Suborbital Spaceplane Ascent Trajectory Optimization Using Simulated Annealing Technique

Thumbnail Image

Files

master_Nyman_Leo_2017.pdf (7.56 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2017-05-08

Department

Major/Subject

Avaruustekniikka

Mcode

ELEC3039

Degree programme

NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)

Language

en

Pages

79

Series

Abstract

Suborbital spaceflight refers to a flight, which climbs above the Karman line, but does not reach orbital velocity. The vehicle descents back to the dense parts of the atmosphere, before completing a full orbit. It is possible, that such flights will become more common in future, since market research has revealed demand for such a service. Increasing number of flights will result in increased demand for trajectory optimization and flight planning software solutions. In this thesis, we will first have a look at the history of suborbital flight. Methods for simulation and modeling of such flights are then introduced. Next, we derive the cost function, which can be used to calculate a cost for a trajectory. This is done with multiobjective optimization, which allows one to set different weight factors to prioritize fuel or flight time savings. The experimental part will first cover building of the simulation and modeling setup used in this thesis. Then, an algorithm based on simulated annealing technique is integrated into the setup. We test the operation of the algorithm using two test setups. The first test is designed to prioritize fuel savings. The second test aims to maximize the sum of kinetic and potential energies, at the end of an ascent trajectory. Based on the results, we conclude that simulated annealing is able to optimize a given trajectory, while taking into account the weighting factors for multiobjective optimization.

Aliorbitaalinen avaruuslento tarkoittaa lentoa, jolla noustaan Karmanin rajan yläpuolelle, mutta nopeus ei saavuta orbitaalista ratanopeutta. Alus laskeutuu takaisin ilmakehän tiheisiin osiin, ennen kokonaista ratakierrosta. On mahdollista, että tällaisten lentojen määrä tulee kasvamaan tulevaisuudessa, koska markkinatutkimukset osoittavat niille löytyvän kysyntää. Lentojen yleistyessä myös tarve lentoradan optimoinnille ja lennonsuunnitteluohjelmistoille kasvaa. Tässä työssä luodaan ensin katsaus aliorbitaalisten lentojen historiaan, jonka jälkeen tarkastellaan kyseisten lentojen simulointiin ja mallinnukseen käytettäviä menetelmiä. Tämän jälkeen kuvataan kustannusfunktio, jolla mielivaltaiselle nousuvaiheen lentoradalle voidaan laskea kustannus monitavoiteoptimointia varten. Painotuskertoimien avulla optimoinnissa tullaan painottamaan erilaisia asioita, esimerkiksi polttoaineen tai lentoajan minimointia. Kokeellisessa osassa kuvataan ensin tässä työssä käytetyn simulaation ja mallinnuksen rakentaminen. Siihen yhdistetään optimointia varten simuloidun jäähdytyksen algoritmi. Algoritmin toimintaa testataan kahdella koejärjestelyllä, joista ensimmäinen painottaa polttoaineen säästämistä ja toinen aluksen kineettisen ja potentiaalienergian summan maksimointia nousuvaiheen lopussa. Tuloksista havaitaan, että simuloitu jäähdytys kykenee optimoimaan lentorataa annetun painotuksen mukaisesti.

Description

Supervisor

Praks, Jaan

Thesis advisor

Rasila, Antti

Keywords

avaruuslento, aliorbitaalinen, lentoradan optimointi, simuloitu jäähdytys

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705114621

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC