Výpočet a vizualizace přistávacího manévru pro orbitální nosnou raketu

Abstract

Táto práca sa zaoberá výpočtom a vizualizáciou pristávacieho manévru orbitálno-nosnej rakety s cieľom vytvoriť systém schopný autonómneho pristátia s využitím optimalizácie trajektórie. Riešený problém sa vyznačuje jeho nelinearitou a nekonvexnými obmedzeniami, ktoré sú typické pre dynamiku rakiet, ktoré majú obmedzené množstvo paliva a možnosti riadenia. Najskôr je čitateľ oboznámený s tým, ako funguje optimalizácia trajektórie, čo je teória optimálneho riadenia, a ako nám nekonvexnosti sťažujú efektívne riešenie problému. Dynamika rakety je neoddeliteľnou súčasťou definície problému a je v tejto práci vysvetlená spolu s definíciou matematicko-fyzikálneho modelu rakety. Následne sú preskúmané a porovnané algoritmy pre riešenie optimalizácie trajektórie a nájdené obmedzujúce podmienky, ktoré nám môžu brániť v úspešnom nájdení riešenia. Nakoniec je vytvorená 3D vizualizačná aplikácia v Unreal Engine 5 s jednoduchým rozhraním, kde si používateľ môže zvoliť trajektóriu a taktiež aj ovládať čas vizualizácie alebo pozíciu kamery.

This thesis deals with the calculation and visualization of the landing maneuver of an orbital launch vehicle with the aim of creating a system capable of autonomous landing using trajectory optimization. The problem being solved is characterized by its nonlinearity and non-convex constraints, which are typical for rocket dynamics, i.e. limited fuel, and control capabilities. First, a reader will get acquainted with the trajectory optimization, how it is done, what the optimal control is, and how the nonconvexivities make the problem difficult to solve efficiently. Rocket dynamics is an integral part of the problem definition and is explained in this thesis together with the definition of the mathematical-physical model of a rocket. Subsequently, trajectory optimization solvers are examined and compared, and limiting conditions are found that may prevent us from successfully finding a solution. Finally, a 3D visualization application is created in Unreal Engine 5 with a simple interface, where the user can choose a trajectory and also control the visualization time and camera position.