Guidance and Control System Design for Reusable Launch Vehicle Descent and Precise Landing

After launch and payload delivery, returning to Earth is a challenging task for Reusable Launch Vehicles (RLVs). First accomplished by the Space Shuttle in 1981 through horizontal landing like an airplane, the cost-effectiveness of such technology was only demonstrated less than 10 years ago with the successful vertical landing and recovery of SpaceX's Falcon9 rocket in 2015. Since then, the launcher market has completely shifted, and RLVs have become a key paradigm for advancing space access capabilities. In fact, the descent and precise landing of reusable launchers involve the development of sophisticated guidance and control (G&C) algorithms. Designing this subsystem is greatly complicated by the couplings that exist between the terrestrial atmosphere, nonlinear flight mechanics, actuators, and the vehicle's structure. In addition to the requirements of strict accuracy and real-time implementation for precise landing which make the design of the guidance algorithm challenging, potential disturbances and uncertainties imply the development of a robust control system able to generate the adequate actuator commands. To understand the interactions between G&C and descent flight mechanics, in this thesis, an RLV controlled dynamics simulator is proposed. The latter can serve as a baseline for the design and analysis of more advanced G&C methods for reusable launcher descent and the precise landing phase. It covers the descent and soft pinpoint landing of a first-stage booster with closed-loop guidance and control integration. It includes the Six-Degree-of-Freedom descent dynamics of a rigid-body model with varying mass, evolving in the terrestrial atmosphere with varying environmental parameters, uncertainties, and disturbances (atmospheric density, ambient pressure, wind), and subjected to external forces (gravity, aerodynamics). The steering of the spacecraft is carried out by a Thrust Vector Control (TVC) system and planar fins, correcting the trajectory deviations with respect to the reference profile. The G&C system consists of a successive convex optimisation guidance algorithm updated several times during the flight, and a control system composed of gain-scheduled Proportional-Integral-Derivative controllers. The architecture for control synthesis is first simplified to study the control capability of different actuation configurations associating TVC and steerable planar fins. The RLV controlled dynamics simulator is then supplemented with improved guidance strategies and robust controllers, the latter synthesised through structured H-infinity. The main objectives are to optimise propellant consumption and increase robustness to uncertainties. Both of these solutions, coupled together within the simulator, showcase promising performance that enables the thesis to set the guidelines for the design of a high-performance G&C system. More specifically, the outcome of the thesis is a powerful tool to assess G&C methods for realistic scenarios of RLV descent and precise landing on Earth. The latter is developed to be versatile with a modular architecture that can be easily modified to integrate more complex models. The development and analysis of advanced and robust techniques, such as successive convex optimisation guidance and H-infinity control, are provided and could be efficiently compared with other relevant methods.

Dopo il lancio e la consegna del carico utile, il ritorno sulla Terra è un compito impegnativo per i veicoli di lancio riutilizzabili (RLV). Realizzato per la prima volta dallo Space Shuttle nel 1981 con un atterraggio orizzontale come un aereo, l'economicità di questa tecnologia è stata dimostrata solo meno di 10 anni fa con il successo dell'atterraggio verticale e del recupero del razzo Falcon9 di SpaceX nel 2015. Da allora, il mercato dei lanciatori è completamente cambiato e gli RLV sono diventati un paradigma chiave per l'avanzamento delle capacità di accesso allo spazio. In effetti, la discesa e l'atterraggio preciso dei lanciatori riutilizzabili comportano lo sviluppo di sofisticati algoritmi di guida e controllo (G&C). La progettazione di questo sottosistema è notevolmente complicata dagli accoppiamenti esistenti tra l'atmosfera terrestre, la meccanica di volo non lineare, gli attuatori e la struttura del veicolo. Oltre ai requisiti di rigorosa precisione e di attuazione in tempo reale per un atterraggio preciso, che rendono impegnativa la progettazione dell'algoritmo di guida, i potenziali disturbi e le incertezze richiedono lo sviluppo di un sistema di controllo robusto in grado di generare i comandi adeguati degli attuatori. Per comprendere le interazioni tra G&C e meccanica del volo di discesa, in questa tesi viene proposto un simulatore di dinamica controllata di RLV. Quest'ultimo può servire come base per la progettazione e l'analisi di metodi di G&C più avanzati per la discesa dei lanciatori riutilizzabili e la fase di atterraggio preciso. Il simulatore copre la discesa e l'atterraggio morbido di un booster di primo stadio con integrazione di guida e controllo ad anello chiuso. Include la dinamica di discesa a sei gradi di libertà di un modello a corpo rigido con massa variabile, che si evolve nell'atmosfera terrestre con parametri ambientali, incertezze e disturbi variabili (densità atmosferica, pressione ambientale, vento) e che è soggetto a forze esterne (gravità, aerodinamica). Il governo del veicolo spaziale è effettuato da un sistema di controllo del vettore di spinta (TVC) e da alette planari, che correggono le deviazioni della traiettoria rispetto al profilo di riferimento. Il sistema G&C consiste in un algoritmo di guida a ottimizzazione convessa successiva, aggiornato più volte durante il volo, e in un sistema di controllo composto da controllori proporzionali-integrali-derivativi a guadagno programmato. L'architettura per la sintesi dei controlli viene prima semplificata per studiare la capacità di controllo di diverse configurazioni di attuazione che associano TVC e alette planari orientabili. Il simulatore di dinamica controllata dell'RLV viene poi integrato con strategie di guida migliorate e controllori robusti, questi ultimi sintetizzati attraverso l'H-infinito strutturato. Gli obiettivi principali sono l'ottimizzazione del consumo di propellente e l'aumento della robustezza alle incertezze. Entrambe le soluzioni, abbinate al simulatore, mostrano prestazioni promettenti che consentono alla tesi di definire le linee guida per la progettazione di un sistema G&C ad alte prestazioni. In particolare, il risultato della tesi è un potente strumento per valutare i metodi di G&C in scenari realistici di discesa di un RLV e di atterraggio preciso sulla Terra. Quest'ultimo è stato sviluppato per essere versatile, con un'architettura modulare che può essere facilmente modificata per integrare modelli più complessi. Lo sviluppo e l'analisi di tecniche avanzate e robuste, come la guida successiva di ottimizzazione convessa e il controllo H-infinito, sono forniti e possono essere efficacemente confrontati con altri metodi pertinenti.