Parafoil control authority for landing on Titan

The objective of this work is the development of physics models and simulations techniques for parafoil flight dynamics in Titan environment. This is a preliminary study which has the aim of understanding if advantages given by parafoils high maneuverability can be exploited in the development of planetary vehicles. The derivation of a dynamical model describing the parafoil and its response to the presence of disturbances (drift and gust wind) are important in this problem. Moreover, the application of parafoils to space environment implies deep studies on which forces and effects usually present in common parachutes modeling have to be retained and which one have to be discarded, so that the most possible accurate set of equations of motion can be derived. The presented study covers six macro-areas: 1. Development of low fidelity models, useful to start facing the problem by performing simple simulations. 2. Definition of dimensions and features of a notional parafoil suitable for a Titan landing. 3. Derivation of a high fidelity model in which canopy and payload are considered as two separate rigid bodies with relative rotation. 4. Development of control techniques for parafoil turn and for payload attitude response in presence of wind disturbance. 5. Discussion of performances and sensitivity analysis results. 6. Setting up of an atmospheric parameters estimation procedure (wind and density) with an analysis of its errors and capabilities. The conclusion is that parafoils technology can be applied to Titan landing, taking into account wind effects which may completely jeopardize the mission if not well considered and counteracted.

L'obiettivo del lavoro è lo sviluppo di modelli fisici e di tecniche di simulazione per lo studio della dinamica di volo guidato di un parafoil nella atmosfera di Titano. Lo scopo di questo studio preliminare è capire se i vantaggi dati dalla alta manovrabilità dei parafoil possano essere sfruttati per un atterraggio planetario. La derivazione di un modello dinamico del sistema e la sua risposta ai disturbi (vento costante e turbolento) sono decisivi nella definizione del problema. In aggiunta, la applicazione di questa tecnologia all'ambito spaziale implica uno studio approfondito su quali effetti solitamente inseriti nella modellazione di parafoil terrestri vadano inseriti nel modello o scartati, così da derivare adeguate equazioni di moto. Il lavoro tratta sei macro-argomenti: 1. Sviluppo di modelli dinamici a bassa accuratezza, utili per iniziare ad affrontare il problema con semplici simulazioni. 2. Definizione delle dimensioni di un parafoil adatto per una discesa nella atmosfera di Titano. 3. Derivazione di un modello dinamico accurato in cui la superficie alare del parafoil e il payload sono considerati come due corpi rigidi distinti aventi una rotazione relativa tra loro. 4. Sviluppo di tecniche di controllo per la traiettoria del sistema e per l'assetto del payload in presenza del disturbo del vento. 5. Presentazione dei risultati di una analisi di prestazione e di sensitività. 6. Messa a punto di una procedura per la stima di parametri atmosferici (vento e densità) con una analisi delle sue potenzialità e dei suoi errori. La conclusione del lavoro è che la tecnologia dei paracaduti può essere applicata a un atterraggio planetario, facendo molta attenzione agli effetti del vento che, in assenza di adeguate contromisure, potrebbero drammaticamente compromettere la missione.