Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Simulating the Movement of the Space Capsule from the Moment of Separation Before the Landing Phase for Conceptual Design

Document Type : Original Research Paper

Authors
Faculty of New Technologies Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran. Iran
Abstract
Most modern reentry capsules usually have a conical structure with a spherical base, which is chosen due to its favorable aerodynamic properties and ability to withstand high thermal loads during the atmospheric entry phase. One of the key features of these capsules is the low lift-to-drag ratio, which is achieved by a small displacement of the center of mass from the capsule's axis of symmetry. This feature is determined at an angle of attack. In this study, with the aim of analyzing the dynamic behavior of reentry capsules in detail, different classes of reentry capsules are first introduced and then the critical atmosphere model is used to extract the values ​​of the atmospheric density at different altitudes. This information is used to calculate the aerodynamic forces acting on the capsule in the equations of motion. A comprehensive study of the reentry equations is carried out and, in particular, the two-dimensional plane equations of motion are analyzed. In this modeling, the flying body is modeled as a point mass with aerodynamic coefficients dependent on the angle of attack. Next, the effects of parameters such as entry path angle, dynamic pressure, and initial velocity on the dynamic stability of the trajectory in the uncontrolled mode are investigated. In the uncontrolled mode, the capsule has no active actuators for guidance, and only the inherent aerodynamic properties and mass distribution determine its stability and trajectory. This type of motion is especially important in simpler or lower-cost missions. The present study provides a clearer understanding of how small center-of-mass displacements affect the stability of the uncontrolled reentry of a space capsule. These studies can be used to better design future missions.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

شبیه سازی حرکت کپسول فضایی از لحظه جدایش تا قبل از فاز فرود برای طراحی مفهومی

Authors Persian

مریم علیزاده بخشایشی
محمد نوابی
کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
Abstract Persian

بیشتر کپسول‌های بازگشتی مدرن معمولاً دارای ساختاری مخروطی با قاعده کروی هستند که این طراحی به دلیل خواص آیرودینامیکی مطلوب و توانایی تحمل بارهای حرارتی بالا در فاز ورود به جو انتخاب می‌شود. یکی از ویژگی‌های کلیدی این کپسول‌ها نسبت برآ به پسا پایین است که با جابه‌جایی اندک مرکز جرم از محور تقارن کپسول حاصل می‌شود. این ویژگی در یک زاویه حمله مشخص می‌شود. در این پژوهش، با هدف تحلیل دقیق رفتار دینامیکی کپسول‌های بازگشتی، ابتدا کلاس‌های مختلف کپسول‌های ورود مجدد معرفی شده و سپس از مدل جوی بحرانی برای استخراج مقادیر چگالی جو در ارتفاع‌های مختلف استفاده شده است. این اطلاعات به‌منظور محاسبه نیروهای آیرودینامیکی وارد بر کپسول در معادلات حرکت مورد استفاده قرار گرفت. مطالعه‌ای جامع بر معادلات ورود مجدد صورت گرفته و به‌طور خاص، معادلات دوبعدی مسطح حرکت تجزیه ‌و تحلیل شده‌اند. در این مدل‌سازی،جسم پرنده به‌صورت جرم نقطه‌ای با ضرایب آیرودینامیکی وابسته به زاویه حمله مدل‌سازی شده است. در ادامه، تأثیر پارامترهایی همچون زاویه مسیر ورود، فشار دینامیکی، و سرعت اولیه بر پایداری دینامیکی مسیر حرکت در حالت کنترل‌نشده بررسی شده است. در حرکت کنترل ‌نشده، کپسول فاقد عملگرهای فعال برای هدایت است و تنها ویژگی‌های ذاتی آیرودینامیکی و توزیع جرم تعیین‌کننده پایداری و مسیر آن هستند. این نوع حرکت به‌ویژه در مأموریت‌های ساده‌تر یا کم‌هزینه اهمیت دارد. مطالعه حاضر درک واضح‌تری از اینکه چگونه جابه‌جایی‌های کوچک مرکز جرم بر ثبات ورود مجدد کنترل نشده یک کپسول فضایی تأثیر می‌گذارد، ارائه می‌دهد. این مطالعات می‌تواند در طراحی بهتر مأموریت‌های آینده مورد استفاده قرار گیرد.

