旋翼回收火箭系列博客1——研究生未来飞行器设计大赛火箭赛道介绍及分析

前言

硕士论文终于告一段落，象征着七年的大学生活、近二十年的学生生活也即将落下帷幕，每每回想，感慨万千。高中时期的我是个喜欢总结、喜欢反复品味经典问题的学生，而大学的完全学分制让我有些茫然，学了很多东西但又感觉没完全学会。研究生期间陷入项目的泥潭难以抽身，所学所做皆是为了结题与验收，虽每日起早贪黑，但结果并不尽如人意。
虽无善始，但念善终。现将研究生期间所做工作，除去保密事项，刊于此处，以慰吾心。若能对诸君有所启发，更是幸甚至哉。

比赛介绍

“挑战赛道”是第七届(2021年)“飞鲨杯”中国研究生未来飞行器创新大赛新增加的题目，本次比赛包括常规赛道、企业赛道和挑战赛道。其中挑战赛道又包含航空和航天两个赛题，航空是无人查打一体化平台智能飞行，航天便是火箭回收。
下面简要介绍下火箭飞行规则，详细内容可见附件1。

任务描述

参赛队需要研制一种小型火箭，运载有效载荷至一定高度后，精确自动返回至指定目标区域，实现无损回收。
其中：

1. 有效载荷为250g标准砝码；
2. 火箭发动机需为市售商品级火箭发动机；
3. 火箭全程需要自动飞行，不得人工干预；
4. 火箭落地速度不得大于15m/s，箭体不能出现折断和破损现象；
5. 需要自制数据记录仪，记录全程加速度、速度信息。

比赛场地

开始时，比赛场地计划为一个标准操场，后来考虑到火箭飞行的危险性，将比赛地点改到华阴某武器试验基地。此处仍将操场作为示意图，因为两者区域划分基本一致，且每年的比赛实际飞行场地都不一样。
如图1所示，发射区的旁边为准备区和安全区，如果你的火箭飞到这两个区域里面，比赛肯定是凉凉了。目标靶点为一个半径5m的圆，距离发射区约150m，上面绘制有特有的停箭坪图案，如图2所示，可以提供给使用图像识别技术的队伍用作学习训练。

成绩评定

总成绩由飞行分数（70%）和答辩分数（30%）组成，其中飞行分数由发射分和回收分组成，取两次飞行的最高分为最终飞行分数。

其实这个评分还是有点问题，因为落地速度必须要火箭回收并数据处理以后再进行判别，最后的数据是否真实、有效都是很难判定的。

设计难点

对上面的规则进行分析，可以看出几个难点：

发动机限制

有句行话叫“一代材料、一代发动机、一代飞行器”，这充分表明了发动机对于整个火箭总体设计，特别是固体火箭的影响。发动机的限制决定了火箭不能做的太大，即结构、控制系统不能过于复杂（指体积和质量上的复杂）。然而250g的有效载荷和50m的发射高度又要求火箭具有一定的运载能力，这就决定了整个火箭需要采用简单控制、轻质结构和尽可能强劲的推力。
关于发动机，观察了此次所有参赛队伍，他们有使用中天公司的D5-0、D8-0、E12-0和“作坊私人定制发动机”。下面给出了中天公司提供的发动机参数。根据笔者多年的中天公司发动机使用经验，对上面几款发动机进行简要分析：

D5-0发动机平均推力4N，总冲20Ns， D8-0的平均推力8N和27Ns，两者质量差别不大，但推力和总冲差别不少。特别是D5-0的初始推力过小，很明显并不适合这种大质量（1kg以上）的火箭。因此，一直以来D5-0并不受到重视，D8-0是我们日常发射火箭的最爱。通常，4枚D8-0可以将质量800~1000g的火箭推到100m左右（理论与实测结合）。但根据比赛规则，250g的载荷+控制系统很明显会使火箭超过1.5kg，因此增加发动机数量或者换更大推力的发动机成为两种选择。
笔者采用的方案是前者，因为E12虽然性能看着很漂亮，但是一直没经过自己的系统性测试，不敢用来做比赛。再者这个发动机对于我们的火箭会出现两个不够，三个有点多的情况。令我们没有想到的是，某电子科技大学竟然去某科创论坛上买了个人制作的发动机。这种发动机我们自己做过，性能一致性只能说还行。虽然火箭整体质量有点大，但也不是不能解决，所以没有考虑比赛规定之外的发动机。但赛事组委会既然没有认定这个发动机违规的，其实为火箭的设计提供了新的思路，即控制系统可以更为庞大与复杂。

自动飞行

按理来讲，火箭本身就应该是自动飞行的。因为火箭与飞机不同，没有大的升力面来抵消重力，也没有办法通过遥控器摇杆控制发动机推力，更没有办法在高速情况下通过控制舵面去操纵火箭姿态。上述原因也导致了火箭不如飞机具有观赏性和易普及性。全国有百余所高校拥有航模社团，而拥有的火箭社团的高校不足10所。
自动飞行这一本质属性给火箭的导航控制系统带来更大的挑战，因为缺少了人这一最高级、最具鲁棒性的控制器。火箭的飞行环境是极为严苛的，特别是发射时的高过载、高振动会导致部分传感器失效。商用GPS传感器会在过载>4g时自动锁定，陀螺仪和加计会在高振动情况下漂移严重，在没有外部传感器修正时会产生严重后果。
同时，准确回收要求火箭有二次动力（即除发射用发动机以外的动力）或气动操纵面，并且有自动控制能力，这瞬间增加了火箭的复杂度。一般二次动力可以是螺旋桨动力、固体火箭发动机动力和舵面气动力，这些动力系统相应的衍生出了不同的火箭设计方案。

