Spacecraft Re-Entry Control Using Cross and Radial Moving-Mass Actuators

Karim Abadeh, Moslem; Tayefi, Morteza

doi:10.22034/jsst.2024.1473

Spacecraft Re-Entry Control Using Cross and Radial Moving-Mass Actuators

Document Type : Original Research Paper

Authors

Moslem Karim Abadeh ¹

Morteza Tayefi ²

¹ M. Sc. Department of Flight Dynmaics and Control, Faculty of Aerospace Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

² Assistant Professor, Faculty of Aerospace Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

10.22034/jsst.2024.1473

Abstract

This study explores the control of a space capsule during the re-entry phase. Spacecraft re-entry is a critical phase of a mission because, as the spacecraft enters Earth's atmosphere, aerodynamic forces and moments can disturb the angles of attack and sideslip, potentially leading to instability. If left uncontrolled, these disturbances can cause significant damage to the spacecraft and jeopardize the safety of its passengers.To mitigate these disturbances, moving mass controllers (MMC) are employed as efficient actuators. MMCs control the spacecraft by altering its center of mass and generating internal forces. The primary advantage of MMCs over other control methods, such as aerodynamic surfaces and thrust jets, is that they do not produce turbulent aerodynamic forces, which can impair the controller's performance.A vital aspect of this research is the design and analysis of the moving mass controller mechanisms. In addition to examining the more standard cross mechanism, this study also investigates the radial mechanism. The radial mechanism offers advantages over the cross mechanism, such as increased load-carrying capacity. Under the same conditions, the radial mechanism can reduce the mass of the actuators by half. Due to the nonlinear relationships governing the radial mechanism, a nonlinear controller is necessary. This study employs a nonlinear proportional-integral-derivative (PID) controller, demonstrating high efficiency.

Keywords

Space Capsule: Re

Entry: Suborbital: Moving Mass: Stability: Control

Subjects

Space subsystems design: (navigation, control, structure and…)

Article Title Persian

کنترل فضاپیمای بازگشت به جو با مکانیزم جرم های انتقالی صلیبی و شعاعی

Authors Persian

مسلم کریم آباده ¹

مرتضی طایفی ²

¹ کارشناسی ارشد، گروه دینامیک و کنترل پرواز، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصرالدین طوسی، تهران، ایران

² استادیار، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصرالدین طوسی، تهران، ایران

Abstract Persian

در این پژوهش به طراحی کنترل برای یک فضاپیمای بازگشتی یا کپسول فضایی در فاز بازگشت به جو از یک پرواز زیرمداری بر مبنای مکانیزم جرم‌های انتقالی داخلی پرداخته می‌شود. فاز بازگشت به جو فضاپیما یکی از مهم‌ترین مراحل انجام ماموریت یک فضاپیما است، زیرا با ورود فضاپیما به جو زمین نیروها و ممان‌های آیرودینامیکی باعث اغتشاش زوایای حمله و سرش‌جانبی خواهند‌ شد. این زوایای اغتشاشی در صورتی‌که کنترل نشود ممکن است باعث صدمات جدی به فضاپیما و سرنشین‌های آن ‌شود. علاوه بر این، مسیر پروازی فضاپیما و محل فرود نیز متاثر از این اغتشاشات خواهد بود. برای دفع این اغتشاش‌ها از جرم‌های انتقالی ‌به‌عنوان عملگر استفاده شده ‌است. جرم‌های انتقالی با ایجاد تغییرات جزئی در مرکز جرم وسیله پرنده این امکان را فرآهم می‌کند تا نیروهای آیرودینامیکی مزاحم را به نیروهای کنترلی موثر تبدیل کرد. مزیت اصلی جرم‌های انتقالی نسبت به عملگرهای دیگر نظیر سطوح آیرودینامیکی و تراست جت‌ها، عدم تولید نیروی آیرودینامیکی و پیشرانشی اضافی و محافظت از عملگرها در برابر گرمایش آیرودینامیکی ورود به جو می باشد. نوع چیدمان جرم‌های انتقالی نیز یک فاکتور مهم محسوب می‌شود که باید مورد تحلیل و بررسی قرار گیرد. در این پژوهش علاوه بر مکانیزم صلیبی که مکانیزم مرسوم‌تری است، مکانیزم شعاعی نیز بررسی و تحلیل شده ‌است. مکانیزم شعاعی مزیت‌های بیشتری نسبت به مکانیزم صلیبی داشته و توانایی حمل بار را افزایش می‌دهد. در شرایط یکسان می‌توانیم جرم عملگرها را در مکانیزم شعاعی به نصف برسانیم. برای استفاده از مکانیزم شعاعی به‌دلیل روابط غیرخطی حاکم بر آن ناگزیر به استفاده از یک کنترل‌کننده غیرخطی هستیم. در این مقاله کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی غیرخطی ‌به‌عنوان یک کنترل‌کننده جدید استفاده‌ شده و کارایی بالایی را از خود نشان داده ‌است.

