A virtual simulator for planetary entry descent and landing vehicles design

This Master thesis deals with the development of a graphical simulator for Entry, Descent and Landing missions on a planet surface. The high costs of space missions prohibit large scale experimental tests. Thus, it is necessary to use a computer code to simulate different operative conditions. Graphical visualization helps mission designers to gain more physical insight to the problem. The tool developed in this work deals about the dynamics of atmospheric re-entry, subdividing the re-entry trajectory in three successive phases. First the vehicle, due to the presence of the heatshield, is modeled as a capsule and descents towards the planet braked by aerodynamic drag. Then the parachute is deployed to further brake the capsule. The last phase considers the landing of the vehicle by retro rockets and starts after the release of the parachute and the backshell. Dynamics implemented in the tool considers both inertial and angular motion of the vehicle; forces are computed by modeling environment and aerodynamics, using for the latter fitted data coming from previous missions. The model verification is based on data taken from literature and the trajectory is displayed on the screen using a graphic engine. The software has been developed by using a modular approach: each element can be modified singularly. This allows a future upgrade of the software, to better describe each element that characterizes the re-entry. Thanks to the modular approach, the tool developed is integrated in a bigger project, already started at Politecnico, which aims to realize a graphical simulator to space exploration.

Questa Tesi di laurea Magistrale documenta lo sviluppo di un simulatore grafico per missioni di rientro, discesa e atterraggio di un veicolo spaziale sulla superficie di un pianeta. L’elevato costo delle missioni spaziali non permette di provare sul campo tutte le possibili situazioni cui può essere soggetto un veicolo di rientro. Di qui la necessità di utilizzare un altro approccio, basato sulla simulazione al calcolatore delle diverse condizioni operative. La visualizzazione grafica fornisce un valido aiuto ai progettisti di missione, che, oltre ad un riscontro dai dati numerici, hanno la possibilità di un approccio più fisico e realistico al problema. Il simulatore sviluppato in questo lavoro di tesi riguarda la dinamica del rientro atmosferico, suddividendo la traiettoria in tre fasi successive. All’inizio il veicolo, a causa della presenza dello scudo termico, si presenta come una capsula che scende verso il pianeta frenato solo dalla resistenza aerodinamica. Successivamente è dispiegato il paracadute che frena la capsula. L’ultima fase inizia dopo aver sganciato il paracadute e lo scudo termico e prevede l’atterraggio del veicolo tramite l’uso dei retrorazzi. La dinamica considerata nel simulatore riguarda sia il moto del centro di massa che l’assetto del veicolo; le forze agenti sono calcolate mediante una modellazione dell’ambiente e dell’aerodinamica, ottenuta quest’ultima sulla base di dati riguardanti precedenti missioni di rientro. La verifica del modello si basa su risultati noti reperibili in letteratura e la traiettoria è visualizzata a video tramite l’utilizzo di un motore grafico. Il software è stato realizzato seguendo un approccio modulare: ogni elemento che lo compone può essere modificato singolarmente. Questo permette un futuro ampliamento del software, in modo da poter descrivere nel dettaglio ciascun elemento che caratterizza la fase di rientro. Grazie a quest'approccio il modulo realizzato è integrato facilmente in un progetto più ampio, già avviato all’interno del Politecnico, che prevede la realizzazione di un simulatore grafico per l’esplorazione spaziale.