Multidisciplinary design of launch vehicles

• Auteur / Autrice : Mathieu Balesdent
• Direction : Philippe Depincé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en communications et cybernétique (Nantes) (1958-2017)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (Châtillon, France ; 1946-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande de processus

Optimisation mathématique

Commande, Théorie de la

Mots clés libres

Multidisciplinary design optimization (MDO)

Conception de lanceurs

Résumé

La conception de lanceurs est un problème d’optimisation multidisciplinaire (MDO) com-plexe qui a la particularité d’intégrer une optimisation de trajectoire très contrainte, difficile à résoudre et fortement couplée à toutes les autres disciplines entrant en jeu dans le proces-sus de conception (e. G. Propulsion, aérodynamique, structure, etc. ). Cette thèse s’intéresse aux méthodes permettant d’intégrer judicieusement l’optimisation de la trajectoire au sein du processus d’optimisation des variables de conception. Une nouvelle méthode, appelée “Stage-Wise decomposition for Optimal Rocket Design” (SWORD), a été proposée. Celle-ci décompose le processus de conception suivant les différentes phases de vol et transforme le problème d’optimisation de lanceur multiétage en un problème de coordination des optimi-sations de chacun des étages, plus facile à résoudre. La méthode SWORD a été comparée à la méthode MDO classique (Multi Discipline Feasible) dans le cas d’une optimisation globale d’un lanceur tri-étage. Les résultats montrent que la méthode SWORD permet d’améliorer l’efficacité du processus d’optimisation, tant au niveau de la vitesse de recherche de l’espace de solutions faisables que de la qualité de l’optimum trouvé en temps de calcul limité. Afin d’améliorer la vitesse de convergence de la méthode tout en ne requérant pas de connaissance a priori de l’utilisateur au niveau de l’initialisation et l’espace de recherche, une stratégie d’optimisation dédiée à la méthode SWORD a été développée.

Optimal design of launch vehicles is a complex multidisciplinary design optimization (MDO) problem that has the distinctive feature of integrating a trajectory optimization which is very constrained, difficult to solve and highly coupled with all the other disciplines involved in the design process (e. G. Propulsion, aerodynamics, structure, etc. ). This PhD thesis is focused on the methods which allow to adequately integrate the optimal control law calculation into the design variable optimization process. A new method, called “Stage-Wise decomposi-tion for Optimal Rocket Design” (SWORD), has been proposed. This method splits up the design process into the different flight phases and transforms the multistage launch vehicle optimization problem into the coordination of the optimizations of each of the stages, which are easier to solve. The SWORD method has been compared to the classical MDO method (Multi Discipline Feasible) in the case of the global optimization of a three-stage-to-orbit launch vehicle. The results show that the SWORD method allows to improve the efficiency of the optimization process concerning the feasible solution space search velocity and the quality of the optimum obtained in a limited calculation time. Moreover, an optimization strategy dedicated to the SWORD method has been developed. It allows to improve the convergence velocity of the method without requiring any a priori knowledge from the user with regard to the initialization and the search space