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Replanification en ligne de trajectoire de secours pour un véhicule réutilisable "tossback"

Description

Les véhicules tossback évoluent en phase de retour selon des régimes de vol peu étudiés jusqu’alors. En particulier, la phase d’atterrissage finale est critique: elle est de faible durée et soumise à des contraintes difficiles à satisfaire liées aux couplages des dynamiques de translation et de rotation. Des travaux récents réalisés par l’Ecole des Mines pour le CNES dans les cadres R&T puis CALLISTO permettent le calcul des trajectoires d’atterrissage pour un grand panel de paramètres de vol.

Un besoin important et récurrent dans les applications lanceur consiste à la prise de décision de replanification, en quasi temps-réel, lorsque les paramètres de vols sont très éloignés du nominal (par exemple, dans le cas d’un actionneur présentant un écart de performance important par rapport à son état prévisionnel). Cette replanification serait d’autant plus utile dans le cas des véhicules tossback, qu’elle permettrait de sauver un bon nombre de situations périlleuses, d’autant plus nombreuses que l’atterrissage se fait dans des conditions très contraintes. La replanification doit se faire en préservant les contraintes de sauvegarde, tout en cherchant à maximiser la rentabilité du modèle économique de lanceur réutilisable.

On propose de développer des méthodes pour résoudre un problème que nous nommons “emergency”. Un scénario typique que nous étudierons consiste à considérer lors de la phase finale d’atterrissage d’un véhicule tossback deux possibilités d’atterrissage. La première, très précise, est l’atterrissage nominal sur une zone restreinte (aire d’atterrissage, barge). Cette solution doit être privilégiée, notamment d’un point de vue économique. La deuxième, plus flexible, consiste en un atterrissage dans une zone plus vaste avec éventuellement des contraintes largement relâchées concernant un ou plusieurs états cinématiques du véhicule (atterrissage d’urgence). On considérera le véhicule comme un corps rigide, en position et orientation, à masse variable, disposant d’une poussée vectorielle limitée et ayant sa propre dynamique.

Mathématiquement, le problème relève de l’optimisation sous contraintes pour systèmes dynamiques, où l’espace atteignable est formé d’ensembles disjoints, en présence d’incertitudes. Une question à laquelle nous répondrons typiquement est: “le véhicule étant initialement dans une position, vitesse, orientation donnée, mais ne disposant que de X% de moins de masse que prévu (ou de Y% de moins de force de poussée), vers quel site d’atterrissage doit on décider de se diriger, et quelles garanties peut on fournir quand aux chances de succès, en présences d’autres aléas (comme la météo) et d’incertitudes (comme l’estimation des paramètres de navigation)?”.

On considèrera que les anomalies sont détectables au travers de leurs conséquences sur les paramètres cinématiques de vol, dont une mesure sera considérée fournie par la navigation (cette mesure sera affectée de biais et bruits). De plus, seules des informations de bord seront considérées; on ne pourra pas connaître de mesures sol (type radar).

Les algorithmes qui seront développés, pourront relever de la théorie des processus stochastiques (pour la propagation des incertitudes), de la commande optimale, de la théorie des graphes (pour le calcul des zones accessibles de l’espace d’état), de la théorie de réduction de modèle.

On veillera à rendre implémentables les algorithmes développés. Ainsi un effort particulier sera accordé à un prototype de logiciel sur processeur moderne (par exemple FPGA ou GPU suivant l’algorithme retenu), afin d’évaluer les temps de réponses atteignables en pratique pour l’atterrissage en situation dégradée d’un véhicule tossback. Les temps de calculs devront être faibles et maîtrisés pour éviter de rendre caduque la décision de replanification avant la fin de son calcul. Pour obtenir des estimations fiables et rapides dans un but décisionnel, on pourra adopter une structure de calcul en parallèle à différents niveaux de détails. Une estimation grossière des risques pourra éventuellement être complétée par une ou deux autres estimations utilisant une représentation plus fine. L’estimation grossière pourra reposer sur des cartographies numériques réalisées a priori sur calculateur au sol, intégrant un grand nombre de simulation dispersées, et des développements au premier ordre des paramètres essentiel de la dynamique de vol (on s’attachera à un calcul d’atteignabilité par intégration des fonctions de sensibilités). Les solutions nominales et dégradées seront évaluées en parallèle, fournissant à une fréquence relativement élevée de rafraîchissement, des estimations des probabilités de réussite des cas correspondants. Ces probabilités pourront servir à instruire la prise de décision de replanification.

Le sujet est ambitieux et dépasse largement l’état de l’art actuel. Néanmoins il semble réaliste de mettre en oeuvre les différents concepts mathématiques décrits ci-dessus, pour fournir des arguments scientifiques raisonnés, reposant notamment sur la connaissance de la dynamique de vol et ses sensibilités, pour la prise de décision de replanification en ligne.

Profil

Ingénieur généraliste grande école, compétences en mathématiques appliquées, modélisation, optimisation, mise en œuvre numérique

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Centre Automatique et Systèmes, MINES ParisTech, PSL Research University
Directeur(rice) de thèse/recherche : Nicolas Petit
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : nicolas.petit@mines-paristech.fr
Responsable Cnes de l'offre : BOURGEOIS Eric

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