SpaceX火箭的栅格翼(Grid fin)

SpaceX的火箭可回收系统(SpaceX reusable launch system)的目标是让火箭能够重复使用,该回收系统目前被用于Falcon 9 v1.1和Falcon Heavy火箭。回收系统的一个明显特征就是采用了栅格翼(Grid fin)。

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图:Falcon 9火箭上展开的栅格翼

SpaceX火箭栅格翼的首次测试出现在2014年6月17日。测试火箭上升1000米后,然后徐徐成功降落。视频中可清晰地看到,栅格翼在上升过程中是收起的,开始降落时展开,精准控制火箭降落。

在2015年1月10日,Falcon 9火箭成功发射,其携带的为国际空间站(ISS)运送货物的龙飞船(Dragon ship)也同样成功完成任务,但火箭在随后进行海上自动驾驶无人船平台降落回收时失败。对于此次火箭发射回收中栅格翼的作用,官方描述是:“A key upgrade to enable precision targeting of the Falcon 9 all the way to touchdown is the addition of four hypersonic grid fins placed in an X-wing configuration around the vehicle, stowed on ascent and deployed on reentry to control the stage’s lift vector. Each fin moves independently for roll, pitch and yaw, and combined with the engine gimbaling, will allow for precision landing – first on the autonomous spaceport drone ship, and eventually on land.(用于本次猎鹰9火箭精准着陆的关键升级措施是增加了高超音速栅格翼。栅格翼以X翼形环绕火箭安装,上升时收起,重入大气层时展开以控制一级火箭的升力矢量。每个栅格翼独立做出翻滚、俯仰和偏摆动作,结合火箭引擎的推力矢量控制,从而实现精准着陆。首先实现在海上自动驾驶无人船平台上着陆,最终实现在陆地着陆。)”

多次返回着陆尝试后,猎鹰9一级火箭在2015年12月首次陆上返回降落成功,2016年4月首次在海上自动驾驶无人船平台上返回着陆成功

猎鹰9火箭的栅格翼尺寸不大,约4英尺X5英尺见方。栅格翼的翻滚、俯仰和偏摆的三维度控制动作可以让14层楼高的一级火箭实现最大20度角的偏转

2017年6月的一次发射中,栅格翼进行了升级,一者尺寸增大,二者材料由铝换成了钛。铝制栅格翼在表面有热保护涂层,即便如此在火箭重入大气层时也较容易烧坏。钛制栅格翼不需要热保护涂层,抗热性能也有显著提高,回收后可不用更换。

图:Falcon 9火箭的钛制栅格翼(图片来源arstechnica

栅格翼是苏联人在上世纪70年代发展起来的技术,最早用于弹道导弹控制。研究和实践证明,栅格翼的一个重要特征就是能够比传统平板翼(Planar fin)更好地控制飞行器,让飞行器更不容易失速(The small chord length of grid fins also makes them less likely to stall at high angles of attack. This resistance to stall increases the control effectiveness of grid fins compared to conventional planar fins.具体参见这个2006年的旧帖Missile Grid Fins—很好的介绍栅格翼的知识帖)。通俗地讲,就是栅格翼可让火箭更不容易栽跟头,这也是Falcon 9火箭在降落时为何要打开栅格翼的重要原因。

栅格翼的另外一个空气动力特征就是在亚音速和超音速状态下,其波阻(Wave drag)不高于传统平板翼,也可以说能够低于平板翼。但是在马赫数为1,即所谓transonic状态时,其波阻却明显升高。栅格翼外形特征与减阻的关系,此论文有所研究。

 

SpaceX火箭返回降落时的推力控制

SpaceX猎鹰9火箭(一级火箭)返回降落时的推力控制主要有如下三种形式:

一.点火发动机数量

猎鹰9一级火箭目前共有9个Merlin 1D发动机。毫无疑问,发射时这9个发动机全部点火。一级火箭返回时,第一次重新点火(Boostback Burn)开3个发动机,火箭姿态调整到返回轨道。在进入大气层之前有一次点火(Entry Burn),此次也是3个发动机点火工作,目的是把一级火箭的速度降下来。着陆前约30秒最后一次点火(Landing Burn),开1个发动机,把一级火箭的垂直速度降到不超过6米/秒,实现软着陆。

图 猎鹰9火箭发射及返回降落过程示意(图片来自zlsadesign

二.发动机推力可调

单台Merlin 1D发动机的推力可调范围是100%-70%(170,000lbf-119,000lbf,海平面推力)。一级火箭最后一次点火(Landing Burn)只开1个发动机,推测此时的推力应该不到100%。因为单台Merlin 1D发动机的最大推力超过一级火箭的空重,如果开100%全力,会让加速度由负变正,一级火箭又要往上窜了。

图 猎鹰9火箭的参数(含推力数据,资料源自猎鹰9火箭用户手册2.0

火箭变推力发动机的技术比较复杂,下图是液体火箭发动机的推力可调技术方法:

