Entwicklung eines Rapid Control Prototyping Algorithmus für Raumfahrzeug-Simulationen auf Basis optimaler Regelung

Abstract

Um neue Raumfahrtzeuge für den Abstieg und Aufstieg auf einer Referenztrajektorie zu analysieren und zu testen, müssen präzise Simulationen in sechs Freiheitsgraden (DoF) durchgeführt werden. Eine 6 DoF Simulation der Fahrzeugrotations- und Translationsfreiheitsgrade ist ohne einen Autopiloten nicht möglich. Aus diesem Grund ist es das Ziel dieser Arbeit einen Steueralgorithmus für Raumfahrzeuge zu entwerfen. Dabei sind die Fahrzeuge, die der Autopilot regeln muss, zum Entwurfszeitpunkt nicht bekannt. Der Autopilot soll in das Simulationsprogramm TRACE eingebettet werden, welches vom DLR-SART zur Analyse neuer Raketenkonzepte entworfen wird. TRACE ist in der Lage beliebige Luft- und Raumfahrtzeuge in verschiedenen Umweltbedingungen zu simulieren. Der Steueralgorithmus soll hierbei so ausgelegt sein, dass er mit minimaler Interaktion vom Benutzer eine gewünschte Flugleistung erzielt. Erreicht wird dieses Ziel mit dem Einsatz eines linear-quadratischen Reglers (LQR), der mittels Gain Scheduling an die Referenztrajektorie angepasst wird. Ein Scheduling der Regelparameter wird dabei über die Zeit vorgenommen. Als Eingänge für das Modell werden neben aerodynamischen Klappen, RCS Triebwerke und Schubvektorsteuerung implementiert.