Development and 6-DoF validation of successive convexification guidance for RLVs

The aerospace industry is increasingly adopting Reusable Launch Vehicles (RLV) to reduce costs and enhance launch frequency. Booster recovery via Vertical Takeoff and Vertical Landing (VTVL) requires managing a constrained flight envelope characterized by rapid dynamics, complex aerodynamic interactions, and strict touchdown accuracy requirements. This thesis addresses the challenges of autonomous landing by developing a high-fidelity simulation framework and advanced optimization-based guidance strategies. A 6-Degree-of-Freedom (6-DoF) flight dynamics simulator is developed using a reference RLV benchmark in MATLAB/Simulink. The framework incorporates high-accuracy models for mass depletion, variable aerodynamics, and gravitational environments. It accurately represents the coupling between translational and rotational dynamics, driven by Thrust Vector Control (TVC), aerodynamic fins, and Cold Gas Thrusters (CGT). To validate the simulation framework's core mechanics, a baseline Constrained Terminal Velocity (CTV) analytical algorithm is implemented. Within this environment, a Successive Convexification (SC) guidance algorithm is developed to address the fuel-optimal landing problem. The algorithm iteratively linearizes the non-linear equations of motion and utilizes virtual controls with dynamic trust regions, transforming the non-convex optimal control problem into a sequence of Second-Order Cone Programming (SOCP) subproblems. This approach rigorously enforces complex operational constraints, including minimum thrust limits, glide slopes, tilt angles, angular rates, and angle of attack, all of which are critical for safe recovery. The primary evaluation examines the SC guidance algorithm across both nominal and off-nominal trajectories, showing through comprehensive validation that the SC approach reliably guides the rocket to a precision landing even under severe environmental disturbances, consistently satisfying all operational constraints while minimizing propellant consumption.

L'industria aerospaziale si sta orientando all'impiego di lanciatori riutilizzabili (RLV) per ridurre i costi e aumentare la frequenza dei lanci. Il recupero dei booster con architettura a Decollo e Atterraggio Verticali (VTVL) richiede la gestione di un inviluppo di volo fortemente vincolato, caratterizzato da dinamiche rapide e da stringenti requisiti di precisione. Questa tesi analizza le sfide dell'atterraggio autonomo attraverso lo sviluppo di un simulatore ad alta fedeltà e di strategie di guida avanzate basate sull'ottimizzazione. A tal fine, viene sviluppato in MATLAB/Simulink un simulatore a 6 gradi di libertà (6-DoF) per un RLV di riferimento, con modelli accurati di massa, aerodinamica e ambiente gravitazionale. Il simulatore riproduce l'accoppiamento tra dinamica traslazionale e rotazionale, governato dal Controllo Vettoriale della Spinta (TVC), dalle alette aerodinamiche e dai Propulsori a Gas Freddo (CGT). La validazione del modello dinamico viene effettuata mediante l'implementazione di un algoritmo di riferimento basato sulla guida a Velocità Terminale Vincolata (CTV). In questo contesto viene progettato un algoritmo di guida basato sulla Convessificazione Successiva (SC) per risolvere il problema dell'atterraggio a minimo consumo di propellente. La linearizzazione iterativa delle equazioni non lineari del moto, insieme all'impiego di controlli virtuali e di regioni di confidenza dinamiche, consente di riformulare il problema di controllo ottimo non convesso come una sequenza di sottoproblemi di Programmazione Conica del Secondo Ordine (SOCP). Questo approccio garantisce il rigoroso rispetto dei complessi vincoli operativi, quali limiti di spinta, profilo di discesa, assetto, ratei angolari e angolo di attacco, fondamentali per la sicurezza del recupero. L'algoritmo di guida SC viene validato mediante un'ampia campagna di simulazioni in scenari sia nominali sia perturbati. Le analisi evidenziano come l'approccio sia in grado di garantire un atterraggio preciso anche in condizioni di forti disturbi ambientali, mantenendo il rispetto dei vincoli operativi e riducendo al minimo il consumo di propellente.