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Physical Modeling and Simulation of Reusable Rockets for GNC Verification and Validation

Fari, Stefano und Sagliano, Marco und Maces Hernandez, Jose Alfredo und Schneider, Anton und Heidecker, Ansgar und Schlotterer, Markus und Woicke, Svenja (2024) Physical Modeling and Simulation of Reusable Rockets for GNC Verification and Validation. Aerospace, 11 (5), Seite 337. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/aerospace11050337. ISSN 2226-4310.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: https://www.mdpi.com/2226-4310/11/5/337

Kurzfassung

Reusable rockets must rely on well-designed Guidance, Navigation and Control (GNC) algorithms. Because they are tested and verified in closed-loop, high-fidelity simulators, emphasizing the strategy to achieve such advanced models is of paramount importance. A wide spectrum of complex dynamic behaviors and their cross-couplings must be captured to achieve sufficiently representative simulations, hence a better assessment of the GNC performance and robustness. This paper focuses on of the main aspects related to the physical (acausal) modeling of reusable rockets, and the integration of these models into a suitable simulation framework oriented towards GNC Validation and Verification (V&V). Firstly, the modeling challenges and the need for physical multibody models are explained. Then, the Vertical Landing Vehicles Library (VLVLib), a Modelica-based library for the physical modeling and simulation of reusable rocket dynamics, is introduced. The VLVLib is built on specific principles that enable quick adaptations to vehicle changes and the introduction of new features during the design process, thereby enhancing project efficiency and reducing costs. Throughout the paper, we explain how these features allow for the rapid development of complex vehicle simulation models by adjusting the selected dynamic effects or changing their fidelity levels. Since the GNC algorithms are normally tested in Simulink®, we show how simulation models with a desired fidelity level can be developed, embedded and simulated within the Simulink® environment. Secondly, this work details the modeling aspects of four relevant vehicle dynamics: propellant sloshing, Thrust Vector Control (TVC), landing legs deployment and touchdown. The CALLISTO reusable rocket is taken as study case: representative simulation results are shown and analyzed to highlight the impact of the higher-fidelity models in comparison with a rigid-body model assumption.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/203957/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Physical Modeling and Simulation of Reusable Rockets for GNC Verification and Validation
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Fari, StefanoStefano.Fari (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-5595-6905158489871
Sagliano, MarcoMarco.Sagliano (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1026-0693NICHT SPEZIFIZIERT
Maces Hernandez, Jose AlfredoJose.MacesHernandez (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4579-6121158489872
Schneider, AntonAnton.Schneider (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4542-6251NICHT SPEZIFIZIERT
Heidecker, AnsgarAnsgar.Heidecker (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-7483-9074NICHT SPEZIFIZIERT
Schlotterer, MarkusMarkus.Schlotterer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6565-3622NICHT SPEZIFIZIERT
Woicke, SvenjaSvenja.Woicke (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0864-9977NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:24 April 2024
Erschienen in:Aerospace
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:11
DOI:10.3390/aerospace11050337
Seitenbereich:Seite 337
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Li, ShuangNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
ISSN:2226-4310
Status:veröffentlicht
Stichwörter:physical modeling; simulation; reusable rockets; Modelica; sloshing; TVC; landing legs; touchdown dynamics; GNC; verification and validation
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R - keine Zuordnung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - keine Zuordnung
Standort: Bremen
Institute & Einrichtungen:Institut für Raumfahrtsysteme > Navigations- und Regelungssysteme
Hinterlegt von: Fari, Stefano
Hinterlegt am:26 Apr 2024 09:51
Letzte Änderung:26 Apr 2024 09:51

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