Trinity: architettura e realizzazione di un razzo TVC a tre motori

Validating attitude control algorithms inevitably requires moving beyond simulation and building demonstrators that bring the algorithms into contact with physical reality, where phenomena previously approximated, underestimated, or entirely neglected can emerge. This project was undertaken to study the attitude control of a vehicle with multiple independent engines, and resulted in the design and construction of Trinity, a model rocket with three solid motors, each gimballed about two axes using servomotors integrated into four-bar linkage mechanisms. The thesis describes the design choices and the subsystems developed: the thrust vector control system, which employs six actuators to control the attitude of the vehicle and includes thrust feedback through pressure-sensitive resistors, enabling control even in the event of a solid motor failing to ignite, a scenario successfully handled during the test campaign; the avionics, based on an STM32F4 microcontroller with IMU, magnetometer, and barometer; the recovery system, with mechanical deployment of the parachute; and the ground segment, composed of the launch pad, the launch computer, and the command radio. The work also covers the inertial characterization of the vehicle through a bifilar pendulum, and the test campaign, structured as a static test fire to validate the TVC mechanisms and the thrust feedback, a dynamic test fire to validate the attitude control, and a launch with recovery, during which a programmed roll maneuver was performed. The flight data and the successful completion of all phases of the launch mission confirm the validity of the proposed architecture, while also highlighting possible areas for improvement.

Per validare algoritmi di controllo d’assetto è inevitabile uscire dalle simulazioni e costruire dimostratori che mettano in relazione gli algoritmi con la realtà fisica, dove possono presentarsi fenomeni in precedenza approssimati, sottostimati o del tutto trascurati. Questo progetto nasce con l’obiettivo di studiare il controllo d’assetto di un veicolo a più motori indipendenti, e si concretizza nella progettazione e realizzazione di Trinity, un razzo modello con tre motori solidi, ciascuno inclinabile attorno a due assi tramite servomotori integrati in meccanismi a quadrilatero articolato. Nella tesi vengono descritte le scelte progettuali e i sottosistemi sviluppati: il sistema di vettorizzazione della spinta, che impiega sei attuatori per controllare l'attitudine del veicolo e include un feedback di spinta tramite resistori sensibili alla pressione, permettendo il controllo anche in caso di mancata accensione di un motore solido, scenario verificato con successo durante la campagna di test; l’avionica, basata su microcontrollore STM32F4 con IMU, magnetometro e barometro; il sistema di recupero a dispiegamento meccanico del paracadute; il segmento di terra, comprensivo di pad di lancio, computer di lancio e radio di comando. Vengono inoltre trattate la caratterizzazione inerziale del veicolo tramite pendolo bifilare e la campagna di test, articolata in test fire statico per validare i meccanismi TVC e il feedback di spinta, test fire dinamico per validare il controllo d’assetto, e lancio con recupero, dove è stata eseguita una manovra programmata di rollio. I dati di volo e il successo della missione di lancio nelle sue fasi confermano il funzionamento dell’architettura proposta, mostrando anche punti di possibile miglioramento.