Modeling of a hypersonic glide vehicle during a re-entry phase

This research is focused on the demanding field of hypersonic flight, with the main goal of characterizing the trajectories of specific types of vehicles, i.e., Hypersonic Glide Ve- hicles (HGV). Firstly, an in-depth investigation of the various re-entry strategies was conducted, leading to the identification of three distinct phases, i.e., ballistic , gliding, and final approach, that a Glide Hypersonic Vehicle has to deal with during its motion toward the Earth surface. The general effects identified in the higher and lower atmo- spheres have to be considered because they can strongly impact the mission. Moreover, the vast flight envelope, which covers a wide variety of operational conditions, can have a significant influence on outcomes with huge errors if every aspect is not taken into ac- count correctly. The main challenges arise from hypersonic vehicle dynamics treatment, which exhibits high non-linearity, coupling, and uncertainty, given the special and com- plex flight conditions. Therefore, a modular simulation system has been created in order to fit the type of vehicle under analysis with the best suitable exiting models for the physics of the problem, such as atmosphere, gravity, and dynamics utilizing MATLAB and SIMULINK environments. Consequently, a 6-degrees-of-freedom model’s dynamics is simulated, showing various gliding missions, researching how starting glide conditions af- fect trajectory and performances, and performing a Monte Carlo analysis for aerodynamic uncertainties. This study serves to enhance the comprehension of these technologies that exhibit vast potential for diverse applications, thanks to their superior speed, extended range, and enhanced maneuverability. Space tourism and rapid long-range delivery are going to become feasible thanks to these promising innovations, and the development of weaponry is another of the countless areas of application. The model can be used from the very beginning of a vehicle’s design because of its great computation speed. More- over, certain performance factors, such as heating flux and acceleration load, have been determined and they can be used to the structural preliminary design. A strong base has been created that is suited to supporting a complex design with control logic. Based on the proposed research, it is expected to develop a simulation model that can reproduce, in a reliable way, the behavior of such vehicles, usable for civil and military applications.

Questa ricerca è incentrata sullo studio del volo ipersonico, con l’obiettivo principale di caratterizzare le traiettorie di specifici tipi di veicoli, ovvero, veicoli ipersonici in fase di planata (HGV). In primo luogo, è stata condotta un’indagine approfondita sulle varie strategie di rientro, che ha portato all’identificazione di tre fasi distinte, ossia, fase balis- tica, planata e avvicinamento finale, che un veicolo ipersonico deve affrontare durante il suo moto verso la superficie terrestre. Gli effetti generali identificati in alta e bassa atmos- fera devono essere considerati poiché possiedono un forte impatto sulla missione. Inoltre, l’ampio spettro di volo, che copre una vasta gamma di condizioni operative, può avere un’influenza significativa sui risultati con possibili errori se ogni aspetto non viene tenuto in corretta considerazione. Le principali sfide derivano dalla dinamica dei veicoli iperson- ici, che mostra elevata non linearità, accoppiamento e incertezza, date le condizioni di volo particolari e complesse. Pertanto, è stato creato un sistema di simulazione modulare al fine di adattarlo al il tipo di veicolo sottoposto all’analisi e con i modelli esistenti più adeguati per la fisica del problema, come l’atmosfera e gravità , utilizzando gli ambienti Matlab e Simulink. La dinamica di un modello a sei gradi di libertà è stata simulata in diverse missioni, analizzando come le condizioni iniziali di planata vanno ad influire sulla traiettoria e sulle performance, e applicando simulazione Monte Carlo nel contesto delle incertezze aerodinamiche. Il modello può essere utilizzato in una fase di design concettuale grazie all’elevata velocità di simulazione, inoltre, alcuni fattori che vanno ad intaccare la parte strutturale sono stati determinati e possono essere usati per il design preliminare. Un’importante base è stata creata per supportare un design anche complesso della log- ica di controllo. Tale studio serve a migliorare la comprensione di queste tecnologie che presentano enormi potenzialità per diverse applicazioni, grazie all’elevata velocità, esteso range ed ottima manovrabilità. Il turismo spaziale, le consegne veloci a lungo raggio saranno rese fattibili, mentre lo sviluppo delle armi è un’altra delle innumerevoli aree di applicazione. Sulla base della ricerca proposta, si prevede di sviluppare un modello di simulazione in grado di riprodurre in modo affidabile il comportamento generale dei veicoli iperosonici, utilizzabile per applicazioni civili ma anche militari.