Stochastischer Sechs-Grad-freiheit Flugsimulator für passiv gesteuerte Hochleistungsraketen

Dieses Papier beschreibt ein Verfahren zur Simulation des Flugs einer passiv gesteuerten Rakete in sechs Freiheitsgraden und des Abstiegs unter Fallschirm in drei Freiheitsgraden. Außerdem wird ein Verfahren zur Modellierung der Unsicherheit sowohl in der Raketendynamik als auch in den atmosphärischen Bedingungen unter Verwendung stochastischer Parameter und der Monte-Carlo-Methode vorgestellt. Im Rahmen dessen präsentieren wir eine Methode zur Quantifizierung der Unsicherheit in den atmosphärischen Bedingungen unter Verwendung historischer atmosphärischer Daten. Der primäre Simulationsalgorithmus ist eine numerische Integration der Bewegungsgleichungen der Rakete unter Verwendung der Runge-Kutta-Fehlberg-Methode. Die Position des Schwerpunkts der Rakete wird mittels dreidimensionaler kartesischer Koordinaten beschrieben, und die Orientierung der Rakete wird unter Verwendung von Quaternionen beschrieben. Eingabeparameter für den Simulator werden stochastisch gemacht, indem Gausschen Rauschen hinzugefügt wird. Im Fall von atmosphärischen Parametern ist die Varianz des Rauschens eine Funktion der Höhe, und das Rauschen in benachbarten Höhen ist korreliert. Der primäre Simulationsalgorithmus mit stochastischen Parametern wird in einen Monte-Carlo-Wrapper eingebunden, um die gesamte Unsicherheit in der Flugbahn der Rakete zu bewerten. Die Ergebnisse einer Demonstration des Simulators, bei der er verwendet wurde, um den Flug einer echten Rakete vorherzusagen, zeigen, dass die Rakete innerhalb des durch die Simulation vorhergesagten 1σ-Bereichs landet. Auch die seitliche Beschleunigung während des Wetterschopenhahnens, die im Test gemessen wurde, zeigt eine starke Korrelation mit den simulierten Werten.