This thesis works on the optimal landing guidance for Reusable Launch Vehicles(RLVs) that utilize retro-propulsion for the landing. Recently developed RLVs proved the cost-effectiveness and even the improved flexibility in the operation by reusing the 1st stage booster. However, the guidance and control algorithms required for the reusable launch vehicle not only have to pursue the minimization of fuel usage but also satisfy the various path constraints of the launch vehicle while guaranteeing a precise and soft landing. To mitigate this difficulty, this study proposes optimal trajectory tracking guidance by model predictive control(MPC) framework to accomplish soft landing while satisfying the various constraints. The proposed algorithms comprise two phases: Attaining the fuel-optimal landing trajectory and tracking the optimal trajectory via MPC. In formulating the optimization problem for the MPC, the attitude control and throttling characteristics of the launch vehicle are augmented while retaining the required computational load. Then, sequential convex programming(SCP) is employed to solve the formulated non-convex optimization problem efficiently. Lastly, the proposed algorithm is verified by numerical simulation with a 6DOF model and control algorithm designed for the assumed launch vehicle and its landing scenario.
본 연구에서는 로켓 엔진 역추진을 통한 착륙 단계를 동반하는 재사용 발사체를 위한 최적 착륙 유도 및 제어 기법을 다룬다. 최근 해외 민간기업을 필두로 개발되어 활발히 사용되는 재사용 발사체는 1단 부스터의 재착륙 및 재사용하는 것이 발사체 운용 비용의 절감에 큰 효과가 있을 뿐만 아니라, 발사체의 운용 유연성 측면에도 유리함을 입증하였다. 재사용 기술을 실현시키기 위해 요구되는 1단 부스터의 착륙 단계를 위한 유도 및 제어 알고리즘은 착륙 과정에서 소모되는 추진제의 최소화뿐만 아니라 발사체 특성상 다양한 제약 조건을 만족하면서 정확한 위치에 연착륙을 달성하여야 한다. 본 논문에서는 재사용 발사체의 착륙 유도를 실현하기 위하여 실시간 최적화 기반의 모델 예측 제어를 활용한 착륙 유도 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 최적 연료 소모의 착륙 궤적을 계획하는 단계와 모델 예측 제어를 통해 도출된 최적 궤적을 추종하는 단계로 구성되었다. 궤적 추종 단계에서는 발사체의 자세 제어 및 추력 조절 특성이 고려되면서 계산량을 줄일 수 있는 최적화 문제를 정식화하였고, 궤적 계획 및 추종 문제는 선형화 기법을 통하여 컨벡스 문제로 변형하였다. 마지막으로 제안된 기법을 기반으로 현실적인 재사용 발사체 및 착륙 조건을 상정하여 성능을 체계적으로 검증하기 위해 재사용 발사체의 6자유도 모델과 제어 알고리즘을 설계하였으며, 이를 통한 6자유도 시뮬레이션을 통해 제안된 유도 기법의 성능 및 효용성을 검증한다.
