Dissertation/ Thesis
End-to-end design and development of an autonomous flight safety system enabling reusable space missions in Europe
| Τίτλος: | End-to-end design and development of an autonomous flight safety system enabling reusable space missions in Europe |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Sabán Fosch, Alejandro |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Mecànica |
| Thesis Advisors: | Soria Guerrero, Manel, Diez Lledó, Eduard, Sureda Anfres, Miquel |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 236 p. |
| Θεματικοί όροι: | Autonomous Flight Safety System, Reusable Launch Vehicles, Model-Based Systems Engineering, Navigation Filters, Predictive Impact Assessment, Integrated Vehicle Health Management, RAMS Analysis, Technology Readiness Level, Sistema Autónomo de Seguridad en Vuelo, Vehículos Lanzadores Reutilizables, Ingeniería de Sistemas Basada en Modelos, Filtros de Navegación, Evaluación Predictiva de Impacto, Gestión Integrada del Estado del Vehículo, Análisis RAMS, Nivel de Madurez Tecnológica, Sistema Autònom de Seguretat en Vol, Vehicles Llançadors Reutilitzables, Enginyeria de Sistemes Basada en Models, Filtres de Navegació, Avaluació Predictiva d’Impacte, Gestió Integrada de l’Estat del Vehicle, Anàlisi RAMS, Nivell de Maduresa Tecnològica, Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai, 629 - Enginyeria dels vehicles de transport |
| Περιγραφή: | Tesi amb menció de Doctorat Industrial (Generalitat de Catalunya) |
| Description (Translated): | (English) This dissertation presents the design, development, and validation of an Autonomous Flight Safety System (AFSS) tailored to the operational and regulatory needs of reusable launch vehicles in Europe. Motivated by the shift from expendable rockets to reusable systems and the consequent need for autonomous range safety, the research situates itself at the intersection of technology, safety assurance, and certification. A requirement-driven approach, grounded in European and international regulations, ensured alignment with certification pathways. A review of current FSS and regulatory frameworks established the baseline from which requirements were derived. These were structured through a model-based systems engineering methodology, implemented in ARCADIA and SysML, guiding functional decomposition and definition of a three-layered architecture. The AFSS design comprises four application modules: navigation, flight dynamics assessment, decision-making, and Integrated Vehicle Health Management (IVHM). Each module was independently implemented and validated. The navigation subsystem met outage-handling requirements, reliably bridging data gaps. The flight dynamics assessment integrated 3D flight corridor checks, and impact prediction with aerodynamic effects and dispersion evaluation at low operational cost. For reusable launchers, the IVHM subsystem is essential, as safe operation requires monitoring systems for re-entry. This module classified anomalies accurately, highlighting the trade-off between expert-tuned and data-driven approaches due to sensitivity to membership function parametrisation. The decision-making logic consistently executed termination rules under nominal and degraded conditions, confirming robustness. A RAMS (Reliability, Availability, Maintainability, and Safety) analysis critically assessed maturity. Navigation and decision-making were identified as the most safety-critical functions, with redundancy mitigating risks but leaving common-mode vulnerabilities. Prototype hardware (HW) was selected according to Technology Readiness Level (TRL) criteria, suitable for ground validation at TRL 7 system level. This reflected a focus on validating software and architecture, while dedicated space-qualified HW -required for certification under harsher conditions such as radiation and vibration- lay beyond scope. Integration testing guaranteed the correctness of the AFSS prototype before the ground campaign at the Kiruna spaceport to achieve TRL 7, a milestone in European AFSS development. The prototype demonstrated coherent behaviour across processors, reliable synchronization between redundant chains, and real-time telemetry from the Real-time target machine. Although processing loads neared the limits of the selected low-end HW, it met its main objective: validating the complete AFSS software chain. Nonetheless, borderline safety decisions under certain conditions showed that resilience depends on algorithmic choices, parametrisation, and execution margins. The research shows AFSS architectures are technically feasible, regulation-aware, and progressing towards operational use, though challenges remain. Future work should address processor scalability with multi-core, space-qualified platforms; enhance navigation robustness against GNSS jamming and spoofing; extend IVHM towards prognostics; and evaluate navigation architectures (IMU-only versus integrated IMU/GNSS) once launcher avionics are defined. Equally critical is institutional progress: certifying AFSS will require new regulatory frameworks and joint experimental programmes aligning technical validation with policy evolution. By combining regulatory awareness, rigorous engineering, and validation to TRL 7, this dissertation contributes not only a prototype but also a roadmap. It demonstrates feasibility while clarifying remaining challenges, providing a foundation for the safe deployment of autonomous flight safety in Europe's reusable launchers. (Català) Aquesta tesi presenta el disseny, desenvolupament i validació d'un Sistema Autònom de Seguretat en Vol (Autonomous Flight Safety System, AFSS), concebut per a respondre a les necessitats operatives i reguladores de llançadors reutilitzables a Europa. Impulsada per la transició de coets d'un sol ús a sistemes reutilitzables i per la necessitat de solucions autònomes, la recerca s'ha situat en la intersecció entre tecnologia, seguretat i certificació. El treball ha seguit un enfocament basat en requisits, alineat amb normativa europea i internacional. La revisió de sistemes actuals i marcs reguladors va permetre derivar requisits estructurats mitjançant enginyeria de sistemes basada en models, implementada a ARCÀDIA i SysML. Es va definir una arquitectura en tres capes que va integrar quatre mòduls: navegació, avaluació