Desenvolvimento de uma ferramenta computacional para simulação de voo de veículos lançadores

• Main Author: Guilherme da Silveira
• Other Authors: Valdemir Carrara
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2014
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2014/07.02.21.27

A crescente capacidade computacional dos atuais computadores tem permitido cada vez mais a utilização da técnica de simulação digital nos processos de desenvolvimento de produtos de engenharia. A simulação computacional de sistemas complexos como aviões, foguetes ou satélites possibilita a redução de riscos e de custos associados a esses projetos. Além disso, muitas vezes a simulação é o único meio de investigar aspectos relacionados a esses sistemas que não podem ser reproduzidos em laboratório. Durante o desenvolvimento e a utilização de veículos lançadores, ou foguetes, uma importante área que deve ser investigada é a chamada dinâmica de voo do veículo, a qual analisa o movimento do veículo, sujeito a forças e momentos, no espaço tridimensional. A ferramenta de simulação que possibilita o estudo dos fenômenos associados com a dinâmica de voo de um foguete é o simulador de voo. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta computacional para simulação de voo de veículos lançadores. Tal ferramenta permite, por meio da determinação de diversos parâmetros de voo como a posição, a velocidade e a aceleração do veículo, a realização de análises relacionadas à dinâmica de voo do veículo. Levando-se em consideração requisitos de flexibilidade, a ferramenta foi desenvolvida de modo a permitir a simulação do movimento de diversos tipos de veículos lançadores, controlados ou não controlados, em seis graus de liberdade. Utilizando a técnica de programação modular, a flexibilidade foi garantida por meio de uma biblioteca de modelos dinâmicos, dos subsistemas do veículo e ambientais, cuja combinação pode dar origem a modelos de voo de diferentes veículos lançadores. Além da biblioteca, fazem parte ainda do simulador o módulo principal, cuja função é realizar a integração da trajetória de acordo com o modelo de voo do veículo, e uma interface gráfica, que facilita a criação do modelo de voo. Os resultados obtidos com o simulador desenvolvido nesse trabalho são verificados por meio de comparação com resultados de outras ferramentas de simulação. Foram realizados três estudos de caso, de forma que as diversas funcionalidades do simulador pudessem ser testadas. De maneira geral, os resultados obtidos são bastante semelhantes aos resultados das ferramentas utilizadas para comparação. Algumas diferenças observadas puderam ser explicadas em virtude dos diferentes modelos utilizados em cada ferramenta. === The growing of the eomputational power in modem eomputers allowed the ever inereasing use of the digital simulation teehniques in the development proeess of engineering produets. The simulation proeess of eomplex systems sueh as aireraft, roekets or satellites enables risk and eost reduetion assoeiated with these projeets. Furthermore, the simulation is often the only way of investigating some aspeets related to these systems that ean not be reprodueed in laborataries. During the development phase and operation of launeh vehicles, ar roekets, an important area that should be investigated is the vehide flight dynamics, which analyzcs thc vchiclc motion subject to forces and torques in a three-dimensional spaee. The simulation tool that enables the study of the phenomena associated with the flight dynamics of a rocket is thc flight simulator. This work presents the development of a computational tool to simulate a launch vehicle flight. This tool provides, through the determination of various flight parameters sueh as vehicle position, velocity and acceleration, methods and means to analyze the vehicle trajectory and the dynamics of flight. Considering requirements like flexibility, the tool was developed aiming to allow motion simulation of several types of launch vehicles, guided or unguided, in six degrees of freedom. Using the teehnique of modular programming, flexibility is ensured by a library of dynamie models, vehicle subsystems models and environment models that together produce different flight paths or launch vehicle configurations. Besides the library, the simulator has a main module, whose function is to integrate the trajectory aceording to the vehicle flight model, and a user graphical interface to create the fiight model easily, The results obtained with the developed sirnulator were compared with results eorning frorn other simulation tools. Three different flight seenarios were ernployed in order to test the simulator features. In overall, the results are quite similar to the ones resulting from the tools used for comparison. Some differences in the results were found, but they can be explained by the different mo dels used on each tool.