Styr- och reglersystem för vertikal landning av studentraket: Modellering och simulering av thrust vector control med styrfenor

Abstract

Den här studien undersöker hur en motoriserad vertikal landning kan möjliggöras för en studentraket utvecklad av Chalmers Aerospace Society for Advanced Rocketry(CAESAR) genom design och utvärdering av ett styrsystem samt en tillhörande reglerstrategi. Flera styrkoncept utvärderades och, baserat på begränsningarna i CAESARs befintliga raketdesign, valdes ett thrust vector control-system baserat på styrfenor. Ett mekaniskt koncept för styrfenorna utvecklades, och Computational Fluid Dynamics (CFD) simuleringar samt prototyptester användes för att undersöka styrfenornas kraftgenererande förmåga. På grund av begränsningar i CFDsimuleringarnas konvergens och experimentella osäkerheter användes dessa resultat främst som kvalitativt stöd för systemmodellen. En dynamisk modell av raketen utvecklades i Simulink/MATLAB. Modellen inkluderar translations- och rotationsdynamik, aerodynamik, variation i raketens massa, vindstörningar samt en förenklad modell av thrust vector control-systemet. Ett PID-baserat kaskadreglersystem implementerades för att reglera vertikal rörelse, lateral position, attityd och vinkelhastigheter under landningsfasen.

Systemet utvärderades genom deterministiska simuleringar, extremfallstester och en Monte Carlo-analys. För det nominella Monte Carlo-fallet resulterade 981 av 1000 simuleringar i lyckade landningar, vilket motsvarar en framgångsgrad på 98,1%. De lyckade landningarna uppvisade även hög landningsprecision, med ett genomsnittligt avstånd på 1,06 m från målpunkten. Resultaten visade dock också att styrfenesystemet har begränsad styrförmåga jämfört med ett idealiserat thrust vector control-system, särskilt på grund av begränsad avledningseffektivitet och det faktum att endast en del av avgasflödet påverkas av styrfenorna. Resultaten indikerar att ett thrust vector control-system baserat på styrfenor kan möjliggöra kontrollerad vertikal landning i simulering under de antaganden som gjorts i detta arbete. Systemet är dock känsligt för modellantaganden, aktuatorbegränsningar och kombinationer av initiala avvikelser.