Chapter 14: "Applicative GNC cases and examples"

Modern Spacecraft Guidance, Navigation, and Control: From System Modeling to AI and Innovative Applications provides a comprehensive foundation of theory and applications of spacecraft GNC, from fundamentals to advanced concepts, including modern AI-based architectures with focus on hardware and software practical applications. Divided into four parts, this book begins with an introduction to spacecraft GNC, before discussing the basic tools for GNC applications. These include an overview of the main reference systems and planetary models, a description of the space environment, an introduction to orbital and attitude dynamics, and a survey on spacecraft sensors and actuators, with details of their modeling principles. Part 2 covers guidance, navigation, and control, including both on-board and ground-based methods. It also discusses classical and novel control techniques, failure detection isolation and recovery (FDIR) methodologies, GNC verification, validation, and on-board implementation. The final part 3 discusses AI and modern applications featuring different applicative scenarios, with particular attention on artificial intelligence and the possible benefits when applied to spacecraft GNC. In this part, GNC for small satellites and CubeSats is also discussed. Modern Spacecraft Guidance, Navigation, and Control: From System Modeling to AI and Innovative Applications is a valuable resource for aerospace engineers, GNC/AOCS engineers, avionic developers, and AIV/AIT technicians

Modeling UAS Flight Procedures for SORA Safety Objectives

Development of unmanned aerial systems (UAS), made of an unmanned aerial vehicle (UAV) and equipment such as a ground station, has increased tremendously in recent years. This has made more pressing the need for new design methodologies that provide a reliable and thorough safety assessment throughout the entire design process. The European specific operations risk assessment (SORA) document provides recommended operational safety objectives (OSO) to achieve. The current paper lays groundwork to comply with OSOs pertaining to UAS flight procedures. Key criteria for modeling such procedures are identified and lead to the choice of the AltaRica DataFlow (ADF) language. The Cecilia Workshop is used to model three real-life UAS emergency flight procedures. Custom components developed for this model are presented while discussing the process of modeling a formal procedure from an informal text source. A safety analysis is performed on the resulting model by computing minimal cut sets on an undesired procedure outcome. The results are then reviewed, providing feedback to increase the procedures’ safety gain

Boundary layer forcing on a rotating wing at low Reynolds numbers

Two separate experiments were conducted on a three-bladed NACA0012 rotor operating at a blade tip Reynolds number ranging from 44–110 ×103 using phase-locked infrared thermography (IRT) coupled with force and torque measurements. The first experiment consisted of a parametric study on the impact of forcing boundary layer transition using roughness placed on the suction side of the aerofoil in a hover configuration. The roughness height varied from 52 to 220 μ m and was placed all at 10% chord over the entire span of the blade. Force and torque measurements confirmed a roughness height that could lead to a performance increase due to the suppression or reduction of a laminar separation bubble. Moreover, IRT measurements showed the formation of turbulent wedges behind the roughness elements at critical roughness Reynolds numbers based on empirical correlations from the literature. The second set of experiments investigated the effects of freestream turbulence (FST) on the performance and flow development of the same rotary wing in an advancing configuration. FST was generated in an open section wind tunnel using grids and was characterised using hot-wire anemometry. When the rotary wing was subjected to FST, an increase in thrust and efficiency was observed, which could be due to the FST suppressing laminar flow separation by inducing early transition since IRT measurements indicated an advancement of the transition region, confirming performance improvement with earlier transition, where the excrescence drag due to the roughness elements would not be present in the freestream turbulence forcing case

Chapter 10: "Control"

Modern Spacecraft Guidance, Navigation, and Control: From System Modeling to AI and Innovative Applications provides a comprehensive foundation of theory and applications of spacecraft GNC, from fundamentals to advanced concepts, including modern AI-based architectures with focus on hardware and software practical applications. Divided into four parts, this book begins with an introduction to spacecraft GNC, before discussing the basic tools for GNC applications. These include an overview of the main reference systems and planetary models, a description of the space environment, an introduction to orbital and attitude dynamics, and a survey on spacecraft sensors and actuators, with details of their modeling principles. Part 2 covers guidance, navigation, and control, including both on-board and ground-based methods. It also discusses classical and novel control techniques, failure detection isolation and recovery (FDIR) methodologies, GNC verification, validation, and on-board implementation. The final part 3 discusses AI and modern applications featuring different applicative scenarios, with particular attention on artificial intelligence and the possible benefits when applied to spacecraft GNC. In this part, GNC for small satellites and CubeSats is also discussed. Modern Spacecraft Guidance, Navigation, and Control: From System Modeling to AI and Innovative Applications is a valuable resource for aerospace engineers, GNC/AOCS engineers, avionic developers, and AIV/AIT technicians

Contribution à l'étude de la réactivité des précurseurs de l'indigo et à l'optimisation de la production de pigment à partir des feuilles d'Isatis tinctoria L.

