Guidance, Navigation and Control Technologies for Hypersonic Flight

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1 Guidance, Navigation and Control Technologies for Hypersonic Flight Federico Corraro, CIRA 30 Giugno 2014 Sono il responsabile del Dipartimento Information Technologies al CIRA che include la Guida, Navigazione e Controllo di veicoli aerospaziali, la Flight Mechanics e, in generale, la modellistica e simulazione di sistemi aerospaziali ed alcune altre branche di ricerca correlate allo sviluppo del software in ambito aerospazio. Le attività di ricerca e sviluppo tecnologico nei settori sopra citati che il CIRA ha portato avanti nel corso degli ultimi anni sono basate su un analisi di altissimo livello, che considera, come punto di partenza, il fatto che le tecnologie di guida, navigazione e controllo, attualmente, hanno una caratteristica di una flessibilità non eccessiva, quindi non riescono a gestire più di una singola tipologia di missione. I voli sono tipicamente ad alto rischio e sono necessari dei lunghi tempi di sviluppo per ogni nuova missione. Ciò premesso, che cosa quindi si prefigge il CIRA con le proprie attività di ricerca? Essendo un centro di ricerca applicata, il CIRA sviluppa tecnologie fino ad un TRL6 (Technology Readiness Level) con l obiettivo di superare i limiti attuali per gestire in maniera molto più flessibile il velivolo e diverse tipologie di missione, abbassare i rischi della missione e ridurre i tempi di sviluppo. Da questi needs che abbiamo selezionato nascono molte sfide. Il CIRA nello specifico si è focalizzato solo su un numero limitato di tecnologie, non potendo sviluppare attività di ricerca su tutte. Nello specifico, ci siamo focalizzati nel passato e siamo tutt ora attivi e in fase di sviluppo sulle seguenti: 1 guida, navigazione e controllo con capacità adattive in linea; Via Marcantonio Colonna, Roma Tel/fax

2 sviluppo di tools avanzati di modellistica e di analisi dei dati, soprattutto in relazione al trattamento delle incertezze di modello e di progetto; incremento della fault tolerance intrinseca dei sistemi di guida navigazione e controllo; riduzione dei tempi di sviluppo di un nuovo sistema di guida, navigazione e controllo, meglio se integrato con lo sviluppo di eventuali nuovi velivoli e quindi dell aerodinamica e aerostruttura. In relazione alla technology readiness level definito dalla Nasa, noi abbiamo in passato partecipato, ed anche correntemente, ad un certo numero di progetti a basso livello di readiness tecnologica nella slide sono elencati alcuni anche europei e in ambito militare duale. Ma soprattutto, le nostre esperienze più significative sono state realizzate tramite il finanziamento del PRORA (PROgramma nazionale di Ricerche Aerospaziali), gestito dal CIRA dove si è studiata una particolare fase del rientro in atmosfera, il Terminal Area Energy Management (TAEM), che è un po il ponte tra la fase ipersonica e quella di atterraggio. In questo ambito abbiamo realizzato due velivoli ed eseguito due missioni volative, entrambe di successo, per quanto riguarda la guida navigazione e controllo. Il sistema, infatti, si è comportato esattamente come da progetto in entrambe le missioni. Su tale programma, in realtà, il CIRA ha sviluppato tutte le parti di meccanica del volo, di realizzazione del sistema di guida, navigazione e controllo, del relativo software di bordo e di una buona parte dell avionica, in collaborazione, nello specifico per quest ultima, con le aziende nazionali del settore. Un altro progetto importante a cui abbiamo partecipato, insieme con il prime contractor ELV (European Launch Vehicle), è stato lo sviluppo del software di controllo relativo al sistema di Reaction Control System per il controllo d assetto del VEGA in tutte le fasi di volo fino all iniezione del payload nell orbita prevista. In questo progetto, nello specifico, è stato possibile trasferire su un prodotto industriale (il VEGA, appunto) alcune delle tecnologie sviluppate in passato, anche grazie all ottima sinergia che si è creata nel corso del progetto tra attività di ricerca di tipo applicato (operata dal CIRA) e quella industriale (operata da ELV). I progetti focalizzanti su cui noi siamo attualmente impegnati sono sostanzialmente due: 2 uno è finanziato in ambito europeo, HEXAFLY INT, ed è quello di un dimostratore per un volo suborbitale schedulato per il 2018; un piccolo velivolo, in cui noi facciamo di nuovo la meccanica del volo, la guida, navigazione e controllo, il software e l integrazione avionica; l altro progetto che attualmente è nella fase di fattibilità, che abbiamo chiamato USV3 (Unmanned Space Vehicle3), e che dovrebbe in prospettiva essere una missione di Via Marcantonio Colonna, Roma Tel/fax

