A separação de estágios está entre os eventos mais críticos nas missões de foguetes, pois podem ocorrer graves problemas na sua execução. O objetivo deste trabalho é a análise dos esforços envolvidos e do movimento dos corpos durante a separação, incluindo comparações entre os possíveis métodos de execução. Isso foi realizado, primeiramente, através de pesquisa bibliográfica e organização das informações e, posteriormente, com modelamento matemático, previsões analiticas simplificadas, elaboração de um programa de computador para simulações mais realistas, execução das simulações, análise e síntese dos resultados em geral. Sugestões específicas para foguetes brasileiros são fornecidas, mas o procedimento da análise é geral e útil para outros veículos.

Este trabalho refere-se às considerações gerais sobre o cálculo numérico de trajetórias bidimensionais de um veículo lançador de satélites, multicorpo, em que quatro propulsores auxiliares (boosters), constituintes do primeiro estágio, são enfeixados em torno de um corpo central, o segundo estágio, cuja configuração é denominada "STRAP-ON". Os demais estágios, contituintes do corpo central, estão dispostos em tandem, como foguetes. São introduzidas transformações nas equações de movimento usuais a fim de possibilitar a inclusão de um tipo de perturbação caracterizada por desalinhamentos angulares e de assimetrias provenientes de imprecisões de fabricação e de montagens de conjuntos de cada corpo do primeiro estágio. Vantagens surgiram com essas transformações, pois permitem facilitar a maneira de se considerar o sistema de forças sobre cada propulsor bem como discutir problemas outros associados com a simulação de trajetórias com essa configuração. Foram considerados Terra plana e irrotacional, gravidade constante, e inclusão de termos devidos ao amortecimento do jato. O quatérnion foi utilizado para obtenção das coordenadas da atitude angular do veículo, com significante diminuição no tempo de computador. Um programa de computador foi escrito em FORTRAN, em que o sistema de equações diferenciais é integrado pelo método numérico devido a Runge-Kutta-Verner (RKV56) utilizado pela sub-rotina DVERK da IMSLib (International Mathematical and Statistical Library) e implementada no sistema Cyber 170/750 da Control Data Corporation. Resultados obtidos de simulações indicaram a significância da inclusão desses desalinhamentos e assimetrias no modelo do veículo na configuração "strap-on", particularmente para a determinação da capacidade do sistema de controle e para visar a um melhor desempenho do veículo quando for possível estimar a magnitude dessas anomalias.

Neste trabalho investiga-se a trajetória ascendente de veículos lançadores de satélites até uma órbita alvo pré-fixada. Esta trajetória consiste de fases tracionadas e balísticas. Os controles são determinados de maneira que a massa satelizável seja máxima. O modelo tridimensional inclui a rotação da atmosfera com a Terra, o arrasto do veículo, a limitação da sustentação e a variação da propulsão com a altitude. Este problema de otimização é formulado como um problema de valor de contorno em dois pontos (Two Point Boundary Value Problem - "TPBVP"), que surge da aplicação da teoria de controle ótimo. O problema foi resolvido pelo método indireto dos múltiplos tiros, utilizando-se o algoritmo numérico BNDSCO. Os resultados obtidos utilizando-se uma trajetória bidimensional foram comparados com dados obtidos na literatura através de métodos subótimos de busca direta. As massas satelizáveis alcançadas para várias altitudes foram sempre superiores às encontras na literaturta.

Os modelos convencionais da Mecânica do Vôo apresentam equações linearizadas, que são deduzidas utilizando entre outras hipóteses, a de desacoplamento dos movimentos longitudinais dos látero-direcionais. Esta hipótese porém não é aceitável quando se pretende a otimização dos controles, na presença de manobras onde existe tal acoplamento. É o caso por exemplo de ocorrência de assmetrias de inércia, ou de captura de trajetórias 3D com 6 graus de liberdade. Por outro lado se deseja levar em conta as derivadas das variáveis na função objetivo que determina os ganhos ótimos, isto é feito comumente aumentando a ordem do sistema, com a inclusão destas variáveis no vetor de estado. Este trabalho apresenta o desenvolvimento teórico que mantém as características de acoplamento e permite a obtenção de ganhos, com efeito das derivadas, sem o aumento do vetor de estado. Diversos exemplos ilustrativos com aviões existente são incluídos, demonstrando a importância e a aplicação do presente desenvolvimento.

Este trabalho utiliza a teoria Hoo de otimização para projetar um autopiloto robusto para um veículo lançador de satélites. No projeto considera-se a fase de vôo em baixa atmosfera, onde o veículo está sujeito às mais críticas variações paramétricas e perturbações do vôo. Este sistema, em particular, permite investigar as características de robustez do controlador Hoo a incertezas paramétricas na planta e a perturbações de diversos tipos. O projeto é realizado em três fases, aumentando-se progressivamente sua complexidade. Na primeira fase é considerado modelo rígido do foguete para um plano de manobra. Na segunda fase considera-se o modelo flexível para um plano de manobra. Na terceira fase o efetua-se o projeto definitivo, ou seja utiliza-se a estrutura multivariável do foguete, para manobras nos três eixos, incluindo os modos de flexão. Durante o projeto discute-se a seleção das funções para atingir os objetivos de projeto e o procedimento para se reescrever o sistema na forma geral. O desempenho do controlador Hoo é explicitado, comparando-o com um controlador PID. Investiga-se também a aplicação em tempo real, efetuando-se uma simulação híbrida com a versão discretizada do controlador Hoo contínuo. As características de robustez do controlador Hoo são da ilustradas consideramdo-se variações apreciáveis nos parâmetros da planta e inserindo-se perturbações realistas.

