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Chapter 10: "Control"
No full textModern 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
Liquid jet breakup in gaseous crossflow injected through a large diameter nozzle
Full text linkNear nozzle field behavior of round liquid jets injected through large injector diameter (ranging from 0.2 to 0.6m) into subsonic uniform gaseous crossflows is numerically investigated using the Volume of Fluid (VoF) method. The liquid jet to gas momentum ratio is ranging from 4.3 to 39 with a gas Weber number ranging from 1.6 × 10^4 to 5.3 × 10^4. The large scale liquid water column main properties, such as primary breakup process, liquid column penetration height, liquid column expansion and column breakup point location are studied. Effects of several parameters on the liquid column evolution are investigated, namely the diameter injector, the liquid jet injection velocity and the gaseous crossflow velocity. It has been found that the surface breakup and column breakup mechanisms are both contributing to the liquid column fragmentation. The fragmentation at large scale is characterized by the generation of a significant number of well developed arm and leg structures that align with the airflow on the side and at the bottom of the liquid column. Correlations for the main liquid jet properties are proposed and compared with results previously obtained for smaller size liquid jet. Liquid column penetration height, width and column breakup height follow the same type of power laws that those observed for liquid jet at smaller size. The liquid jet evolution is compared to the water jet generated by the B747 airtanker
Étude de l’interdiffusion et de l’effet Kirkendall dans les alliages métalliques à base de nickel
Full text linkL’objectif de ces travaux de thèse est d’améliorer nos connaissances sur les phénomènes d’interdiffusion dans les alliages métalliques en apportant des données quantitatives sur les phénomènes engendrés par l’effet Kirkendall (porosité, déformation) et dans un second temps à étudier l’effet de contraintes externes sur la diffusion. L’étude expérimentale, effectuée sur des alliages modèles d’un système à fort effet Kirkendall, Ni-Cr-Si, a consisté à analyser différents couples de diffusion à 1200°C. Ceux-ci ont été analysées quantitativement par le biais de différentes techniques de caractérisation (microscopies, tomographie X, corrélation d’images). Tous les résultats expérimentaux ont pu être comparés à des simulations 1D modélisant l’interdiffusion en prenant en compte explicitement les lacunes et leurs cinétiques d’élimination sur deux types de puits : dislocations et pores. L’étude a montré que la germination des pores n’est pas favorisée aux joints de grains et que l’annihilation des lacunes par la croissance de pores est un mécanisme plus efficace que par les montées de dislocations, que ces dernières soient situées en volume ou aux joints de grains. Les profils de concentration, la fraction volumique et la distribution des pores sont insensibles à la taille de grains à 1200°C. Les mesures de déformation par corrélation d’images sur la surface de couples de diffusion ont permis de montrer que la diffusion engendre des champs de déformation locaux selon la direction de diffusion et que la déformation est inexistante ou négligeable dans la direction normale à cet axe. La confrontation des résultats expérimentaux et des simulations a permis d’ajuster les paramètres liés à la force des puits dans la modélisation, pour les dislocations à l’aide des mesures de déformations et pour les pores à l’aide des mesures de porosité. Compte tenu des ordres de grandeurs attendus pour les densités de dislocations dans les alliages étudiés, les résultats suggèrent que seule la montée d’une partie des dislocations est activée lors de l’interdiffusion, en accord avec certains modèles de la littérature. Il est ainsi possible de relier la force des puits par montée de dislocations avec la description de la population de dislocations. En revanche, il n’a pas été possible d’établir de lien entre la force des puits par croissance de la porosité et une propriété du matériau considéré dans la modélisation. Enfin, l’étude de l’effet des contraintes externes de 25 MPa en compression uniaxiale (fluage) et de 326 MPa de pression hydrostatique sur la diffusivité a permis de montrer que les variations des coefficients d’interdiffusion existent mais qu’elles sont négligeables devant les incertitudes sur les valeurs des coefficients d’interdiffusion
Boundary layer forcing on a rotating wing at low Reynolds numbers
Full text linkTwo 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
Extension de la méthode des Différences Spectrales à la combustion
Full text linkL'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 . 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 et non l'inverse. Par conséquent, le raffinement local en , qui applique des grandes valeurs de 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
Traitement de séries longitudinales pour l'imagerie médicale
