Modelling of a Controlled Re-entry of VTVL Vehicle

The principal challenge in the modern rocket science is to reduce the cost per kilogram of payload. This means optimize all the aspect of a rocket launcher. One of the main branches that is exponentially growing is the possibility to have a reusable launcher. In order to achieve the re-entry of a stage of the launcher the modelling part is the key to start develop new and optimized control algorithms. During the following thesis work, an overview of the current methods to model the dy- namics, kinematics and control of a re-entering booster is presented, then the focus will shift to a single model of the motion that will be implemented in a SIMULINK environ- ment. A set of physical and numerical requirements will be defined in order to evaluate the performance of the reference model. The constant gains PID control and the gain scheduling techniques will be implemented and analyzed, defining some tuning parame- ters, to compare their performances with respect to the reference model results. A step forward in the direction of the numerical efficiency will be done by a simplification of the reference model passing from six to three degree of freedom motion. The last analysis will be conducted on the aerodynamic coefficients using a simplified model derived from the reference one. The aerodynamic coefficients provided in the reference model and those computed with MISSILE DATCOM will be compared focusing on the performance re- quirements defined at the beginning of the analysis.

La pricipale sfida nella moderna rocket science è quella di ridurre il costo per chilogrammo di payload. Questo significa ottimizzare tutti gli aspetti di un lanciatore spaziale. Una delle più grandi branche che è in continua espansione è la possibilità di avere lanciatori riutilizzabili. Per raggiungere l’obiettivo di far rientrare uno stadio di un lanciatore, la parte di model- lizzazione è fondamentale per sviluppare nuovi e ottimizzati algoritimi di controllo. Nel corso del presente lavoro di tesi sarà presentata una revisione dello stato dell’arte dei modelli di dinamica, cinematica e controllo di un lanciatore in fase di rientro, in seguito ci si focalizzerà su un singolo modello di moto che verrà implementato e studiato nell’ ambiente di programmazione SIMULINK. Una tabella di requisiti sulle prestazioni fisiche e numeriche verrà definita per valutare come i modelli rispondono a diverse strategie di controllo che saranno implementate e analizzate, il PID a guadagni costanti e quella del gain scheduling verranno confrontate con quella del modello di riferimento. Sarà fatto un passo avanti nella direzione dell incremento dell’ efficienza numerica semplificando il modello di riferimento passando da sei gradi di libertà a tre. L’ultima analisi sarà fatta sui coefficienti aerodinamici usando il modello semplificato derivato dal modello di rife- rimento. I coefficienti aerodinamici forniti con il modello di studio e quelli calcolati con MISSILE DATCOM saranno analizzati e confrontati con particolare attenzione ai requi- siti definiti all’ inizio dell’ analisi.