La culture d’Isatis tinctoria fut très importante en Europe, au Moyen-Âge, pour sa production de pigment indigo, très prisé par les teinturiers. En Occitanie, l’intérêt pour les molécules d’origine naturelle et le caractère emblématique du pastel a permis de faire perdurer sa culture localement. Toutefois, le rendement de cette production demeure instable et la qualité du pigment mal maitrisée. C’est dans ce contexte qu’un projet de recherche visant à améliorer la quantité et la qualité du pigment bleu contenant l’indigo à partir des feuilles de Pastel a été mis en place. Au cours de ce projet, nous nous sommes intéressés aux principaux précurseurs de l’indigo dans le Pastel, l’isatan A et l’isatan B. Ces composés très instables ont été identifiés par UHPLC-HRMS afin d’établir un suivi régulier de leur teneur dans la plante au cours de l’année. Ces analyses ont montré la présence de précurseurs dans les feuilles tout au long de l’année et leur relative stabilité dans les feuilles jusqu’à trois jours après leur récolte. Leur réactivité dans les conditions de production a également été étudiée avec pour l’objectif de mieux comprendre leur conversation en indigo. En parallèle, plus d’une quarantaine de pigments ont été produits à partir de feuilles de Pastel. Les paramètres de production du pigment ont été optimisés afin d’améliorer le rendement en pigment et sa teneur en indigo, ce qui a conduit à un essai de production à l’échelle industrielle. Également, une méthode de dosage de l’indigo a été développée et appliquée à l’ensemble des pigments produits, afin d’évaluer plus précisément leur teneur en indigo. Ces travaux ont permis une meilleure compréhension de la réactivité des précurseurs, ainsi qu’une optimisation de leurs conditions d’extraction pour la production de l’indigo. S’il est possible de produire du pigment toute l’année à partir de feuilles fraiches, en revanche, la production demeure inconstante et peu reproductible, et ne semble donc pas uniquement conditionnée à la teneur en précurseurs et aux conditions d’extraction. Des mécanismes enzymatiques impliquant des enzymes foliaires végétales ou microbiennes, difficiles à maitriser, sont très probablement impliqués dans le processus de conversion des précurseurs en indigo

Simulation aux grandes échelles de l'allumage des moteurs d'avion dans des conditions d'exploitation pertinentes et application à la technologie de la combustion giratoire

SAFRAN Helicopter Engines has recently developed the spinning combustion technology in which the burnt gases from one injector travel tangentially along the combustor annulus towards the neighboring injectors. Compared to a conventional design, this arrangement modifies the ignition process, which is a critical phase for aeroengines. In addition to that, few ignition studies in literature feature actual aeronautical igniters. This thesis aims to numerically reproduce the kernel formation and flame propagation at conditions occurring in spinning combustion engines fitted with aeronautical igniters at relevant operating conditions. For this objective, the in-house code AVBP has been used together with models for the energy addition from the igniter, semi-detailed chemistry and a recent version of the thickened flame model using a generic sensor and a static and dynamic formulation for the subgrid chemistry-turbulence closure term. The results have been compared to experiments from partner laboratories and show that the Large-Eddy Simulation calculations are able to reproduce the kernel formation and propagation in spinning combustion technology engines. An average error of 10% in the time for complete chamber ignition was obtained when using a dynamic formulation of the subgrid chemistry-turbulence closure term. As a conclusion, this thesis gives further support to the use of LES as a tool for the design of combustion chamber systems in aircraft engines, in particular in novel configurations such as the spinning combustion technology

Comprendre le lien entre l'activité des micro-organismes présents dans le rumen, le métabolisme de l'hôte et l'efficience alimentaire des agneaux