图 液体火箭发动机推力可调技术(资料源自NASA网站上的论文Liquid-Propellant Rocket Engine Throttling: A Comprehensive Review

猎鹰9火箭的Merlin 1D发动机采用了何种推力可调技术?目前公开的资料几乎没有。

顺便提一下,嫦娥三号探测器采用的7500N变推力发动机,是中国首台大范围变推力发动机(参见论文《嫦娥三号探测器7500N变推力发动机研制》,作者为雷娟萍,兰晓辉,章荣军,陈炜)。

三.发动机推力矢量

资料显示Merlin 1D发动机有推力矢量(Thrust Vector)能力,这让一级火箭在即将着陆时具备横向移动能力。火箭发动机喷嘴可略微偏转(有待获取更多证据确认),产生推力矢量。降落的一瞬间,即使火箭略微偏离降落点中心位置,推力矢量也可让火箭横向移动,从而能够对准靶心着陆。说推力矢量是临门一脚的关键技术应该不为过。

图 猎鹰9火箭的推力矢量控制(见图左侧,图片来自zlsadesign

SpaceX火箭精准着陆的算法

Lars Blackmore是SpaceX的首席火箭着陆工程师,他撰写的文章《火箭自主精准着陆》(Autonomous Precision Landing of Space Rockets)中粗略提到了猎鹰9火箭精准着陆的算法,即凸优化(Convex Optimization)。

实现精准着陆的关键在于控制偏离变量(Dispersions)。降落过程中的环境不确定性导致偏离变量增加。在着陆前的一瞬间,至少要99%的偏离变量值符合要求,否则着陆将会失败。控制偏离变量的三个关键过程是:1)返回前发动机点火及大气层外的轨道控制;2)大气层内采用栅格翼(Grid Fin)的空气动力控制;3)着陆前发动机点火及转向控制(或横向移动)。

很显然,对降落过程中的火箭进行远程控制是不现实的,必须采用自主控制,所有的计算和控制均须火箭自行完成,且必须瞬间完成。Lars Blackmore提到,降落的高速控制计算是凸优化计算,采用了CVXGEN生成飞控代码(Flight Code)。CVXGEN是一套自动生成解决凸优化问题程序代码的软件,作者是斯坦福大学的Jacob Mattingley博士。CVXGEN适合解决少于2000个系数因子的凸优化问题。

猎鹰9火箭采用CVXGEN生成的飞控代码是静态的还是动态的?前者是一次性生成、安装并执行,后者是在降落和着陆过程中动态生成并执行。个人判断倾向于后者。

CVXGEN作者Jacob Mattingley博士的指导老师是斯坦福大学教授Stephen Boyd。Stephen Boyd教授所著的《凸优化》(Convex Optimization)一书是凸优化问题方面的权威著作。

SpaceX火箭如何进行重复点火?

打火机靠摩擦火石产生火花引燃气体。贝爷在野外烤肉,引火经常用刀摩擦火石,有时也钻木取火或让电池短路生火。家里燃气灶、汽车等靠电池放电产生电火花引火。SpaceX的猎鹰9火箭在发动机关闭后,重新点火需要用到蓄电池吗?答案是不需要。

猎鹰9火箭目前采用Merlin 1D发动机,主燃料是液氧煤油(LOX/RP-1)。点火剂是TEA-TEB(三乙基铝烷-三乙基硼烷)混合物,TEA-TEB遇氧可自燃。火箭发射时,TEA-TEB和液氧喷进燃烧室,引发自燃,也引燃随后流进燃烧室的主燃料液氧煤油,实现发动机点火

猎鹰9火箭脱离大气层,一级二级火箭分离后,一级火箭发动机处于关闭状态。一级火箭通过喷射冷气流实现姿态翻转,随后发动机重新点火(Boostback Burn),点火剂是火箭自身携带的TEA-TEB和液氧。发动机重新启动的目的是实现返回大气层前的轨道控制。

这里还有一个问题,一级火箭发动机在无重力环境下重新点火,燃料怎么进入燃烧室?答案是用加压氮气把燃料“推”进去

猎鹰9火箭在地面发射时,为减轻火箭重量,用于点火的TEA-TEB和液氧是从地面上的容器喷入燃烧室的。火箭的重量需要“斤斤计较”,不像卡车装货多点儿少点儿无所谓。小时候在酒泉看过一次火箭发射,时间是晚上。老爸抱起我,让我站在一堆砖上以便看得清楚。火箭喷吐烈焰,直刺黑暗苍穹的景象至今记忆犹新。很多年后我好奇地问老爸,那次发射成功了吗?老爸犹豫了一会儿告诉我,由于临时加了一点几公斤的仪器,火箭没有入轨,掉到澳大利亚的沙漠里了☹️

王维发朋友圈

“大漠孤烟直,长河落日圆”。王维如果发朋友圈,对这一面一线,一线一圆的极简意境,想必会加上#minimalism的标签。

《中国诗歌艺术研究》-袁行霈

王维诗歌体现的“空、寂”禅意,从审美角度看,与极简艺术是相通的。

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