3 3 dimostrazione di un sistema orbitante rientrante alato ad elevata efficienza aerodinamica, in grado di atterrare su piste convenzionali. Per supportare ed è questo l obiettivo principale di questa mia presentazione questi due programmi, il CIRA sta sviluppando un progetto di sviluppo tecnologico di nuove tecnologie che verranno se possibile e se il dimostratore e la missione lo consentono integrate all interno dei dimostratori stessi. Inoltre, data la fortissima dualità Space/Aeronautics e Manned/Unmanned, molte delle tecnologie sviluppate in altri settori vengono riversate, opportunamente riviste, in ambito spazio. D altro canto alcune tecnologie sviluppate in ambito spazio vengono riversate in applicazioni aeronautiche. E un doppio contenitore che una volta si svuota per andare verso lo spazio ed un altra volta, dallo spazio, riempie il contenitore aeronautico. Nella mia presentazione sono descritte, ad altissimo livello, alcune delle tecnologie che abbiamo sviluppato e stiamo sviluppando in ambito ipersonico con fondi nazionali. La prima parte riguarda la meccanica del volo ed i tools per lo sviluppo dei sistemi di guida, navigazione e controllo. In questo ambito abbiamo già sviluppato e continueremo a sostenere lo sviluppo di tools specifici per l analisi di sistemi incerti. L incertezza di progetto è, infatti, una delle certezze di un progetto nel senso che ogni missione o veicolo avrà comunque, alla fine e prima del volo, delle incertezze. Pertanto il progetto stesso ed i tools che si utilizzano, devono essere in grado di sostenere e di portare in conto adeguatamente queste incertezze. In questo ambito abbiamo sviluppato numerosi tools e prodotto anche parecchie pubblicazioni scientifiche. A tal proposito, in relazione soprattutto a come trattare in maniera efficiente le incertezze di progetto sia per il sistema di guida, navigazione e controllo ma anche per il progetto del velivolo in sé, qui vedete un esempio di un risultato di un tool specifico in cui una proprietà del velivolo, nello specifico la fattibilità di raggiungere una particolare condizione operativa di missione, viene riportata in termine di coefficienti aerodinamici del velivolo. Essi sono quindi dei tools che consentono a chi sviluppa, ad esempio, l aerodinamica del veicolo di conoscere qual è la zona (verde, nello specifico) buona per avere dei coefficienti aerodinamici del velivolo tali che questo sia in grado di eseguire con successo la missione. Oltre a questo, noi lavoriamo sulla parte di sviluppo dei tools di design vero e proprio, di algoritmi per la guida, navigazione e controllo e per ridurre una buona parte del tempo che viene utilizzato durante la fase di design relativa alla documentazione, alla esecuzione dei test e alla produzione del codice software. Su questo argomento stiamo portando in ambito spazio una serie Via Marcantonio Colonna, Roma Tel/fax

