A multidisciplinary tool for the combined optimization of manned atmospheric entry vehicles and their trajectory

Space programs foresee human exploration missions to the Moon and Mars. To land on a planet and to come back to the Earth it is necessary to overcome the atmospheric entry phase, which is particularly critical because of the high thermal, aerodynamic and structural loads applied to a vehicle. The design of a reentry system is generally complicated by the need to verify heterogeneous constraints; the presence of a crew makes the design even more delicate, adding physiological limitations. The objective of the present study is the realization of a tool for multidisciplinary design that allows to determine preliminary solutions for the entry system configuration and trajectory, taking into account the presence of man aboard. The various disciplines inherent to the project are separately modeled and later organized in an integrated tool able to identify first guess solutions that simultaneously consider the different problems. The adopted approach is the multidisciplinary optimization of a complex system subject to fast dynamics, for which the feasibility of the solution is guaranteed by the verification of a set of constraints on the trajectory, the structure, the propulsion, the thermal protection, the landing velocity and the human physiology. The chosen optimization method is the Particle Swarm Optimization, able to find optimum solutions for highly nonlinear problems. The obtained results demonstrate the validity of the conceived tool, enabling the comparison of the solutions and the analysis of their common characteristics.

I programmi spaziali prevedono missioni di esplorazione umana verso la Luna e Marte. Per atterrare su un pianeta e per tornare sulla Terra è necessario superare la fase di ingresso atmosferico, particolarmente critica per via degli elevati carichi termici, aerodinamici e strutturali a cui viene sottoposto un veicolo. La progettazione di un sistema per il rientro è generalmente complicata dalla necessità di rispettare vincoli eterogenei; la presenza di un equipaggio la rende ancora più delicata, aggiungendo limitazioni fisiologiche. Il presente lavoro di tesi si propone di realizzare uno strumento di analisi progettuale multidisciplinare che permetta di determinare soluzioni preliminari per la configurazione del sistema di ingresso e per la sua traiettoria, tenendo conto della presenza dell’uomo a bordo. L’approccio utilizzato è quello dell’ottimizzazione multidisciplinare di un sistema complesso sottoposto a dinamiche veloci, in cui la fattibilità della soluzione è garantita dal soddisfacimento di vincoli sulla traiettoria, la struttura, la propulsione, la protezione termica, la velocità di impatto al suolo e la fisiologia umana. Per fare ciò, le varie discipline inerenti al progetto sono modellate separatamente e organizzate in seguito in uno strumento integrato capace di restituire soluzioni di primo tentativo, ma che tengono conto simultaneamente delle diverse problematiche. Il metodo di ottimizzazione prescelto è il Particle Swarm Optimization, capace di trovare soluzioni ottime di sistemi fortemente non lineari. I risultati ottenuti dimostrano l’efficacia dello strumento concepito, permettendo l’analisi delle caratteristiche comuni alle soluzioni trovate e il loro confronto.