Aproximación Final y Aterrizaje Automático sin Potencia para un Avión Espacial

Abstract

A partir del éxito del lanzador Falcon 9 de la firma Space X, y del Orion de Blue Origin, los sistemas reutilizables de acceso al espacio están recibiendo fuerte atención debido a sus ventajas comerciales respecto de los lanzadores descartables tradicionales. La idea no es nueva, y a la fecha se han considerado dos aproximaciones principales: “cohetes reutilizables” y “fly-back booster” por un lado, y “aviones espaciales” por el otro; cada uno con sus ventajas y desventajas. En relación a los aviones espaciales también se han propuesto diferentes estrategias para la fase de retorno, considerando vuelos propulsados y no propulsados. En este último caso la misión de retorno se separa en al menos tres fases principales: re-entrada (hipersónica), manejo de energía en el área terminal, y aproximación final y aterrizaje. En este trabajo se presenta una estrategia de guiado y control para ejecutar las fases de aproximación final y aterrizaje de forma autónoma para un planeador espacial. En primer término se presenta información de contexto y consideraciones de diseño, y luego se desarrolla la síntesis de los reguladores para las diferentes funciones de control. Finalmente se valida el desarrollo con una simulación de alta fidelidad, considerando el escenario nominal y dos condiciones no nominales: exceso de energía en el punto inicial y ensayo de caía.

Since the success of the Falcon project of Space X, and Orion of Blue Origin, reusable space launch systems are getting a strong attention due to their commercial advantage over traditional expendable launch systems. The idea is not new, and two main approaches has been considered so far: “reusable rockets” and “fly-back booster” from one side, and “space planes” on the other; each with its own advantages and disadvantages. Also different strategies were proposed for the return phase, considering powered and unpowered flight. In the last case the return mission can be separated in at least four phases: re-entry (hypersonic), Terminal Area Energy Management (TAEM), and final approach and touch down. In this paper, a guidance and control strategy is presented to execute the final approach and landing phases autonomously for a space plane. In the first place, context information and design considerations are presented, and then the synthesis of the regulators for the different control functions is developed. Finally, the development is validated with a high fidelity simulation, considering the nominal scenario and two non-nominal conditions: excess of energy at the initial point and drop test.