Multibody parafoil-payload model for SpaceRider trajectory and inflation loads analysis

Parafoils have been of great interest for space and military applications. Their higher lift-to-drag ratio w.r.t ballistic parachutes allows to save mass and volume maintaining the same vertical touch-down velocity. The possibility to control the system, pulling the suspension lines, allows also to reduce the landing dispersion and to counter-act the wind disturbance. These are some of the reasons why in the aerodynamic decelerator system of SpaceRider a parafoil stage was selected. The present work shows the parafoil-payload model developed in the frame of the SpaceRider program. The model represents a system consisting of a parafoil and a payload as two separate rigid bodies both with 6 DoFs (3 rigid rotations and 3 rigid translations). The representation is performed through time-domain state-space model. Particular care is posed on the definition of the model validity limits and its usage within them. The main attractive feature of the model is the inflation loads analysis, useful to check whether the design requirements imposed by the system are met or not. The classical semi-empirical methods are coupled with a more complex dynamic (12 DoFs instead of 3) to have a more accurate representation of the inflation loads (especially during the pitch-down motion at cells inflation). The effect on the inflation analysis of some parameters (as the Cmq) is investigated and the importance of some of them is outlined to perform the final design of the canopy. The possibility to optimize the reefing technique for parafoil is also analyzed, reducing as much as possible the inflation loads for a single stage reefing technique. A small overview of the GNC system is also given. The guidance in the XY plane is a classical way-points T-based approach with a sine control law. Particular emphasis is given to the longitudinal control through the development of a non-linear Lyapunov stable rigging angle control, thus allowing to reduce the landing error during the terminal guidance phase. The GNC robustness is checked imposing navigational errors, winds disturbances (gusts and turbulence) and limitations in the control action. The model developed is suitable to design the aerodynamic decelerator system (canopy, reefing strategy, connection lines) and the GNC system. Due to its high-fidelity it can be also used for validation purposes.

I parafoil sono oggetto di interesse nell'ambito spaziale e militare. La loro maggiore efficienza aerodinamica rispetto ai paracaduti balistici permette loro di risparmiare massa e volume mantenendo la stessa velocità verticale all'atterraggio. La possibilità di controllare il sistema, tirando le linee di sospensione, permette di ridurre l'errore all'atterraggio e di contrastare l'azione del vento. Questi sono alcuni dei motivi per cui il parafoil è stato selezionato come ultimo stadio del sistema di decelerazione aerodinamico di Space Rider. Questo lavoro è stato sviluppato nel quadro della missione spaziale SpaceRider. Il modello rappresenta il sistema composto da un parafoil e un carico utile (SpaceRider) intesi come due corpi separati cinematicamente (ognuno ha la possibilità di 3 rotazioni rigide e 3 traslazioni rigide). La rappresentazione è eseguita nel dominio del tempo tramite lo spazio di stato. Particolare cura è posta nel definire i limiti di validità del modello e il suo utilizzo nel rispetto di questi ultimi. La caratteristica principale del modello è la possibilità di cogliere i carichi al gonfiaggio, per verificare che i requisiti di sistema siano rispettati. I classici modelli semi-empirici sono accoppiati con una dinamica complessa (12 gradi di libertà invece di 3) ottenendo così una rappresentazione molto più accurata (sopratutto durante il movimento a picchiare al gonfiaggio delle celle). Sono stati analizzati gli effetti di alcuni parametri (come il Cmq) sui carichi al gonfiaggio, inoltre è stata sottolineata l'importanza di questi ultimi per la progettazione finale della vela. E' stata inoltre presa in considerazione la possibilità di ottimizzare la tecnica di reefing utilizzando un parafoil, riducendo così il più possibile i carichi al gonfiaggio, specificatamente per una strategia a un solo stadio. E' altresì fornita la rappresentazione della Guida e Controllo. La guida nel piano XY segue un approccio di tipo T con una legge di controllo sinusoidale. Particolare enfasi è data al controllo longitudinale con lo sviluppo di una nuova legge di controllo non lineare, stabile alla Lyapunov, per il controllo dell'angolo di incidenza della vela, permettendo così di ridurre ulteriormente l'errore nella parte terminale dell'atterraggio. La robustezza della Guida e Controllo è verificata con l'imposizione degli errori di navigazione, disturbi atmosferici (raffiche, turbolenza e vento costante) e limitazioni nell'attuazione. Il modello sviluppato è adatto sia alla progettazione del sistema di decelerazione aerodinamico (vela, strategia di reefing e proprietà delle linee di connessione) sia al sistema di guida e controllo. Grazie alla sua alta precisione questo modello è utile anche per scopi di validazione.