Keywords Persian

حرکت کپسول فضایی
شبیه سازی ورود مجدد به جو
فاز فرود
شبیه سازی
طراحی مفهومی
[1] M. Tayefi, and R. Kamali Moghadam, "Design and dynamic analysis for vertical and horizontal cylindrical body in reentry flight," Journal of Space Science and Technology, vol. 15, no. 3, pp. 1-9, 2022, (in Persian), https://doi.org/10.30699/jsst.2022.1390.
[2] M. Karim Abadeh and M. Tayefi, "Spacecraft re-entry control using cross and radial moving-mass actuators," Journal of Space Science and Technology, vol. 17, no. 3, pp. 15-27, 2024, (in Persian), https://doi.org/10.22034/jsst.2024.1473.
[3] S. Abdollahi, "Experimental and numerical investigation of the aerodynamic characteristics of a cylindrical space capsule in axial supersonic and subsonic flows," Fluid Mechanics and Aerodynamics, vol. 3, no. 4, pp. 57-72, 2020, (in Persian).
[4] A. D. Hayes and R. J. Caverly, "atmospheric density-compensating model predictive control for targeted reentry of drag-modulated spacecraft," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 48, no. 11, pp. 2541-2556, 2025, https://doi.org/10.2514/1.G008665.
[5] 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.
[6] A. Fedele, S. Carannante, M. Grassi, and R. Savino, "Aerodynamic control system for a deployable re-entry capsule," Acta Astronautica, vol. 181, pp. 69–79, 2021, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.05.049
[7] Y. G. Sikharulidze, Aircraft Ballistics, Moscow: Nauka, 1982, pp. 244–249. (in Russian)
[8] V. A. Yaroshevskii, Motion of an Uncontrolled Body in the Atmosphere, Moscow: Mashinostroenie, 1978. (in Russian)
[9] D. K. Litton et al., "Inflatable re-entry vehicle experiment (IRVE)-4 overview," in 21st AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar, Dublin, Ireland, 2011, Paper AIAA 2011-2580, https://doi.org/10.2514/6.2011-2580.
[10] V. S. Aslanov, Spatial Motion of a Body at Descent in the Atmosphere, Moscow: Fizmatlit, 2004. (in Russian)
[11] O. M. Alifanov, V. I. Outchvatov, and K. M. Pichkhadze, "Thermal protection of re-entry vehicles with the usage of inflatable systems," Acta Astronautica, vol. 53, no. 4–10, pp. 541–546, 2003, https://doi.org/10.1016/S0094-5765(03)80015-2.
[12] V. S. Aslanov and A. S. Ledkov, "Chaotic motion of a reentry capsule during descent into the atmosphere," Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 39, no. 8, pp. 1834–1843, 2016, https://doi.org/10.2514/1.G000411.
[13] H. Jaslow, "Aerodynamic relationship inherent in Newtonian impact theory," AIAA Journal, vol. 6, no. 4, pp. 608–612, 1968, https://doi.org/10.2514/3.4552.
[14] F. J. Regan, Dynamics of Atmospheric Re-Entry, Washington, DC: AIAA, 1993.
[15] C. Weiland, Computational Space Flight Mechanics, Berlin: Springer, 2010, pp. 93–119. https://doi.org/10.1007/978-3-642-13583-5.
[16] A. Fedele, S. Omar, S. Cantoni, R. Savino, and R. Bevilacqua, "Precise re-entry and landing of propellantless spacecraft," Advances in Space Research, vol. 68, no. 11, pp. 4336-4358, 2021, https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.09.029.
[17] J. Rea, "Orion entry performance-based center-of-gravity box," in AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Toronto, Ontario, Canada, 2010, Paper AIAA 2010-8061, https://doi.org/10.2514/6.2010-8061.

Articles in Press, Corrected Proof
Available Online from 01 September 2025

  • Receive Date 21 June 2025
  • Revise Date 18 October 2025
  • Accept Date 20 October 2025
  • First Publish Date 20 October 2025