Otimização de manobras aero assistidas com auxílio de propulsão e controle nos ângulos aerodinâmicos

Resumo

As manobras assistidas por gravidade têm sido desenvolvidas para alterar a trajetória de uma espaçonave mediante a passagem próxima de um corpo massivo, por exemplo: um planeta. O campo gravitacional do planeta altera a energia da trajetória e, como resultados dessa interação são geradas mudanças na velocidade e direção do voo. Este tipo de manobras permite economizar combustível e reduzir os custos da missão, além de poder ser aplicadas para aumentar o decaimento de pequenos satélites e reduzir os detritos espaciais em orbitas baixas da Terra. Os maiores sucessos da aplicação da manobra assistida por gravidade, são as trajetórias das espaçonaves Voyagers. A existência de planetas com atmosferas permite, além de alterar a trajetória pela gravidade, o aproveitamento das forças aerodinâmicas como lift e drag para aumentar ou diminuir os efeitos gravitacionais, gerando uma manobra aero assistida por gravidade. Esta manobra requer uma geometria adequada da espaçonave para o voo hipersônico, e mediante o controle dos ângulos aerodinâmicos é possível procurar uma troca de energia ótima para satisfazer a missão. Outro método de controle da manobra é a aplicação de empuxo com o sistema de propulsão da espaçonave, e nesse caso a manobra passa a ser chamada de propulsada e aero assistida por gravidade. O objetivo do presente projeto é projetar um algoritmo para o controle ótimo de uma espaçonave tipo waverider que possa aumentar a energia da trajetória durante o voo em atmosferas planetárias, usando a manobra aero assistida por gravidade com propulsão. O algoritmo será implementado em simulações numéricas para determinar as trajetórias ótimas. Para modelar matematicamente a trajetória é necessário começar com a espaçonave num voo ao redor do sol e próximo do planeta alvo. O sistema é modelado pelo problema circular restrito dos três corpos com a adição das forças aerodinâmicas geradas pela interação da espaçonave com a atmosfera. Serão estudadas variações nos coeficientes balísticos, coeficientes de lift, magnitude do impulso, ângulo de aplicação do impulso, ângulo de aproximação, altitudes e controle dos ângulos de ataque e lateral para gerar as trajetórias com maiores variações na energia. As manobras ótimas permitem reduzir os tempos de voo aumentando a energia da passagem. (AU)