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

Modélisation et simulation de la crise d'ébullition dans les REP à l'échelle CFD

Dans un Réacteur à Eau Pressurisée (REP), la chaleur dégagée par le combustible nucléaire est transférée à l’eau du circuit primaire, pressurisée à 150 bars pour éviter son ébullition. Cependant, en situation accidentelle, elle peut entrer en régime d’ébullition nucléée pouvant s’intensifier jusqu’à atteindre la crise d’ébullition. Ce point de transition quasi instantané entre l’ébullition nucléée et l’ébullition en film entraîne la formation d’une couche de vapeur stable sur les crayons combustible, associée à une forte augmentation de leur température pariétale créant un risque de rupture de leur gaine. La prédiction du flux critique (flux de chaleur auquel se produit la crise d’ébullition) représente donc un enjeu de sûreté majeur et est actuellement réalisée à l’aide de corrélations expérimentales spécifiques à une configuration, n’incluant pas de représentation fine de la physique de l’ébullition. Cette thèse s’intéresse à la modélisation de la physique de l’ébullition à l’échelle locale dite « CFD » (Computational Fluid Dynamics), à laquelle il est possible de réaliser des simulations d’écoulements bouillants avec une discrétisation spatiale de l’ordre du millimètre. Le code maison NEPTUNE_CFD, proposant une description eulérienne des écoulements multiphasiques à changement de phase, est l’outil de référence de EDF R&D pour enquêter sur ces problématiques aux échelles locales. Dans un premier temps, des simulations d’écoulements bouillants convectifs en tube vertical sont réalisées avec NEPTUNE_CFD. Des comparaisons avec l’expérience DEBORA (écoulement bouillant de réfrigérant R12 en similitude REP sur plusieurs adimensionnels) ont permis une évaluation du code dans des conditions similaires au cas industriel. Les résultats obtenus sont globalement en accord avec l’expérience, mais présentent des écarts notables sur le diamètre des bulles et la température paroi. Cette dernière est calculée au travers du modèle d’ébullition en paroi de NEPTUNE_CFD dit à « Partition du Flux Pariétal » (Heat Flux Partitioning), où le flux appliqué est découpé entre plusieurs mécanismes de transfert de chaleur (convection, évaporation, conduction instationnaire, etc.). Le cœur des travaux de thèse a alors consisté en la construction d’un nouveau modèle de Partition du Flux, avec objectif une prise en compte plus fine de la phénoménologie de l’ébullition en considérant notamment le glissement des bulles. Une modélisation de la dynamique des bulles en paroi a été développée par une approche mécaniste décrivant les forces appliquées sur la bulle. Les formulations de certaines forces (masse ajoutée, traînée, etc.) ont été réévaluées et permettent une prédiction satisfaisante des diamètres de détachement et des vitesses de glissement à basse et haute pression. Le modèle de Partition du Flux a été complété par une évaluation des nombreuses lois de fermetures requises (temps d’attente, densité de sites de nucléation, etc.) par comparaison avec des mesures expérimentales tirées de la littérature. Le nouveau modèle ainsi développé a ensuite été validé par comparaison avec des mesures de température de paroi et implémenté dans NEPTUNE_CFD. La prédiction du flux critique s’ancre en perspective de ces développements. Des observations expérimentales récentes décrivent la crise d’ébullition à l’aide de paramètres physiques inclus dans le modèle de Partition du Flux. Un critère basé sur la proportion de surface occupée par les bulles a été testé avec l’ancien modèle de NEPTUNE_CFD et semble proposer un comportement qualitativement cohérent. Enfin, on s’intéresse à une configuration de type tube avec des ailettes de mélange similaires à celles présentes en cœur de REP. Les simulations NEPTUNE_CFD montrent des écarts significatifs à l’expérience sur la prédiction du taux de vide à coeur. Des simulations monophasiques montrent une surestimation de la rotation du liquide, pouvant expliquer la trop grande accumulation de vapeur dans le cas bouillant

Numerical Analysis of a Structure-Preserving Space-Discretization for an Anisotropic and Heterogeneous Boundary Controlled N-Dimensional Wave Equation As a Port-Hamiltonian System

The anisotropic and heterogeneous N -dimensional wave equation, controlled and observed at the boundary, is considered as a port-Hamiltonian system. A recent structure-preserving mixed Galerkin method is applied, leading directly to a finite-dimensional port-Hamiltonian system: its numerical analysis is carried out in a general framework. Optimal choices of mixed finite elements are then proved to reach the best trade-off between the convergence rate and the number of degrees of freedom for the state error. Exta compatibility conditions are identified for the Hamiltonian error to be twice that of the state error, and numerical evidence is provided that some combinations of finite element families meet these conditions. Numerical simulations are performed in 2D to illustrate the main theorems among several choices of classical finite element families. Several test cases are provided, including non-convex domain, anisotropic or heterogeneous cases and absorbing boundary conditions

Conception d'architectures et dimensionnement de systèmes propulsifs électriques aéronautiques

Cette étude se situe dans le contexte de l’électrification de la propulsion aéronautique, intégrant une chaîne de conversion d’énergie électrique originale connectant, via un bus alternatif (AC), uniquement des machines synchrones à aimants permanents sans électronique de puissance. Une telle architecture passive permet d’envisager des gains de masses et de coûts et se différencie des architectures électriques propulsives usuelles couplant des électroniques de puissance pilotables à travers des étages à courant continu. Cette architecture couplant « rigidement » générateur et moteurs synchrones pousse à étudier son fonctionnement en régime transitoire et permanent afin d’évaluer sa stabilité. Cette thèse apporte ainsi une première contribution à travers différents moyens dédiés à l’analyse de stabilité d’un canal AC synchrone composé d’un générateur et d’un moteur synchrone. La voie analytique est tout d’abord exploitée en se basant sur un modèle mis sous forme d’espace d’état. Ce modèle est linéarisé permettant une analyse du lieu des pôles du canal AC synchrone qui permet de caractériser analytiquement sa stabilité en montrant directement les effets de chaque paramètre sur la stabilité du canal. L’analyse du lieu des pôles est ensuite comparée, d’une part à une simulation temporelle du canal AC synchrone exploitant le modèle d’état précédent, puis d’autre part à un banc expérimental à échelle de puissance réduite (5.5 kW). Ceci a pour but de confirmer la pertinence et la robustesse de l’analyse de stabilité. Selon les dimensions et le paramétrage du contrôle, les analyses effectuées permettent de mettre en évidence certains phénomènes d’instabilité se traduisant par des oscillations voire un décrochage des deux machines synchrones. Dans ce contexte, un dispositif de stabilisation active du canal AC est proposé intégrant une branche d’hybridation énergétique constituée d’une batterie et d’un onduleur couplé au canal AC. L’étude de ce dispositif s’est alors concentrée sur la conception et les réglages de son architecture de contrôle puis sur son exploitation en simulation et sur banc expérimental. Ces deux moyens d’études ont alors permis de conclure au bon fonctionnement du dispositif de stabilisation du canal AC, permettant à ce dernier de fonctionner de manière stable même dans les zones caractérisées comme instables en l’absence de ce dispositif. Afin d’augmenter l’intérêt d’un tel dispositif de stabilisation induisant l’ajout d’une batterie et d’un onduleur à l’architecture de base, d’autres fonctions d’hybridation (injection de puissance sur le réseau) ou d’aide au démarrage du canal AC synchrone sont étudiées et mises en oeuvre. Pour conclure, une mise à l’échelle du canal AC synchrone vers un dimensionnement représentatif en aéronautique (500 kW) est menée afin de vérifier si les phénomènes mis en évidence à puissance réduite se retrouvent à l’échelle du cas applicatif aéronautique

Self-Supervised Learning for Data Scarcity in a Fatigue Damage Prognostic Problem

With the increasing availability of data for Prognostics and Health Management (PHM), Deep Learning (DL) techniques are now the subject of considerable attention for this application, often achieving more accurate Remaining Useful Life (RUL) predictions. However, one of the major challenges for DL techniques resides in the difficulty of obtaining large amounts of labelled data on industrial systems. To overcome this lack of labelled data, an emerging learning technique is considered in our work: Self-Supervised Learning, a sub-category of unsupervised learning approaches. This paper aims to investigate whether pre-training DL models in a self-supervised way on unlabelled sensors data can be useful for RUL estimation with only Few-Shots Learning, i.e. with scarce labelled data. In this research, a fatigue damage prognostics problem is addressed, through the estimation of the RUL of aluminum alloy panels (typical of aerospace structures) subject to fatigue cracks from strain gauge data. Synthetic datasets composed of strain data are used allowing to extensively investigate the influence of the dataset size on the predictive performance. Results show that the self-supervised pre-trained models are able to significantly outperform the non-pre-trained models in downstream RUL prediction task, and with less computational expense, showing promising results in prognostic tasks when only limited labelled data is available

Prediction of Gust Aeroelastic performance of HALE using Graph Neural Networks

Graph Neural Networks have been applied to learn the flight and structural dynamics of an High Altitude Long Endurance aircraft in discrete gust. The graph network methodology allows building a model for structural displacements, loads and aircraft flight dynamics leveraging on the inductive bias given by the physical connections. The results show promising capabilities in model approximation and potential for symbolic identification of aerodynamics and structural forces

La biomasse lignocellulosique, un milieu poreux particulier : étude expérimentale de sa dégradation par hydrolyse enzymatique

La valorisation de la biomasse végétale représente un enjeu environnemental et industriel considérable au regard de notre demande croissante en énergie renouvelable et en molécules d’intérêt pour l’industrie chimique. Accéder à cette ressource nécessite de déconstruire cette biomasse particulièrement récalcitrante de manière contrôlée. Cette étape reste à ce jour un verrou majeur au développement de procédés viable et économiquement pertinents. Dans la Nature, bactéries et champignons ont développé tout un panel d’enzymes à la modularité très variable, permettant de métaboliser les molécules carbonées présentes dans les parois végétales. Ce travail de thèse a pour ambition d’améliorer notre compréhension des mécanismes biochimiques et biophysiques mis en oeuvre lors de cette dégradation enzymatique de la biomasse végétale. Son originalité est d’étudier l’action enzymatique par l’utilisation de métrologies et techniques issues de l’étude des milieux poreux. Ces techniques sont particulièrement bien adaptées au type d’échantillons qui nous intéresse (paille de blé) et permettent ainsi de considérer la paroi végétale dans toute sa complexité (un milieu poreux complexe et tridimensionnel). Dans une première partie, nous montrons que la microtomographie à rayons X (μCT) permet le suivi temporel, en 3 dimensions, de la dégradation enzymatique d'une biomasse lignocellulosique modèle, la paille de blé. Grâce à un traitement des images 3D spécifique, développé au cours de la thèse, nous observons en particulier la disparition progressive de certaines parois cellulaires riches en cellulose, au fur et à mesure de l’attaque enzymatique. Dans un second temps, et dans le but de sonder les effets de l’action enzymatique à des échelles spatiales non résolues par la visualisation en μCT (inférieures au micron), nous avons effectué des expériences d’élution d’un traceur radio-opacifiant saturant initialement la paille de blé, notamment par un suivi en radiographie X. Un modèle simple de transport diffusif au sein de la paille est utilisé pour extraire un coefficient de diffusion effectif des traceurs au sein de la paille. Des résultats préliminaires sont obtenus pour différents types de traceurs, pour des échantillons natifs ou ayant subi une attaque enzymatique. En résumé, durant cette thèse nous nous sommes attelés à adapter des techniques et des méthodologies issues de l’étude des milieux poreux pour affiner notre compréhension des mécanismes mis en jeu lors de la dégradation de la paille de blé par des enzymes

Étude à fine échelle de l'îlot de chaleur urbain par modélisation bayésienne à partir de données opportunes

L’îlot de chaleur urbain (ICU), qui caractérise le différentiel de température entre un environnement urbain et le milieu rural environnant, est un phénomène météorologique à fort enjeu. Plus de la moitié de la population mondiale vit en ville où elle cohabite avec une biodiversité particulièrement vulnérable. En contexte de changement climatique, les vagues de chaleur deviennent plus fréquentes, leur durée et leur intensité augmentent. La hausse des températures due au milieu urbain s’ajoute à l’élévation de la température globale et accroît la vulnérabilité des citadins au stress thermique. L’observation de la température de l’air est essentielle pour faire avancer la recherche sur l’ICU, améliorer les prévisions numériques du temps en milieu urbain et éclairer les acteurs de l’aménagement qui souhaitent déployer des dispositifs d’atténuation. Or l’installation de réseaux de mesure urbains denses est coûteuse et la plupart des villes n’ont pas accès à l’observation fine échelle sur leur territoire. L’objectif de cette thèse est de montrer l’apport de données opportunes issues de stations météorologiques amateurs et de véhicules connectés, omniprésents en ville. Une méthodologie statistique qui fusionne ces mesures opportunes permet de produire une analyse fine échelle de l’ICU. En s’appuyant sur les réseaux professionnels des villes laboratoires de Dijon et Rennes, nous avons analysé chacune des deux sources de données pour mieux comprendre les causes des erreurs de mesure. Même si les observations opportunes sont particulièrement sujettes aux erreurs, des traitements proposés dans cette thèse permettent de les nettoyer efficacement afin d’en tirer un signal de qualité. Un modèle bayésien hiérarchique inféré avec l’approche INLA-SPDE est ensuite développé pour spatialiser les mesures opportunes et ainsi obtenir des cartes de l’ICU à pas de temps horaire et résolution hectométrique. Les cartographies obtenues sur Dijon sont cohérentes avec le réseau de référence et la racine de l’erreur quadratique moyenne est inférieure à 1°C. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles perspectives en terme de recherche, par exemple pour l’évaluation de simulations des modèles de ville, mais aussi pour la constitution d’observations spatialisées utilisables en post-traitement des sorties de la prévision numérique du temps. Les cartographies permettront aussi d’éclairer les acteurs de l’aménagement urbain au regard de la problématique de l’ICU