En élevage de ruminants allaitants, l’alimentation représente la très grande majorité des coûts d’élevage. De ce fait, l’efficience alimentaire, caractérisée par l’aptitude d’un animal à optimiser sa production par rapport à sa consommation alimentaire, s’est imposée comme un moyen de limiter les coûts d’élevage mais aussi les rejets polluants par une meilleure valorisation de la ration. Cependant, les déterminants de l’efficience alimentaire sont encore méconnus bien que des pistes aient été avancées, notamment concernant l’efficience digestive ou la partition des nutriments et de l’énergie entre différents tissus corporels et entre besoins d’entretien et besoins de production. Par ailleurs, tout porte à penser que ces déterminants sont variables selon les conditions d’élevage et en particulier selon la ration distribuée aux animaux. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était d’explorer les mécanismes sous-jacents à l’efficience alimentaire, en particulier en lien avec la communauté microbienne ruminale et les produits issus de son activité. L’étude a été réalisée sur des agneaux mâles de race Romane issus de lignées divergentes obtenues par sélection génétique des animaux les plus efficients et les moins efficients sur la base de la consommation moyenne résiduelle. Au total, 277 agneaux, répartis sur trois années et issus des deuxième et troisième générations de sélection ont été phénotypés pendant 6 semaines sous un régime 100% concentrés (CONC) et parmi eux, 167 agneaux, extrêmes en termes d’efficience, ont par la suite été phénotypés sous un régime mixte (MIX). À l’issue de chaque phase, un échantillon de contenu ruminal et un échantillon de sang ont été collectés. La composition microbienne du rumen a été étudiée par séquençage des gènes codants pour l’ARNr 16S et l’ARNr 18S, respectivement pour les procaryotes et les eucaryotes et des analyses par chromatographie en phase gazeuse des échantillons ruminaux et par RMN des échantillons ruminaux et sanguins ont permis de doser les métabolites présents dans le rumen ou dans le plasma des agneaux. La première conclusion des travaux de cette thèse est, conformément à la littérature existante chez le bovin allaitant, une absence de corrélation entre l’efficience alimentaire phénotypique aux régimes CONC et MIX. Globalement aucune association n’a été démontrée entre les compositions microbiennes ou les métabolites ruminaux et l’efficience alimentaire quel que soit le régime. En particulier, aucune différence de profil en acides gras volatils n’a été observée entre lignées ou entre animaux phénotypiquement efficients ou inefficients. Par ailleurs, les genres procaryotes ou eucaryotes associés avec l’efficience alimentaire phénotypique différent entre les deux régimes et les associations entre genres microbiens et efficience alimentaire ne sont pas identiques entre les différentes années de prélèvements. Finalement, l’étude des métabolites plasmatiques, en tant que reflets du métabolisme de l’animal, a mis en évidence une concentration plus importante en citrate chez les animaux de la lignée efficiente quel que soit le régime, ainsi que chez les animaux phénotypiquement efficients au régime CONC. En revanche, les animaux inefficients avaient des concentrations plus importantes en acides aminés circulants. Cette découverte implique que la sélection génétique pour l’efficience alimentaire a pu avoir un effet sur le métabolisme du citrate et/ou des acides aminés et ouvre la porte à de nouvelles études ciblées sur les mécanismes métaboliques associés à l’efficience alimentaire comme l’efficacité de la chaîne de phosphorylation oxydative mitochondriale ou le turnover protéique

Linear Fractional Transformation Modeling of Multibody Dynamics Around Parameter-Dependent Equilibrium

This brief proposes a new linear fractional transformation (LFT) modeling approach for uncertain linear parameter-varying (LPV) multibody systems with parameter-dependent equilibrium. Traditional multibody approaches, which consist of building the nonlinear model of the whole structure and linearizing it around equilibrium after a numerical trimming, do not allow to isolate parametric variations with the LFT form. Although additional techniques, such as polynomial fitting or symbolic linearization, can provide an LFT model, they may be time-consuming or miss worst case configurations. The proposed approach relies on the trimming and linearization of the equations at the substructure level, before assembly of the multibody structure, which allows to only perform operations that preserve the LFT form throughout the linearization process. Since the physical origin of the parameters is retained, the linearized LFT-LPV model of the structure exactly covers all the plants, in a single parametric model, without introducing conservatism or fitting errors. An application to the LFT-LPV modeling of a robotic arm is proposed; in its nominal configuration, the model obtained with the proposed approach matches the model provided by the software Simscape Multibody, but it is enhanced with parametric variations with the LFT form; a robust LPV synthesis is performed using MATLAB robust control toolbox to illustrate the capacity of the proposed approach for control design