Propulsores paralelos (strap-on boosters) são geralmente utilizados com a finalidade de obter uma maior capacidade de satelização em veículos lançadores de satélites. Devido aos vínculos geométricos e estruturais, os boosters são geralmente posicionados, simetricamente ou não, em torno de um corpo central (estágio principal). Após seu fim de queima, estes boosters são simultaneamente separados. Para assegurar uma separação limpa, a realização de várias simulações é necessária a fim de estabelecer os parâmetros ótimos para o evento. Como resultado das simulações obtém-se a energia necessária do sistema de separação, bem como as perturbações induzidas pelo sistema durante a ocorrência do evento. Critérios e requisitos de separação foram estabelecidos a fim de assegurar a ocorrência de uma separação limpa e, por outro lado, limitar as perturbações resultantes no estágio principal. O presente trabalho contém a formulação e solução das equações do movimento (6 GDL) que descrevem a posição e a atitude dos corpos (boosters e corpo central) e seus movimentos relativos em função do tempo; análise do comportamento dinâmico do estágio principal considerando a ocorrência do evento sob a influência de perturbações.

Neste trabalho a atitude de um veículo axi-simétrico é simulada durante a sua reentrada na atmosfera. Utilizou-se o método de integração numérica Runge Kutta de 4 ordem para resolver as equações de movimento. Os resultados obtidos foram comparados com os dados provenientes do teste do módulo de reentrada FIRE 1, lançado em abril de 1964 no Cabo Kennedy, Flórida. São apresentados também as equações linearizadas para o movimento do veículo.

A fase do vôo do conjunto superior (último estágio + satélite) está entre as mais critícas nas missôes de veículos satelizadores, porque é estabilizada por rotação e compreende vários eventos, tais como: fim de basculamento; indução de rotação; separação de estágio ou baía de equipamentos; ignição do último estágio. Na efetivação destes eventos e no decorrer desta fase do vôo, diversas perturbações podem atuar sobre o conjunto superior e comprometer o objetivo da missão. Por isso, o objetivo deste trabalho é a obtenção de um modelo matemático para implementação em computador, para realizar um estudo paramétrico da dispersão da atitude no instante que antecede à separação do satálite, considerando todos os eventos e perturbações inerentes a esta fase de vôo. Os resultados obtidos com o programa de computador desenvolvido são comparados com resultados obtidos através de método analítico simplificado para validação.

Operações em aeronaves a baixas altitudes são freqüentemente afetadas por turbulências e rajadas fortes de ventos (especialmente as verticais), que produzem forças aerodinâmicas e momentos resultando em desconforto aos ocupantes da aeronave, bem como em acelerações adicionais e cargas estruturais extras para o avião. O objetivo deste trabalho é melhorar o conforto dos passageiros e tripulação atenuando os efeitos causados por esses distúrbios atmosféricos indesejáveis, atuando sobre o profundor localizado no estabilizador horizontal e sobre certas superfícies de controle longitudinal do avião (DLC - flaps: Direct Lift Control-flaps) localizados nas asas. Utilizando a tecnologia de Controle Ativo baseado na teoria de controle H-infinito foram projetados controladores para dois problemas: um, sem considerar a medida dos ventos e outro, considerando a medida dos ventos incluindo os ruídos destas medidas, a fim de atender o objetivo especificado. O trabalho apresenta uma breve descrição do modelo matemático adotado, da técnica de projeto do controlador e, alguns resultados de simulações para aeronave de pesquisas "ATTAS" (Advanced Technologies Testing Aircraft System) pertencentes ao "DLR" (German Aerospace Research Establishment)

This thesis proposes a Rotary-Wing Aeroservoelasticity approach to the modeling, analysis and control of the blade-sailing phenomenon in the helicopter-ship dynamic interface (DI), based on the identification, response evaluation and control of flow and ship motion induced loads, during the engagement/disengagement flight regimes, in order to establish some principles for the design and safe operation of shipboard rotorcraft systems. The nonlinear aeroelastic analysis revealed that the nonlinearity due to large flapping deflections and to the centrifugal forces is not relevant for normal operating conditions, whereas the nonlinear effects due to the flapping stops in articulated rotors influence significantly the blade-sailing vibrations. These nonlinear effects related to the stops can be tackled with approximate stiffness functions. The nonlinear analysis confirmed that hingeless rotor blade-sailing vibrations are lower than that of the articulated rotor, however, the differences are small for rotors with similar structural/geometric characteristics. The blade-sailing phenomenon in the DI and the flapping response during engagement/disengagement shipboard operations can be analyzed trough an oscillator system with nonlinear stiffness related to the droop and flap stops and time-varying coefficients related to the undisturbed flow velocity and to the parameters of the proposed active proportional-derivative individual blade control (PD-IBC). The aeroelastic analysis also showed that blade sailing is a cooperative phenomenon. Though the mean flow vertical velocity gradient across the rotor be the single most important factor, the combination of horizontal wind velocities, fluctuating flow vertical velocities, gravity and ship motion effects may give rise to excessive flapping vibrations. The proposed active proportional-derivative state feedback individual blade control (PD-IBC) can obtain blade-sailing flapping vibration reduction of 30% for shipboard articulated rotors at moderate wind-over-deck (WOD) conditions/advance ratios, without monitoring the DI environment, and a reduction greater than 40% if combined with shipboard rotor plant modifications, involving an increase of the blade flapwise stiffness and an aerodynamic design of the ship flight deck, considering the current blade pitch input limits of the actuators. Therefore, the implementation of active feedback aeroelastic control methods may be one of the most important measures for blade-sailing mitigation in the DI.