Full text linkL'imagerie médicale ne cesse de profiter des progrès technologiques et scientifiques. Elle permet d’explorer le corps humain sans examens intrusifs et d'opérer avec grande précision. La mise en avant des innovations technologies durant ces dernières années a favorisé l’émergence de nouvelles techniques pour l’aide au diagnostic. Pour des fins de précisions, le diagnostic peut être réalisé aujourd’hui sur des séries longitudinales d’images. Durant ces années de thèse, trois contributions ont été proposées : Nous avons présenté une méthode de pronostic Covid-19 basée sur des architectures d'apprentissage en profondeur. La méthode proposée est basée sur la combinaison d'un réseau de neurones convolutifs et récurrents pour classifier des images radiographiques thoraciques multi-temporelles et prédire l'évolution de la pathologie pulmonaire observée. L’un des principaux défis dans les méthodes d’apprentissage est l’optimisation des poids du réseau. Dans ce contexte, nous avons développé une nouvelle méthode d'optimisation bayésienne permettant d'ajuster les poids des réseaux de neurones artificiels parcimonieux. La méthode proposée repose sur la dynamique hamiltonienne avec des régularisations non lisses. Par la suite, nous étendons dans la troisième contribution le schéma d’optimisation en proposant une fonction d’activation entraînable à l’aide des Chaîne de Markov Monte Carlo
Modelling and structure-preserving discretization of the Schrödinger equation as a port-Hamiltonian system, and simulation of a controlled quantum box
Full text linkThe modelling of the Schrödinger Equation as a port-Hamil-
tonian system is adressed. We suggest two Hamiltonians for the model, one based on the probability of presence and the other on the energy of the quantum system in a time-independent potential. In order to simulate the evolution of the quantum system, we adapt the model to a bounded domain. The model is discretized thanks to the structure-
preserving Partitioned Finite Element Method (PFEM). Simulations of Rabi oscillations to control the state of a system inside a quantum box are performed. Our numerical experiments include the transition between two levels of energy and the generation of Schrödinger cat states
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
Full text linkSAFRAN 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
An ontology model for maintenance strategy selection and assessment
Full text linkWithin maintenance management activities, engineers need to select maintenance strategies so to carry out the technical maintenance actions. A single equipment is composed of several components with different failure modes. There should be a maintenance strategy for each of them; while some of the components can be run-to-failure applying corrective maintenance,
some others cannot afford a failure, and preventive or predictive strategies should be implemented. Selecting and assessing maintenance strategies is a complex task for which information from many sources should be retrieved. Information from a Failure Mode, Effects and Criticality Analysis, a cost–benefit-risk analysis, Computational Maintenance Management Systems, is often used by engineers to select and assess maintenance strategies. A selected strategy is often not evaluated over time to check its effectiveness. The strategy may need adjustments or substituted by a more efficient one, for example, a condition-based strategy substituting a time-based one. To facilitate maintenance strategies selection and assessment, the current study proposes an Ontology model for Maintenance Strategy Selection and Assessment (OMSSA). OMSSA serves as a formal terminology framework in maintenance strategies that can be used to develop smart computational agents that can help in the decision-making process for selecting and assessing maintenance strategies. To facilitate its future reuse and integration with other ontologies in the industrial domain, OMSSA builds following the state-of-the-art in ontology development by using a top-level domain-neutral ontology, the Basic Formal Ontology
The Mars Microphone Onboard SuperCam
Full text linkThe “Mars Microphone” is one of the five measurement techniques of SuperCam, an improved version of the ChemCam instrument that has been functioning aboard the Curiosity rover for several years. SuperCam is located on the rover’s Mast Unit, to take advantage of the unique pointing capabilities of the rover’s head. In addition to being the first instrument to record sounds on Mars, the SuperCam Microphone can address several original scientific objectives: the study of sound associated with laser impacts on Martian rocks to better understand their mechanical properties, the improvement of our knowledge of atmospheric phenomena at the surface of Mars such as atmospheric turbulence, convective vortices, dust lifting processes and wind interactions with the rover itself. The microphone also helps our understanding of the sound signature of the different movements of the rover: operations of the robotic arm and the mast, driving on the rough surface of Mars, monitoring of the pumps, etc. The SuperCam Microphone was delivered to the SuperCam team in early 2019 and integrated at the Jet Propulsion Laboratory (JPL), Pasadena, CA with the complete SuperCam instrument. The Mars 2020 Mission launched in July 2020 and landed on Mars on February 18, 2021. The mission operations are expected to last until at least August 2023. The microphone is operating perfectly