An object-oriented approach to the modeling of a student-developed sounding rocket and its control systems

In recent years, sounding rockets developed by university student teams are becoming more and more complex: hybrid and liquid rocket engines are now common, as well as active control systems such air-brakes and canards, used to control the trajectory and attitude of the vehicles. Despite the complexity, these rockets are relatively low cost, employing consumer-grade computer systems and sensors, and produced within a short development cycle, usually between one to two years from conception to flight. The teams are thus presented with the challenge of completing rapid iterations of the various subsys- tems, analyzing the effects of each change on the performance of the rocket using models and simulations before going into production, to keep costs down. In this context, a multi-disciplinary, object-oriented model of the rocket and its subsys- tems is developed using the Modelica language, incorporating a 6 D.o.F. model of the rocket body with models for the aerodynamics, motor, avionics and actuators, as well as being naturally predisposed to the integration of Guidance Navigation and Control (GNC ) algorithms. Thanks to the object-oriented modeling approach, subsystems within this model are strucutred in a modular and hierchical way, and can be easily modified or substituted with different ones, allowing fast iterations and speeding up the design process. Skyward Experimental Rocketry, the student rocketry association of Politecnico di Milano, tests its rockets at the Aeremogna plateau, near Roccaraso (AQ), where the mountainous terrain and weather pose many challenges to the launch operations: a relatively small launch range and frequent strong winds mean that the launch windows are usually very short. In the second part of this thesis, a Guidance, Navigation and Control system that makes the rocket follow a predefined trajectory in the first instants of the flight is devel- oped, with the aim of reducing the sensitivity to the wind and thus allowing launches in a wider range of weather conditions. The algorithm is seamlessly integrated in the Modelica model, taking as inputs measurements corrupted with various errors as to reproduce the outputs of the low-cost sensors typically used on student sounding rockets.

Negli ultimi anni, i razzi sonda sviluppati da team studenteschi universitari stanno diventando sempre più complessi: motori a propellente solido sono sostituiti da sistemi ibridi o liquidi, mentre superfici aerodinamiche di controllo come aerofreni e canard vengono usate per controllare la traiettoria e l’assetto dei velivoli. Nonostante la complessità, questi razzi hanno un costo relativamente basso, grazie all’utilizzo di sensori e sistemi elettronici commerciali, e vengono sviluppati e prodotti in intervalli di tempo molto brevi, solitamente tra l’uno e i due anni. I team studenteschi hanno quindi la necessità di iterare velocemente sul design dei vari sottosistemi, usando modelli e simulazioni per analizzare gli effetti che ogni modifica apporta alle performance del veicolo completo, in modo da contenere i costi. In questo contesto, un modello multi-disciplinare sviluppato con i principi di modellazione orientata agli oggetti viene sviluppato usando il linguaggio di modellazione “Modelica”, che comprende un modello a 6 gradi di libertà del corpo del razzo oltre che a modelli per l’aerodinamica, la propulsione, l’avionica e gli attuatori. Il modello è sviluppato fin dall’inizio con l’obiettivo di essere usato per lo sviluppo e la verifica di algoritmi di Guida, Navigazione e Controllo. Grazie all’utilizzo dei principi di modellazione agli oggetti, i vari sottosistemi sono integrati in modo modulare e gerarchico, e sono facilmente modificabili o sostituibili, velocizzando le iterazioni e quindi il processo di design. Skyward Experimental Rocketry, l’associazione studentesca di razzomodellismo del Politecnico di Milano, effettua voli di test dei propri razzi al Piano Aremogna, vicino a Roccaraso (AQ), dove il terreno di montagna e le condizioni meteorologiche pongono molte sfide alle operazioni del team, rendendo le finestre di lancio molto brevi. Nella seconda parte di questa tesi viene sviluppato un sistema di guida con l’obiettivo di far seguire al razzo una traiettoria predefinita in modo da diminuire la sua sensibilità al vento, alleviando quindi i vincoli sulle condizioni meteorologiche in cui è possibile volare. L’algoritmo viene integrato con il modello sviluppato in Modelica, prendendo in input segnali corrotti da vari tipi di errori, riproducento così le misure di sensori low cost tipicamente utilizzati in razzi sonda sviluppati da studenti.