de dinàmica de vol, presa de decisions i gestió integrada de l'estat del vehicle (IVHM). Cada mòdul va ser implementat i validat de manera independent. El subsistema de navegació va complir requisits de tolerància a pèrdues i va gestionar interrupcions de dades. La dinàmica de vol va integrar comprovacions 3D i prediccions d'impacte amb baix cost computacional. En llançadors reutilitzables, el IVHM va ser essencial: va classificar anomalies amb precisió, equilibrant enfocaments experts i basats en dades, sensibles a la parametrització. La lògica de decisió va executar regles de terminació en condicions nominals i degradades, confirmant robustesa. Una anàlisi RAMS (Reliability, Availability, Maintainability and Safety) va permetre avaluar la maduresa. La navegació i la presa de decisions van ser identificades com a funcions crítiques: la redundància va mitigar riscos, encara que van persistir vulnerabilitats de mode comú. El maquinari es va seleccionar segons criteris de Nivell de Maduresa Tecnològica (TRL), vàlid per a validació en terra en TRL 7, centrat en programari i arquitectura. El maquinari espacial qualificat va quedar fora de l'abast. Les proves d'integració van garantir el funcionament del prototip abans de la campanya en Kiruna per a aconseguir TRL 7, fita europea en AFSS. El prototip va mostrar coherència en processadors, sincronització eficaç entre cadenes redundants i telemetria en temps real. Encara que les càrregues van aconseguir els límits del maquinari, es va validar la cadena completa de programari. No obstant això, sota unes certes condicions la resiliència va dependre d'eleccions algorítmiques, parametrització i marges d'execució. La recerca va demostrar la viabilitat tècnica i reguladora del AFSS, encara que persisteixen reptes. Entre les línies futures destaquen: escalabilitat amb processadors multinucli i qualificats per a l'espai; reforçar navegació enfront d'interferències i suplantació GNSS; estendre el IVHM cap a funcions de pronòstic; i avaluar arquitectures de navegació (IMU sola enfront de IMU/GNSS integrades). Igualment crucial ha estat el progrés institucional: certificar un AFSS exigeix nous marcs reguladors i programes experimentals conjunts que alineïn validació tècnica i evolució normativa. En combinar consciència reguladora, enginyeria rigorosa i validació fins a TRL 7, aquesta tesi aporta un prototip i un full de ruta. Ha demostrat la viabilitat del AFSS i aclarit reptes pendents, oferint una base sòlida per al desplegament segur de la seguretat autònoma en vol en llançadors reutilitzables europeus. (Español) Esta tesis presenta el diseño, desarrollo y validación de un Sistema Autónomo de Seguridad en Vuelo (Autonomous Flight Safety System, AFSS), concebido para responder a las necesidades operativas y regulatorias de lanzadores reutilizables en Europa. Impulsada por la transición de cohetes desechables a sistemas reutilizables y por la necesidad de soluciones autónomas, la investigación se ha situado en la intersección entre tecnología, seguridad y certificación. El trabajo ha seguido un enfoque basado en requisitos, alineado con normativa europea e internacional. La revisión de sistemas actuales y marcos regulatorios permitió derivar requisitos estructurados mediante ingeniería de sistemas basada en modelos, implementada en ARCADIA y SysML. Se definió una arquitectura en tres capas que integró cuatro módulos: navegación, evaluación de dinámica de vuelo, toma de decisiones y gestión integrada del estado del vehículo (IVHM). Cada módulo fue implementado y validado de forma independiente. El subsistema de navegación cumplió requisitos de tolerancia a pérdidas y gestionó interrupciones de datos. La dinámica de vuelo integró comprobaciones 3D y predicciones de impacto con bajo coste computacional. En lanzadores reutilizables, el IVHM fue esencial: clasificó anomalías con precisión, equilibrando enfoques expertos y basados en datos, sensibles a la parametrización. La lógica de decisión ejecutó reglas de terminación en condiciones nominales y degradadas, confirmando robustez. Un análisis RAMS (Reliability, Availability, Maintainability and Safety) permitió evaluar la madurez. La navegación y la toma de decisiones fueron identificadas como funciones críticas: la redundancia mitigó riesgos, aunque persistieron vulnerabilidades de modo común. El hardware se seleccionó según criterios de Nivel de Madurez Tecnológica (TRL), válido para validación en tierra en TRL 7, centrado en software y arquitectura. El hardware espacial cualificado quedó fuera del alcance. Las pruebas de integración garantizaron el funcionamiento del prototipo antes de la campaña en Kiruna para alcanzar TRL 7, hito europeo en AFSS. El prototipo mostró coherencia en procesadores, sincronización eficaz entre cadenas redundantes y telemetría en tiempo real. Aunque las cargas alcanzaron los límites del hardware, se validó la cadena completa de software. No obstante, bajo ciertas condiciones la resiliencia dependió de elecciones algorítmicas, parametrización y márgenes de ejecución. La investigación demostró la viabilidad técnica y regulatoria del AFSS, aunque persisten retos. Entre las líneas futuras destacan: escalabilidad con procesadores multinúcleo y cualificados para el espacio; reforzar navegación frente a interferencias y suplantación GNSS; extender el IVHM hacia funciones de pronóstico; y evaluar arquitecturas de navegación (IMU sola frente a IMU/GNSS integradas). Igualmente crucial ha sido el progreso institucional: certificar un AFSS exige nuevos marcos regulatorios y programas experimentales conjuntos que alineen validación técnica y evolución normativa. Al combinar conciencia regulatoria, ingeniería rigurosa y validación hasta TRL 7, esta tesis aporta un prototipo y una hoja de ruta. Ha demostrado la viabilidad del AFSS y aclarado retos pendientes, ofreciendo una base sólida para el despliegue seguro de la seguridad autónoma en vuelo en lanzadores reutilizables europeos. DOCTORAT EN ENGINYERIA MECÀNICA, FLUIDS I AERONÀUTICA (Pla 2013) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-460864 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/697286 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-460864 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.697286 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-460864 |
|---|