Attitude control system design for a reusable launch vehicle's booster stage during coast phase and flip-over maneuver

In the last decade, the technological advancements has enabled humanity to tackle challenges previously believed unthinkable. The growing interest in Reusable Launch Vehicles (RLVs) has made the development of control systems critical for executing vehicle reentry missions safely and efficiently. This thesis focuses on the development of a control system for reorienting a reusable launch vehicle's first stage during the flip-over and coasting phases. The objective is to design Guidance and Control subsystems, which, together with the Navigation unit, form the GNC (Guidance, Navigation and Control) architecture. More in detail, the Control subsystem is organized into modules, each serving a specific purpose: computing the required control torque to track the trajectory, mapping this request into a control force for the onboard individual cold gas thrusters, converting these signals into a sequence of on/off commands for the actuators. The overall control system has been implemented in Matlab/Simulink and tested with a control-oriented model, verifying the correct functionality of all units. Afterwards, a validation was performed with a more accurate model of a reusable launch vehicle's first stage during reentry mission. This model accounts for the effects of a time varying inertia matrix, mass and center of mass, due to fuel consumption, liquid fuel sloshing, aerodynamics and propulsion. The validation was carried out under various conditions: the nominal case, inertia matrix uncertainties, and external disturbance torques. The developed control system demonstrated excellent performance during flip-over and coasting phases, fully satisfying the control requirements.

Lo sviluppo tecnologico dell'ultimo decennio ha permesso di affrontare sfide prima impensabili. Il crescente interesse nei lanciatori spaziali riutilizzabili ha reso cruciale lo sviluppo di sistemi di controllo per eseguire in maniera sicura ed efficiente missioni di rientro del veicolo spaziale. Questa tesi è incentrata sullo sviluppo di un sistema di controllo per il riorientamento del primo stadio di un lanciatore spaziale riutilizzabile nelle fasi di flip-over e coasting. L'obiettivo è lo sviluppo dei sottosistemi di Guida e Controllo, i quali, insieme ad uno di Navigazione, formano il cosidetto sistema GNC (Guidance, Navigation and Control). In particolare il sistema di Controllo è organizzato in piu moduli volti a svolgere un preciso obiettivo, i quali: calcolare la coppia di controllo richiesta per seguire la traiettoria, convertire tale azione in una richiesta di forza ai vari propulsori a gas freddo presenti sul veicolo, convertire tale segnale in una sequence di comandi discreti applicati direttamente sugli attuatori. Il sistema di controllo complessivo è stato implementato in Matlab/Simulink per poi essere sottoposto a vari test su un modello orientato al controllo, verificando il funzionamento di tutte le unità. In seguito, è stata eseguita una validazione su un modello piu dettagliato di un lanciatore spaziale riutilizzabile, il quale include la variazione della matrice di inerizia, del centro di massa e della massa complessiva, dovuta al consumo di carburante, al fenomeno dello sciaboridio del carburante liquido, all'aerodinamica e alla propulsione. Tale validazione comprende una analisi in condizioni nominali, una con incertezza sulla matrice di inerizia e, infine, una in presenza di disturbi esterni. Il sistema di controllo sviluppato riesce complessivamente a eseguire la manovra di flip-over seguita da quella di coasting, soddisfacendo pienamente i requisiti di controllo.