自动满足和解析规划的无动力减速段。同时训练强化学习智能体,完成动力故障下的关机状态在线决策方法,包括关机高度、速度、弹道倾角等。最后,基于“猎鹰-9”火箭的总体参数和典型返回状态开展仿真,结果表明,在推力下降超过30%并且考虑初始状态及气动偏差的情况下,该方法能够在0.8s内完成整个返回段三维弹道重构。