This thesis discusses a procedure for landing the reusable first stage of a launch vehicle considering the flight safety of the launch operation. The procedure is composed of three steps - the first step is the preflight computing and the second/third steps are conducted on-board during flight.
The first step is the preflight (off-line) optimization of the ascent trajectory of the launch vehicle with instantaneous impact point (IIP) constraint. An analytic expression for the IIP of a vehicle is used to describe the constraint of the optimization explicitly. Various types of range safety requirements can be handled by using a quadratic formula involving the IIP parameters introduced in this thesis.
The second step is the midcourse guidance of the separated first stage to change its impact point. Before the midcourse guidance, the IIP of the separated stage is located at the safety area as specified in the first step. If the status of the separated stage is normal and it is concluded that safe landing of the first stage is highly probable, a short-duration back-boosting operation changes its IIP near the landing site. Two different - an optimization based and the IIP derivative based - implementations of the midcourse guidance are introduced.
The last step is the terminal precision guidance for the soft landing of the first stage. The problem is formulated as the zero-effort-miss/zero-effort-velocity (ZEM/ZEV) guidance, which can be derived from an optimal control problem whose objective function is the integral of the control energy.
A case study for landing the first stage of a launch vehicle is presented. The Korea Space Launch Vehicle II (KSLV-II), with modification in the structural mass ratio of its first stage, is used for the case study. The case study results demonstrates that the three-step procedure introduced in the thesis can be effectively applied for the reuse purpose landing of the first stage.
본 논문에서는 재사용 가능 발사체 1단의 비행 안전을 고려한 궤적 최적화 및 착륙 절차를 다루었다. 설계 절차는 비행 전에 수행되는 첫 번째 단계와 비행 중 탑재 컴퓨터에 의해 온보드(on-board)에서 이루어지는 두 번째/세 번째 단계로 총 3단계로 구성되어 있다.
첫 번째 단계인 사전 (off-line) 궤적 설계는 궤도투입을 위한 상승궤적 최적화 시 발사체의 비행 안전 요소 중 하나인 순간낙하점 (IIP) 제한조건을 고려한다. 해석적인 순간낙하점 계산 수식은 비행 제한 영역 구속조건을 궤적 최적화 과정에 외연적으로 고려할 수 있도록 한다. 다양한 형태의 비행금지 구역이 논문에서 제시되는 IIP 파라미터를 포함하는 2차식 (quadratic form)으로 표현될 수 있다.
두 번째 단계는 중기유도 (midcourse guidnace)로써 상단과 분리된 재사용 단의 낙하점을 착륙장 근처로 옮기는 과정이다. 중기유도를 수행하기 전에 재사용 단의 IIP는 첫 번째 단계에서 상승궤적 최적화시 설계한 안전영역에 위치해 있다. 분리된 재사용 단이 정상 비행 상태라면, 안전하게 착륙할 가능성이 크기 때문에 짧은 시간 동안의 역방향 추진을 통해 IIP 위치를 안전영역에서 착륙장 근처로 옮긴다. 최적화 또는 IIP Derivative를 사용하는 두 가지 중기유도 방법을 제시한다.
마지막 단계는 재사용 단의 정밀 연착륙을 위한 종말유도 과정이다. 최소 제어에너지 적분치를 목적함수로 하는 최적제어 문제로부터 유도되는 zero-effort-miss/zero-effort-velocity (ZEM/ZEV) 법칙으로 종말유도를 수행한다.
제안한 절차의 타당성을 보이기 위한 재사용 단의 착륙 케이스 스터디를 수행하였다. 한국항공우주연구원이 개발 중인 한국형 발사체 (KSLV-II)의 사양 (구조비)을 변경시켜 제안한 절차에 따른 1단 착륙을 수행한 결과 본 학위논문에서 소개된 3단계 절차가 재사용 발사체의 분리단 착륙에 효과적으로 활용될 수 있음이 확인되었다.
