In this dissertation, a thrust management algorithm that integrates combustion chamber pressure control and thrust distribution is proposed for a Variable Thrust Solid Propulsion System (VTSPS) with multiple nozzles. A Divert and Attitude Control System (DACS) installed with pintle thrusters that can continuously and linearly change the thrust by varying the nozzle throat area with pintle actuators, which is a kind of VTSPS, is considered in this dissertation. The multiple pintle thrusters sharing the combustion chamber has to control the combustion chamber pressure and simultaneously produce the thrust required by the vehicle. A nonlinear combustion chamber pressure controller with application of nonlinear disturbance observers is proposed in order to consider the chamber pressure dynamics, actuator, nozzle geometry, model uncertainty, and disturbances. Also, a thrust distribution algorithm that can efficiently allocate thrust commands to each thruster based on the pressure control is proposed. Finally, a numerical simulation is conducted to verify the performance of the proposed thrust management algorithm. The proposed chamber pressure controller can reduce the fluctuation of chamber pressure due to nonlinearities, uncertainties and disturbances of the system and can minimize the structure mass of VTSPS related with chamber pressure. Furthermore, the proposed thrust distribution algorithm can minimize the consumed power of the actuation system for pintle thrusters and can reduce the mass of the actuation system.
본 학위 논문에서는 다중 노즐 가변 추력 고체 추진 시스템의 연소실 압력 제어 및 추력 분배가 결합된 효율적인 추력 관리 기법이 제안되었다. 가변 추력 고체 추진 시스템은 노즐 목 면적을 핀틀 구동기로 조절하여 추력을 연속적이고 선형적으로 변화시킬 수 있는 시스템으로 본 논문에서는 다수의 가변 노즐 추력기가 장착된 고고도 비행체용 위치 자세 제어 시스템이 고려되었다. 위치 자세 제어 시스템의 가변 노즐 추력기들은 고체 추진 시스템 연소실 압력을 제어해야 하며 동시에 비행체가 요구하는 위치 및 자세 제어 추력을 발생시켜야 한다. 비선형 시변 특성을 갖는 연소실 압력 동역학, 구동기 및 노즐 목 면적의 비선형성, 모델의 불확실성, 외란 등에 대하여 강인한 연소실 압력 제어를 위해 비선형 외란 관측기가 적용된 비선형 연소실 압력 제어기를 제안하였고, 압력 제어를 기반으로 위치 및 자세 제어 추력 명령을 각 추력기에 효율적으로 할당할 수 있는 추력 분배 기법을 제시하였다. 최종적으로 시뮬레이션을 통해 제안된 추력 관리 기법의 성능을 검증하였다. 제안된 연소실 압력 제어 기법은 시스템의 비선형성, 불확실성, 외란 등에 의한 압력 섭동의 크기를 줄여 연소실 압력과 관련된 구조체의 무게를 줄일 수 있으며, 제안된 추력 분배 기법은 가변 노즐 추력기용 구동장치의 동력원 소모량을 줄여 구동장치의 무게를 최소화할 수 있다.
