Sistema de controle para pouso vertical autônomo de foguetes auxiliares

Abstract

Nos últimos anos, a indústria aeroespacial tem buscado aplicar a tecnologia de pouso e decolagem vertical em seus veículos lançadores, aplicando-as no primeiro estágio (foguete auxiliar), visando sua reutilização em novas missões. Essa abordagem é motivada, principalmente, devido ao seu potencial na redução de custo de lançamento, além de incrementar a disponibilidade de serviço de transporte espacial. O presente trabalho apresenta o projeto de um sistema de controle baseado no controlador PID para pousar verticalmente um foguete auxiliar de forma autônoma. Para tal, empregou- se como atuadores a vetorização e a variação da magnitude do empuxo. Modelou-se matematicamente a dinâmica do movimento do foguete auxiliar em três graus de liberdade, englobando as forças aerodinâmicas e a influência do sistema de controle. A massa do foguete auxiliar foi considerada constante. Realizou-se uma estimativa da massa de combustível necessária, da altitude necessária para ligar o motor e a velocidade de queda do foguete auxiliar. Utilizou-se três controladores PD, um para cada grau de liberdade. Para calcular os ganhos dos controladores, realizou-se uma série de linearizações e simplificações para transformar cada grau de liberdade em um sistema de uma entrada e uma saída. O sistema de controle então foi testado no modelo completo construído no ambiente SIMULINK. Os resultados mostram que o sistema de controle proposto alcançou o objetivo de pousar um foguete auxiliar de 950kg consumindo 81kg de combustível para realizar o pouso vertical. Observou-se uma limitação da dispersão horizontal causada pela força aerodinâmica, para uma altitude inicial de 694m, a dispersão máxima permitida pelo atuador com uma vetorização de 10 foi de 21m.

With the motivation of launch cost reduction and to increase the availability of launch service, in the last few years the space companies are enhancing vertical take-off vertical landing technology applied to their boster to autonomously recover and reuse them. This present work design a control system based on PID controllers to land vertically a booster. Gimbal and thrust control were the key actuator to control the translational and rotational movement. The dynamic model was made in three degrees of freedom, which takes into account aerodynamic forces and the influence of the control system. The mass of the booster was considered constant. It was utilized three PD controllers, one for each degree of freedom. Besides the control design, an estimation of fuel mass, initial altitude, and initial vertical velocity were made. To obtain the control gains, linearizations and simplifications were made in each degree of freedom to reduce it to a system of a single input single output. The control system was then tested in the complete model developed in SIMULINK. Results showed the control system is suitable for the proposed problem, landing a 950kg booster using 81kg of fuel to perform the vertical landing. It was observed a horizontal displacement limitation due to aerodynamic forces. To an initial altitude of 694m, the maximum dispersion allowed by the actuator of 10 gimbal was 21m.