Keywords Persian

کپسول فضایی

بازگشت به جو

زیرمداری

جرم‌های انتقالی

پایداری

کنترل

[1] A. Fedele, S. Carannante, M. Grassi, and R. Savino, "Aerodynamic control system for a deployable re-entry capsule," Acta Astronautica, vol. 181, pp. 707-716, 2021, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.05.049.

[2] A. Mohammadi and M. Tayefi, "Moving mass control system in conjunction with brain emotional learning-based intelligent control for rate regulation of suborbital reentry payloads," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, vol. 226, no. 9, pp. 1183-1192, 2012, https://doi.org/10.1177/0959651812453391.

[3] J. Li, C. Gao, C. Li, and W. Jing, "A survey on moving mass control technology," Aerospace Science and Technology, vol. 82, pp. 594-606, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.09.033.

[4] S. A. Erturk and A. Dogan, "Trim analysis of a moving-mass actuated airplane in steady turn," in 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2013, Art. no. 0622, https://doi.org/10.2514/6.2013-622.

[5] S. Darvishpoor, J. Roshanian, and M. Tayefi, "A novel concept of vtol bi-rotor uav based on moving mass control," Aerospace Science and Technology, vol. 107, 2020, Art. no. 106238, https://doi.org/10.1016/j.ast.2020.106238.

[6] R. D. Robinett III, B. R. Sturgis, and S. A. Kerr, "Moving mass trim control for aerospace vehicles," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 19, no. 5, pp. 1064-1070, 1996, https://doi.org/10.2514/3.21746.

[7] T. Petsopoulos, F. J. Regan, and J. Barlow, "Moving-mass roll control system for fixed-trim re-entry vehicle," Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 33, no. 1, pp. 54-60, 1996, https://doi.org/10.2514/3.55707.

[8] T. Haus, M. Orsag, and S. Bogdan, "design considerations for a large quadrotor with moving mass control," in 2016 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Arlington, VA, USA, 2016, pp. 1327-1334, https;//doi.org/10.1109/ICUAS.2016.7502680.

[9] J. Wang, L. Liu, P. Wang, and G. Tang, "Guidance and control system design for hypersonic vehicles in dive phase," Aerospace Science and Technology, vol. 53, pp. 47-60, 2016, https://doi.org/10.1016/j.ast.2016.03.010.

[10] M. Ghanifar, M. Kamzan, and M. Tayefi, "Adjust PID controller parameters with adaptive and non-adaptive intelligent algorithms; simulation and comparison in quadrotor," Journal of Technology in Aerospace Engineering, vol. 7, no. 4, pp. 23-33, 2024, https://doi.org/10.30699/jtae.2023.7.4.3.

[11] A. A. Najm and I. K. Ibraheem, "Nonlinear PID controller design for a 6-DOF UAV quadrotor system," Engineering Science and Technology, an International Journal, vol. 22, no. 4, pp. 1087-1097, 2019, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.02.005.