Flugmechanische Modellierung und Simulation eines gesteuerten Raketenfluges im Hyperschall

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird zum einen die Eigendynamik eines Wiedereintrittsfahrzeuges analysiert und zum anderen eine Software zur Simulation des Wiedereintritts entwickelt. Das Wiedereintrittsfahrzeug verfügt über aerodynamische Steuerflächen in Form von Canards. Nach der Herleitung der nichtlinearen Bewegungsgleichungen werden diese analytisch linearisiert und die dynamische Stabilität des Wiedereintrittsfahrzeuges mit der indirekten Ljapunov-Methode bewertet. Hier zeigt sich eine signifikant veränderliche Eigendynamik während des Wiedereintritts mit sowohl stabilen als auch instabilen Eigenbewegungsformen. Aufgrund von Lage und Verlauf der Eigenwerte entlang der Wiedereintrittstrajektorie wird auf ein insgesamt stabiles Systemverhalten beim Wiedereintritt geschlossen. Die Ergebnisse der Eigendynamikanalyse werden im Rahmen einer Monte-Carlo-Simulation validiert, um den Einfluss von Unsicherheiten in den aerodynamischen Daten zu prüfen. Weiterhin erfolgt ein Vergleich der analytischen mit einer numerischen Lösung. In der Monte-Carlo-Simulation und in dem Vergleich der beiden Methoden zeigen sich nur sehr geringe Abweichungen. Das Verhalten desWiedereintrittsfahrzeuges wird anhand einer nichtlinearen Simulation überprüft. Im ungeregelten Fall erweist sich die Eigenbewegung entsprechend der vorangegangenen Ergebnisse als insgesamt stabil jedoch gering gedämpft. Es wird ein adaptives Regelungskonzept für die Lageregelung vorgestellt und für die Regelung des Anstell-, des Schiebe- und des Rollwinkels je ein PID-Regler exemplarisch ausgelegt. Trotz der stark veränderlichen Eigendynamik zeigt sich für diesen Regler ein gutmütiges Regelverhalten mit einer hohen Führungsgenauigkeit.