Mission analysis and GNC missionisation for re-entry vehicles

The reusability of spacecraft and launchers marks a revolutionary stride in space exploration and transportation, introducing an era characterised by enhanced efficiency, sustainability, and cost-effectiveness. In contrast to conventional expendable space vehicles that dispose of components after a single use, reusability entails the strategic design and engineering of spacecraft and launchers to withstand multiple missions. This shift in approach is motivated by the acknowledgment that promoting sustainability in space travel is not only environmentally conscientious but also economically advantageous. The drive towards spacecraft and launcher reusability has sparked significant investments from both private companies and governmental space agencies. Recognising the potential game-changing impact of reusable technology, numerous entities are actively channeling resources into the development and enhancement of reusable spacecraft and launchers. In this context, the new ability of a reusable system to undergo re-flight necessitates the implementation of a Mission Analysis (MA) and Guidance, Navigation, and Control (GNC) missionisation process and tool for autonomous re-entry vehicles. This reduces the customisation efforts needed for each mission. The research work focuses on the definition and implementation of a multidisciplinary, parametric and modular Mission Analysis and GNC missionisation tool for re-entry vehicles. In this thesis a novel approach to perform the design of re-entry mission and the setting of the GNC parameters is proposed: the required analyses are integrated into a multidisciplinary and parameterised framework to effectively handle design variables and the interconnections between different analyses within a unified analytical environment. The tool exploits Multidisciplinary Design Optimisation techniques to manage the Multidisciplinary Analysis framework to perform parametric optimisation and to handle the coupling between the disciplines. This operation is implemented within the Missionisation Layer, which embeds both a Multi-Objective Particle Swarm Optimisation algorithm and a metamodel technique based on Gaussian Radial Basis Functions. The aims of the missionisation tool within this research is dual: the first objective aims at obtaining an optimised end-to-end mission solution and GNC parameters tuning while satisfying specific mission and system requirements. This relates the concept of missionisation to the latest phases of the design process. The second goal uses the concept of missionisation during the early phase of the design: the tool aims at assessing the mission performance of a vehicle or a family of re-entry vehicles with respect a set of mission and system parameters to identify promising solutions within the search space. The thesis reports the definition of the MA an GNC missionisation tool, the engineering modeling of the disciplines, the validation of the tool and the application in representative test case scenarios. The outcome of the thesis is a complete framework that can be used to perform preliminary and mid-fidelity analysis for a wide range of re-entry scenarios. However, the modular nature of the tool allows to increase the level of fidelity and accuracy quite easily.

Il riutilizzo dei veicoli spaziali e dei lanciatori segna un passo rivoluzionario nell'esplorazione e nel trasporto spaziale, introducendo un'era caratterizzata da maggiore efficienza, sostenibilità ed economicità. A differenza dei veicoli spaziali spendibili convenzionali, che smaltiscono i componenti dopo un solo utilizzo, il riutilizzo comporta la progettazione strategica di veicoli spaziali e lanciatori per affrontare più missioni. Questo cambiamento di approccio è motivato dal riconoscimento che la promozione della sostenibilità nei viaggi spaziali non è solo rispettosa dell'ambiente, ma anche economicamente vantaggiosa. La spinta verso il riutilizzo dei veicoli spaziali e dei lanciatori ha stimolato investimenti significativi da parte di aziende private e agenzie spaziali governative. Riconoscendo il potenziale impatto rivoluzionario della tecnologia riutilizzabile, numerose entità stanno attivamente convogliando risorse nello sviluppo e nel miglioramento di veicoli spaziali e lanciatori riutilizzabili. In questo contesto, la nuova capacità di un sistema riutilizzabile di essere sottoposto a un nuovo volo richiede l'implementazione di un processo e di uno strumento di analisi della missione (MA) e di guida, navigazione e controllo (GNC) per i veicoli autonomi di rientro. Questo riduce gli sforzi di personalizzazione necessari per ogni missione. Il lavoro di ricerca si concentra sulla definizione e sull'implementazione di uno strumento multidisciplinare, parametrico e modulare per l'analisi della missione e la missionalizzazione del GNC per i veicoli di rientro. In questa tesi viene proposto un approccio innovativo per la progettazione della missione di rientro e la definizione dei parametri del GNC: le analisi richieste sono integrate in un quadro multidisciplinare e parametrizzato per gestire efficacemente le variabili di progetto e le interconnessioni tra le diverse analisi all'interno di un ambiente analitico unificato. Lo strumento sfrutta le tecniche di ottimizzazione della progettazione multidisciplinare per gestire il quadro di analisi multidisciplinare per eseguire l'ottimizzazione parametrica e gestire l'accoppiamento tra le discipline. Questa operazione è implementata all'interno del Missionisation Layer, che incorpora sia un algoritmo di Particle Swarm Optimisation multi-obiettivo sia una tecnica di metamodello basata su Gaussian Radial Basis functions. L'obiettivo del Missionisation tool nell'ambito di questa ricerca è duplice: il primo obiettivo mira a ottenere una soluzione di missione end-to-end ottimizzata e la messa a punto dei parametri del GNC soddisfacendo i requisiti specifici della missione e del sistema. Ciò mette in relazione il concetto di missionisation con le ultime fasi del processo di progettazione. Il secondo obiettivo utilizza il concetto di missionisation durante la fase iniziale della progettazione: lo strumento mira a valutare le prestazioni di missione di un veicolo o di una famiglia di veicoli di rientro rispetto a un insieme di parametri di missione e di sistema per identificare soluzioni promettenti all'interno dello spazio di ricerca. La tesi riporta la definizione dello strumento di missionisation MA e GNC, la modellazione ingegneristica delle discipline, la validazione dello strumento e l'applicazione in scenari rappresentativi di test case. Il risultato della tesi è un framework completo che può essere utilizzato per eseguire analisi preliminari e di media fedeltà per un'ampia gamma di scenari di rientro. Tuttavia, la natura modulare dello strumento consente di aumentare il livello di fedeltà e di accuratezza con estrema facilità.