Extension de la méthode des Différences Spectrales à la combustion

L'amélioration des outils d'ingénierie utilisés dans le design des dispositifs industriels de combustion est indispensable afin de respecter les demandes de plus en plus restrictives pour réduire les émissions de gaz à effets de serre. Parmi eux, la mécanique des fluides numériques (CFD) est devenue essentielle pour étudier et optimiser les chambres de combustion au cours des dernières décennies. Elle se complète parfaitement aux expériences réelles qui peuvent être très couteuses et avec lesquelles il est impossible d'obtenir des informations sur n'importe quelle quantité d'intérêt en tout point de la chambre de combustion. En utilisant les simulations aux grandes échelles (LES), la CFD décrit directement l'interaction entre les flammes et les structures turbulentes avec une faible modélisation. La qualité des résultats LES est ainsi très dépendante de la discrétisation utilisée incluant à la fois le maillage et également les propriétés de dissipation et de dispersion des méthodes numériques utilisées. Cependant, la plupart des codes LES employés de nos jours dans l'industrie utilisent des schémas de discrétisation spatiale de basordre (LO) à cause de leur faible coût de calcul et leur facilité d'implémentation sur des maillages complexes. Pourtant, les méthodes numériques d'ordres élevés (HO) pour la LES sont développées depuis deux décennies et ont été appliquées sur des écoulements non-réactifs amenant à des résultats plus précis que les méthodes LO avec un plus faible coût de calcul. Bien que les méthodes HO semblent très prometteuses en combustion, en particulier pour mieux décrire le front de flamme, leur utilisation pour des écoulements réactifs restent encore à être démontrée. Au cours de ces travaux, les avantages et les bénéfices des méthodes HO en combustion sont évalués en utilisant la méthode des Différences Spectrales (SD) avec du raffinement $hp$. Premièrement, il est démontré que la formulation originelle des SD est instable pour des écoulements multi-espèces avec des propriétés thermodynamiques variant avec la température et la composition. Il a été constaté que calculer les variables primitives aux points solutions puis de les extrapoler aux points flux, au lieu de faire l'inverse en extrapolant d'abord les variables conservatives, rend stable la méthode SD dans ce cas-ci. De plus, une nouvelle méthodologie, également plus stable pour calculer les flux diffusifs aux interfaces des cellules est détaillée. Enfin, les conditions aux limites caractéristiques et de murs ont été étendues aux écoulements multiespèces dans le formalisme SD. Avec ces développements, des flammes laminaires pré-mélangées 1D et 2D ont été simulées avec des mécanismes réduits à 2 réactions ou des mécanismes réduits analytiquement. Les résultats sont très proches de ceux obtenus avec des solveurs de référence bien établis en combustion. Il est montré que pour un même niveau d'erreur, il est plus efficace d'utiliser des maillages grossiers avec des grandes valeurs de $p$ et non l'inverse. Par conséquent, le raffinement local en $p$, qui applique des grandes valeurs de $p$ dans les régions d'intérêts seulement, permet de garder une bonne précision à un coût de calcul plus faible. Ceci est particulièrement intéressant pour des simulations de combustion où le front de flamme est très localisé et requiert une plus grande précision que le reste de l'écoulement. Il est également observé sur ces cas simples 1D et 2D que la méthode SD est moins sensible à la discrétisation du front de flamme que les solveurs volumes finis comme AVBP. Pour terminer, deux différentes configurations de flammes 3D turbulentes ont été simulées avec l'algorithme des SD étendu aux écoulements réactifs

Du champ à l'ingrédient naturel : caractérisation des co-produits de grenade occitane pour leur valorisation

La culture du grenadier s’intensifie depuis une décennie en Occitanie à cause de la diversification vers des cultures résilientes au changement climatique. La production française est intégralement transformée en jus, générant d’importants volumes de co-produits (60 à 70 % du fruit frais). Cette étude présente l’évolution des teneurs des principaux composés à valeur ajoutée (polyphénols, lipides) des co-produits de grenades de la parcelle à leur extraction. Le système de culture (variété, conditions pédo-climatiques et traitement foliaire), la conservation des grenades (durée, température, humidité et immersion) et le conditionnement des co-produits (séchage et ensilage) affectent les polyphénols des péricarpes, et dans une moindre mesure les lipides des co-produits de pressage des graines. La teneur en polyphénols totaux des péricarpes est plus élevée pour la variété endémique Provence (294 mg eag/g ms) que pour les autres variétés étudiées (193 mg eag/g ms). Ces composés sont préservés par une conservation des fruits adaptée à la variété et par un séchage des co-produits à 40°C, qui permet de recouvrer 99 % des polyphénols totaux et 90 % de l’ellagitannin majoritaire, la punicalagine, par rapport à la lyophilisation. En revanche, l’acide ellagique s’accumule de façon plus importante dans la variété Valenciana conservée jusqu’à 8 semaines à 17 °C et plus de 92 % d’humidité (de 5 à 14 mg/g ms) et dans les péricarpes ensilés 4 à 6 semaines (de 3 à 25 mg/g ms). La fermentation spontanée multiplie aussi par deux le rendement en huile des co-produits de pressage des graines, de 10 à 19 %. Ce procédé préserve également le profil en acides gras, dominé par l’acide punicique (77 à 81 %). Sa teneur relative aux autres acides gras est cependant plus élevée dans les co-produits séchés directement (78 à 81 %). La durée de ce séchage peut être diminuée sans altérer la composition lipidique de 5 h en étuve ventilée à 30 min en sécheur à tapis à 100 °C