4 di esperienze di successo che abbiamo avuto nel settore aeronautico con la certificazione del SW secondo la DO178B. Si tratta, nello specifico, di configurare opportunamente tools offtheshelf per generare automaticamente la documentazione, i test e codice sorgente del SW, in modo da velocizzare le operazioni routinarie che gli enti di certificazione richiedono per le verifiche di qualità sul SW Safety Critical. Inoltre, per le missioni DTFT1 e DTFT2 operate dal CIRA, sono stati sviluppati molti tools proprietari per l analisi dei dati di volo. Questo è un elemento caratterizzante in ambito spazio dove è necessario riuscire a sfruttare al meglio possibile le poche occasioni di volo che si presentano per trarre tutte le possibili conoscenze da quei dati di volo sia in termini di incremento dell accuratezza di modellistica, sia in termini di comprensione delle effettive prestazioni del sistema di guida, navigazione e controllo. Si sottolinea, inoltre, come stiamo già realizzando strumenti di simulazione integrata dove è possibile operare virtualmente un volo suborbitale o spaziale inserito nel sistema di controllo del traffico aereo. Ciò viene realizzato attraverso dei sistemi che sono in grado di immergere il simulatore di dettaglio del velivolo spaziale nell ambito di un sistema di generazione del traffico in cui ci sono anche altri velivoli simulati ad un elevato livello di dettaglio e pilotati da altre persone. In ambito algoritmi di guida e navigazione il nostro focus, in questo momento, è quello di implementare strategie ad elevata adattività in grado quindi di garantire la necessaria flessibilità al veicolo senza necessità di analisi a terra. A tal fine, il sistema di guida genera in linea una traiettoria di missione su due diversi orizzonti temporali. Un orizzonte temporale a lungo termine, per il quale viene generata una traiettoria in grado di tenere in conto sia i cambiamenti durante il volo dell obiettivo di missione che dei vincoli di missione come, ad esempio, quelli provenienti dal sistema di air traffic control. Con un altro modulo, che è più adattivo e più vicino alle capcità di manovra della macchina, si gestisce invece una traiettoria di corto raggio che resta però nell intorno di quella a lungo raggio di cui sopra. Dunque tale tecnica consente di operare una generazione di traiettoria per tutta la missione ma poi localmente questa traiettoria viene aggiustata in funzione delle capacità effettive della macchina di seguirla. Gli algoritmi e la strategia di guida sopra menzionati sono stata già sperimentati nei voli del velivolo CIRA USV nelle missioni DTFT1 e DTFT2 e li stiamo riproponendo nell ambito della fase ipersonica. In relazione poi alla navigazione, un elemento fondamentale su cui stiamo lavorando è l ottenimento di dati di volo con associati la relativa accuratezza in modo affidabile. In generale, il dato relativo all accuratezza delle misure non è quasi mai completamente utilizzato. Viceversa, noi abbiamo sviluppato degli algoritmi in grado di fornire un accuratezza delle misure come 4 Via Marcantonio Colonna, Roma Tel/fax

5 informazione aggiuntiva che viene poi dopo sfruttata da altri algoritmi di guida e di controllo per riconfigurarsi in caso di malfunzionamenti dei sensori. Infine, in ambito dei sistemi di controllo del volo, stiamo lavorando su una serie di algoritmi per adattare in linea il controllore. Mi focalizzo, in questo momento, solo sulla parte di allocazione dinamica del controllo dei comandi. La fase ipersonica è caratterizzata da utilizzo possibilmente combinato di superfici aerodinamiche e di thruster. Tipicamente, l utilizzo di tali sistemi di attuazione è schedulato in funzione della pressione aerodinamica ed è fissato prima della missione. Il CIRA sta invece sviluppando algoritmi che dinamicamente ottimizzano l utilizzo di questi sistemi, anche in funzione della salute degli attuatori e della specifica fase di volo. Si sottolinea che una parte di queste tecnologie di allocazione dinamica sono state già portate a bordo del VEGA ed implementate nella versione corrente del SW di volo. A riprova di ciò, il VEGA ha attualmente un sistema di gestione dei razzetti che ha dimostrato di avere un consumo molto più basso del primo software che è stato utilizzato nel primo volo di qualifica. Giusto come conclusione di questo rapido excursus, il CIRA in questo momento ha un programma di sviluppo di nuove tecnologie finanziato in casa. Stiamo cercando finanziamenti per trasferire queste tecnologie su dimostratori di volo reali, come ad esempio il progetto USV3 che, però, deve essere completamente rifinanziato. Oltre ad alcune tecnologie innovative, il CIRA adotta un processo di sviluppo di SW di GNC che, già in passato e ancora correntemente, soprattutto in ambito aeronautico, è in grado di accoppiarsi bene con quelle che sono le standard practices industriali. Riteniamo pertanto di poterci integrare abbastanza bene nei prossimi programmi europei, se ci saranno, per proporre nostre nuove tecnologie che potranno rendere più competitiva l industria nazionale ed europea del settore. Grazie. 5 Via Marcantonio Colonna, Roma Tel/fax