目标区域识别

1. GPS
2. UWB
3. 图像识别
4. 等我也不太清楚的方案

GPS虽然有全局性，但大过载情况下会自锁；UWB距离有限，只能在目标区域附近使用；图像识别性能介于两者之间，虽然具有全局性但是有时候搜索不到，定位精度比GPS高比UWB低。很明显，每个方案都有自己的问题，互相结合的性能会使实际效果更好，但也增加了系统复杂性。

长细比及落地速度限制

火箭要求长细比要>8，这就意味着二次动力系统（螺旋桨、大的翼面）要折叠进机身内部，这极大地增加了结构系统的复杂性。落地速度要求火箭的二次动力要足够强大，以便将下落速度降下来，保证火箭安全回收。

设计思路

根据上面的规则、难点和本人参加此次比赛与多年CADC火箭比赛的经验，可以大致给出几种设计方案：

旋翼回收

这其实是能够想到，最简单且具有可行性的方案。四旋翼的自动定点降落功能已经相当成熟，且市面上有非常多的开源飞控适合二次开发，那看来问题的关键就在于火箭的总体设计与折叠机构的设计了。

其基本发射流程如下：

1. 发射之前提前去回收区踩点，将GPS信息导入飞控内部；
2. 火箭准备发射、点火；
3. 火箭达到最高点时旋翼展开并起旋；
4. 四旋翼将火箭姿态稳定住并飞向目标区域；
5. 检测到着陆后螺旋桨停转。
   相应的，这个方案也存在一些重要的需要解决的问题：（此处不做详细解释，下面的博客会有仔细的分析）
   （1） 火箭质量太大、旋翼拉力太小，火箭俯仰和滚转方向转动惯量比较大
   （2） 飞行全程需要获取可靠、稳定的GPS数据
   （3） 折叠机构要在保证在最高点附近展开
   （4） 测试时报废率比较高
   事实上，今年参赛的四个队伍里面，有两个队伍都是采用了这种方式，并且获得了第一和第二名。

反推发动机

此方案采用固体火箭发动机作为二次动力系统，又可分为简单型和复杂型。首先介绍简单型：

首先，根据计算好的弹道数据和当前的风速情况，选定合适的发射角度，在不开伞和不减速的情况下，火箭需要能够直接撞击到目标区域附近。点火发射后在，在火箭距离目标点一定距离和高度时，点燃头部的发动机使火箭减速，随即降落伞打开携带火箭飘向目标区域。
这个方案看似简单，实则存在一些困难。首先是火箭性能的一致性，火箭能否每次发射都能和仿真数据一致？其次是风的影响极大，比赛当天的风向、风速都是变幻莫测的，很难仅仅通过调整发射角度就能实现降落至目标区域。再者是减速发动机的点燃时刻难确定，什么样的高度、距离、姿态是合适的？这些都很难去判定。
下面介绍较为复杂的火箭反推回收方案。

此方案受启发于SpaceX，但固体火箭发动机只能单次使用，不能二次点火，因此反推发动机置于火箭头部。又固体发动机工作时间短、推力难调节，因此需要在目标点附近工作才能完成任务。下面给出此方案的重点与难点：
（1） 需要较为准确的弹道使火箭尽量靠近目标区域，但相比于降落伞方案，此方案的可选区域更大；
（2） 需要可靠的反喷发动机，发动机的流量、推力要能较为准确的估计；
（3） 需要较强的控制理论，使矢量发动机能摆正火箭姿态，并将火箭平移至目标区域；
（4） 可以配合栅格舵，充分利用气动力，但控制也更为复杂。
具体技术与实施方案可以参考南航刘上同学的blog.

滑翔回收

滑翔回收与旋翼回收类似，也是一种较为成熟的方案，一致点在于都可以采用现有成熟飞控进行二次开发、都采用折叠机构，且对火箭的发射轨迹要求不严格。不同点在于一个采用自身动力（螺旋桨），一个采用气动舵面；一个可以精准着陆，一个需要盘旋降落。

此方案的重点和难点在于：
（1） 折叠机构的复杂性。小翼面起不到作用，大翼面又太重，将一个机翼折叠进火箭还是有相当的难度的，特别是结构质量与强度的权衡，折叠锁死机构的设计。
（2） 控制落点精度。固定翼飞机的定点降落是需要跑道的，很明显火箭上并不能装轮子，外场环境也不可能提供跑道供飞机起降。因此需要飞机直接冲向目标点，并且需要保证机翼不被破坏。

附件

附件1：“飞鲨杯”第七届中国研究生未来飞行器创新大赛指南