【簡(jiǎn)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(lèi)
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(lèi)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(yùn)載火箭發(fā)展的方向之一，回收火箭并實(shí)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(jí)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(lèi)[1]。美國(guó)和蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的航天飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了VTHL，但其高昂的研發(fā)、制造和修復(fù)費(fèi)用并沒(méi)能實(shí)現(xiàn)降低發(fā)射成本的預(yù)期。直至2015年12月22日，美國(guó)SpaceX成功回收Falcon9火箭助推級(jí)，并通過(guò)對(duì)助推級(jí)的重復(fù)使用，實(shí)現(xiàn)了降低發(fā)射成本的目的。
各國(guó)航天機(jī)構(gòu)和公司為提升運(yùn)載火箭在商業(yè)航天國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，均在積極開(kāi)展垂直著陸關(guān)鍵技術(shù)研究工作。本文將簡(jiǎn)要介紹各國(guó)研發(fā)的垂直起降驗(yàn)證飛行器和技術(shù)驗(yàn)證情況。
三角快帆（DC-X）
三角快帆（Delta clipper experimental, DC-X）是美國(guó)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(tái)RL-10A-5液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力60kN，推力調(diào)節(jié)范圍30%-100%，是世界上第一艘以火箭動(dòng)力進(jìn)行垂直起降的可重復(fù)使用運(yùn)載器[2]。從1993年8月18日DC-X首次試驗(yàn)成功，至1996年7月共開(kāi)展12次飛行試驗(yàn)，最大飛行高度2500m。該項(xiàng)目的研究成果為運(yùn)載器重復(fù)使用，火星定點(diǎn)著陸奠定了堅(jiān)實(shí)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(yàn)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(dòng)力飛行驗(yàn)證平臺(tái)（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(yàn)證（Guidance for Fuel-Optimal Large Diverts, G-FOLD），成功實(shí)現(xiàn)了基于凸優(yōu)化算法的動(dòng)力軟著陸段在線(xiàn)軌跡規(guī)劃[4]。
蚱蜢（Grasshopper）
SpaceX設(shè)計(jì)了蚱蜢飛行器，是Falcon9助推級(jí)回收動(dòng)力軟著陸段制導(dǎo)控制技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)[5]。在2012年9月至2013年10月期間，共開(kāi)展了8次飛行試驗(yàn)，最大飛行高度744m，重點(diǎn)驗(yàn)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(jī)動(dòng)能力等制導(dǎo)控制技術(shù)。
EAGLE
EAGLE（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR）是德國(guó)宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR）為驗(yàn)證垂直起降技術(shù)研制的驗(yàn)證飛行平臺(tái)，采用400N推力的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)深度節(jié)流。驗(yàn)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(dòng)機(jī)，從而為在線(xiàn)軌跡規(guī)劃技術(shù)的驗(yàn)證創(chuàng)造條件。
FROG
法國(guó)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(guò)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(dòng)機(jī)的FROG-T和基于1000N推力H2O2發(fā)動(dòng)機(jī)的FROG-H。通過(guò)設(shè)計(jì)基于PID和最優(yōu)控制（LQG）的俯仰、偏航和滾動(dòng)姿態(tài)控制律，開(kāi)展懸掛飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了地面支持系統(tǒng)，以及硬件平臺(tái)、電子系統(tǒng)和嵌入式軟件[7]。同時(shí)，也為學(xué)生和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展算法驗(yàn)證提供了低成本的驗(yàn)證飛行平臺(tái)。
RV-X
日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）為驗(yàn)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(dòng)機(jī)。并于2018年開(kāi)展100m高度的垂直起降飛行試驗(yàn)。
CALLISTO
CALLISTO是由CNES、DRL和JAXA聯(lián)合研發(fā)的重復(fù)使用驗(yàn)證飛行平臺(tái)，計(jì)劃于2020年開(kāi)展飛行試驗(yàn)[8]。采用JAXA研制的可重復(fù)使用液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，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(guò)CALLISTO全面驗(yàn)證垂直著陸過(guò)程氣動(dòng)減速段和動(dòng)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(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件的驗(yàn)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(cè)試飛行器，搭載了一臺(tái)猛禽（Raptor）發(fā)動(dòng)機(jī)，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(yàn)；8月27日完成最后一次垂直起降試驗(yàn)，飛行高度約150m，水平橫移約200m。飛行試驗(yàn)成功驗(yàn)證了飛行器的低空穩(wěn)定性，以及猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。
RLV-T5
中國(guó)翎客航天公司研制了推力為3kN的液氧酒精火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并先后研制了三機(jī)并聯(lián)的RLV-T3和五機(jī)并聯(lián)的RLV-T5飛行器，開(kāi)展了多次低空起飛-懸停-著陸飛行試驗(yàn)，并于2019年8月10日完成了300m垂直起降試驗(yàn)。采用狀態(tài)預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，實(shí)現(xiàn)了垂直起降過(guò)程中高度、速度和姿態(tài)的控制[9]。
“孔雀”飛行器
中國(guó)宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為開(kāi)展運(yùn)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(duì)火箭返回過(guò)程中最后時(shí)刻的動(dòng)力軟著陸段，開(kāi)展了在線(xiàn)軌跡規(guī)劃、高精度相對(duì)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(kāi)展了外場(chǎng)飛行試驗(yàn)，取得成功。
CZ-2C
考慮到火箭返回過(guò)程中需要以較大速度進(jìn)入稠密大氣，利用氣動(dòng)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(shí)，考慮到動(dòng)力著陸段在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)火箭落點(diǎn)調(diào)節(jié)能力有限，必須要求發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前火箭已處于著陸場(chǎng)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(dòng)力的方向，從而在滿(mǎn)足熱流、過(guò)載和動(dòng)壓等再入過(guò)程安全約束的條件下，提升位置控制精度，是實(shí)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(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總的長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭一子級(jí)殘骸在貴州黔南布依族苗族自治州被順利找到，落點(diǎn)在設(shè)定的落區(qū)范圍內(nèi)，標(biāo)志著我國(guó)運(yùn)載火箭首次“柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)”試驗(yàn)取得成功！
