Model predictive control design for the powered vertical landing phase of a reusable rocket booster

Access to space has undergone an outstanding cost reduction and a skyrocketing number of launches in the last decades, thanks to reusable space launch vehicles. This achievement would not have been possible without the improvement and development of more complex Guidance, Navigation, and Control algorithms to perform vertical landings with impressive precision. This thesis contributes to the design and development of control algorithms for the powered descent landing phase of a reusable rocket booster stage within the OVERBOREproject. Theplatform considered for the simulation is a SpaceX Falcon9like vehicle with four grid fins and nine engines capable of Thrust Vectoring Control. An MPC algorithm has been designed as the control algorithm for the trajectory tracking of a guidance reference, taking into account the constraints and requirements of the system. A switching logic of the optimization control problem has been developed to improve the tracking performance during the last seconds of the landing phase. Control allocators have been designed to generate the low-level actuation signals to command the engines and the grid fins, achieving the integration of the control algorithm with the project’s simulative environment. Compared to the existing works in the open literature, this thesis has focused on the control algorithm integration with a complex GNC architecture, considering various criteria to work in a simulated scenario. The development is validated with results throughout analyses and simulations focused on the various components of the control algorithm, ranging from the optimization problem to the allocators. Finally, the overall performance of the designed control algorithms consistently satisfies the required landing conditions of the landing phase simulation.

Negli ultimi decenni, l’accesso allo spazio ha subito una radicale riduzione dei costi ed un impressionante incremento di lanci grazie all’avvento dei lanciatori spaziali riutilizzabili. Questo successo non sarebbe stato possibile senza il miglioramento e l’implementazione di algoritmi di Guida, Navigazione e Controllo più complessi, per eseguire manovre di rientro atmosferico e atterraggio verticale con una precisione impressionante. Questa tesi si focalizza sull’ideazione e implementazione di algoritmi di controllo per la fase di atterraggio verticale, durante l’atterraggio del primo stadio (booster) di un veicolo riutilizzabile. La piattaforma considerata per la simulazione è un veicolo simile al Falcon9 di SpaceX, dotato di quattro griglie ipersoniche e nove propulsori con capacità di Thrust Vectoring Control. Un algoritmo MPC è stato ideato come algoritmo di controllo per il tracciamento della traiettoria di riferimento fornita dagli algoritmi di guida, tenendo in conto dei vincoli e delle richieste del sistema. Una logica di permutazione per il problema di ottimizzazione e di controllo è stata implementata per migliorare le prestazioni del tracciamento durante gli ultimi secondi della fase di atterraggio. Alcuni allocatori di controllo sono stati ideati per generare i segnali di attuazione di basso livello e per comandare i propulsori e le griglie ipersoniche, integrando quindi l’algoritmo di controllo con l’ambiente simulativo del progetto. Comparato ai lavori esistenti nella letteratura aperta, questa tesi si è focalizzata sull’integrazione dell’algoritmo di controllo in un’architettura GNC complessa, considerando diversi criteri per lavorare nello scenario simulativo. L’implementazione è stata validata tramite analisi e simulazioni, focalizzate su varie componenti dell’algorimto di controllo, spaziando dal problema di ottimizzazione agli allocatori. Infine, le prestazioni generali degli algoritmi di controllo, soddisfano in modo consistente le condizioni di atterraggio richieste per la fase di atterraggio.