我国首次实现百公里级火箭自主返回制导 可重复使用运载技术取得重大突破

我国可重复使用运载技术迈向工程化应用,需要解决一个核心难题:飞行器从高空再入、穿越复杂大气层并精准返回预定区域时,如何在强不确定环境下保持可控、可算、可执行。

传统火箭任务多依赖地面预先设计的飞行程序,按固定轨迹执行即可;但在回收返回阶段,空气密度随高度快速变化、风场波动明显、姿态与气动载荷呈强非线性耦合,且突发工况难以完全预判,固定轨迹往往难以兼顾安全性与精度。

面对未来高频次发射与回收需求,返回过程不仅要“按计划飞”,更要“能改、敢改、改得准”。

造成上述难题的根本原因在于“三个矛盾”。

一是“环境不确定”与“精确落点”的矛盾:再入阶段的微小扰动可能被速度与航程放大,落点误差呈累积效应。

二是“计算复杂度”与“箭载算力受限”的矛盾:轨迹优化涉及多约束条件与实时迭代,要求在极短时间内完成高质量解算。

三是“决策时效”与“人工介入不可行”的矛盾:返回窗口以秒计甚至以百毫秒计,人工无法在回收链路中频繁修正控制指令,必须依靠自主决策闭环完成。

此次关键技术验证飞行试验中,飞行器在上升至约120公里的亚轨道顶点后进入无动力返回阶段。

在再入下降过程中,箭载计算机对飞行器实时状态进行快速计算,平均每秒数次输出新的最优飞行轨迹,指导其穿越大气层并向预定落点收敛。

据介绍,从距地面约70公里高度开始,系统进入在线闭环制导控制阶段,在强非线性气动环境、终端约束耦合与计算资源受限等条件下,仍能在百毫秒级完成一次轨迹优化计算,并根据结果生成控制指令。

飞行器在不依赖燃料推进的情况下,仅依靠气动舵面实施控制,最终将落点误差控制在预定目标数百米范围内。

这一进展的影响主要体现在三个层面。

其一,验证了“在线轨迹优化闭环制导”在百公里级再入剖面上的可行性与可靠性,为可重复使用运载器回收的高精度、强适应控制提供了技术抓手。

其二,强化了我国在返回制导控制体系上的自主能力。

相关平台采用国产元器件与国产处理器,结合算法并行加速等工程化手段,在有限算力下实现高频决策,体现了软硬协同的系统集成能力。

其三,为航天运输走向高频次、规模化运行提供了支撑。

未来当发射任务密集化、回收场地需要动态调度时,返回过程需要具备按指令调整落点、并在能力边界内自主选择安全可行方案的能力,这类技术可显著提升运行弹性与任务鲁棒性。

面向后续发展,相关对策与工作重点可从“工程化、体系化、标准化”三方面推进:一是继续开展多场景、多工况验证,覆盖不同再入速度、风场强度、气动特性与终端约束条件,完善对异常工况的处置策略与安全冗余设计;二是推动制导、导航、控制与动力系统的一体化协同优化,使在线轨迹优化不仅适用于无动力段,也能与发动机多次点火、深度变推力等能力联动,形成更强的全程可控性;三是面向高密度运营需求,建立回收任务规划、落点动态分配与空域协调等配套机制,推动技术从“单次验证”走向“稳定可复用”的工程能力。

从前景看,“百公里级高度剖面”的验证具有标志意义。

该高度意味着飞行器经历更长航程、更高速度与更剧烈的大气相互作用,对算法实时性与系统可靠性提出数量级更高的要求。

随着相关技术持续成熟,可重复使用运载器有望在降低发射成本、提升发射频次、增强任务响应能力等方面释放更大效益,并带动高可靠箭载计算、控制执行机构、验证试验体系等关键环节的整体进步。

业内普遍认为,面向未来航天运输“航班化”运行,能够在不确定环境下做出快速、稳健、可解释的自主决策,将成为决定回收能力上限的重要因素之一。

这次试验的成功,不仅是一项技术突破,更是我国航天产业向可重复使用、高效运营迈进的重要一步。

随着"智慧大脑"技术的不断完善,可重复使用火箭将逐步从实验室走向实际应用,为我国航天运输系统的升级换代提供有力支撑。

未来,当火箭像飞机一样频繁往返于地球与太空之间时,这项自主应变制导技术将成为确保安全、高效运营的关键保障。

中山大学与中科宇航的这次合作,充分展现了产学研结合在推动航天技术创新中的重要作用,也预示着我国自主创新能力在航天领域的不断提升。