Modélisation de la trajectoire d'un projectile gyrostabilisé muni d'un dispositif de contrôle

Modelling of the trajectory of a spin-tabilized projectile equipped with a control device

• Auteur / Autrice : Guillaume Arnoult
• Direction : Eric Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 18/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Tenaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Sagaut, Paola Cinnella, Angelo Iollo, Mickael Zeidler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Sagaut, Paola Cinnella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Aérodynamique

Stabilité

Projectiles

Mots clés libres

Projectile gyrostabilisé

Mécanique du vol

Optimisation basée sur des méta-modèles

Aérodynamique

Kriging et cokriging

Réseaux de neurones

Spin-Stabilized Projectile

Flight Mechanics

Surrogate-Based optimization

Aerodynamics

Kriging and cokriging

Neural nextworks

Résumé

L’intensification des combats en milieu urbains pousse les industriels de l’armement terrestre à développer des systèmes d’armes intégrant des dispositifs de correction de trajectoire. Le déploiement de tels dispositifs au cours du vol d’un projectile d’artillerie doit permettre de réduire l’erreur de dispersion afin de limiter au maximum les risques de dommages collatéraux. L’enjeu réside ici dans le développement d’un dispositif adapté aux conditions de vol d’un projectile gyrostabilisé. Un spoiler isolé, supposé monté sur une bague libre en rotation, est identifié comme le moyen de contrôle le plus adapté. L’objet de ces travaux consiste à développer un algorithme d’optimisation des caractéristiques géométriques d’un tel dispositif et de démontrer qu’il possède l’autorité suffisante pour générer une modification de la portée ainsi que de la déviation latérale du projectile. D’une part un réseau de neurones modélise les variations des coefficients aérodynamiques du spoiler à partir de résultats de simulations RANS. D’autre part, la modélisation par kriging des fonctions objectifs et contraintes tire avantage de l’estimation de l’erreur de modélisation. Ceci permet de définir des critères d’enrichissement assurant un compromis entre exploration et exploitation du domaine défini par l’ensemble des paramètres géométriques. L’application de l’algorithme d’optimisation au dimensionnement du spoiler a permis d’identifier une configuration géométrique optimale satisfaisant les objectifs de l’étude en termes de correction de trajectoire. Des simulations ZDES sur cette configuration particulière ont été réalisées dans le but de constituer un niveau de fidélité supérieur aux évaluations RANS des coefficients aérodynamiques. Elles donnent également lieu à une caractérisation physique des modifications de l’écoulement de culot engendrées par la présence du spoiler. Une campagne d’essais en soufflerie permet de valider la démarche méthodologique développée dans ces travaux et ouvre des perspectives pour de futurs travaux concernant l’inclusion de données expérimentales dans une base de données numérique dans le cadre de méta-modèles multi-niveaux de fidélité.

The intensification of urban combat encourages the industrials of terrestrial armament to develop new weapon systems equipped with trajectory modification devices. Deploying these devices during the projectile flight would allow reducing the scattering error in order to narrow the collateral damage. The challenge lies in the development of a device adapted to the flight conditions of a spin-stabilized projectile. An isolated spoiler, installed on a rotatable ring, is chosen as the most adapted control device. This work consists in developing an optimization algorithm for the geometrical parameters of the spoiler and to demonstrate that it is possible to modify concurrently the range and lateral deviation of the projectile. On one hand a neural network model the variations of the aerodynamic coefficients from RANS calculations. On the other hand, the kriging modeling of the objective and constraint functions benefits from the estimation of the modeling error. This allows defining enrichment criteria ensuring a tradeoff between exploration and exploitation of the geometrical domain. The optimization of the spoiler geometrical parameters leads to the identification of an optimal configuration able to achieve the course corrections abilities targeted. ZDES simulations on this particular configuration have been achieved to form a new fidelity level in addition to the RANS evaluations of the aerodynamic coefficients. These simulations lead to a physical characterization of modifications of the boat-tail flow induced by the presence of the spoiler. A wind tunnel campaign provides a validation step to the optimization methodology developed and offers promising perspectives for future work in terms of experimental data inclusion in a numerical database through multi-level surrogate modeling.