Optimisation conjointe de l'aérodynamique et de la commande d'un projectile guidé en soufflerie

Concurrent optimization of guided projectile aerodynamics and control in wind tunnel

• Auteur / Autrice : Valentin Riss
• Direction : Edouard Laroche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 29/09/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Basset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edouard Laroche, Gabriela Iuliana Bara, Emmanuel Roussel, Guillaume Strub
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Alazard, Jean-Marc Moschetta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais en soufflerie aérodynamique

Projectiles

Aérodynamique

Commande robuste

Mots clés libres

Commande robuste

Co-design

Identification paramétrique

Modélisation non-linéaire

Essais en soufflerie

Banc Hardware-in-the-loop

Robust control

Plant-controller optimization

System identification

Non-linear modeling

Experimental aerodynamics

Hardware-in-the-loop testing

Résumé

Les projectiles guidés offrent une portée et une précision accrue par rapport aux obus classiques. Certains nouveaux concepts nécessitent d’être commandés sur une plage d’incidence étendue malgré l’émergence de phénomènes non-linéaires dégradant l’efficacité des gouvernes. Dans le cadre de ces travaux, un environnement d’optimisation multidisciplinaire basé sur un banc Hardware-in-the-loop est développé afin d’améliorer la manœuvrabilité des projectiles guidés. Un jeu de modèles linéaires et non-linéaires de la dynamique en tangage du projectile permet de capturer la dépendance paramétrique à la position de l’empennage et l’effet du décrochage des canards afin d’optimiser conjointement la stabilité aérodynamique du projectile et des gains de son correcteur. Les résultats expérimentaux confirment la performance du projectile optimisé et la fidélité de son modèle non-linéaire. Cette nouvelle méthodologie de conception améliore significativement la manœuvrabilité du projectile guidé sans altérer le dimensionnement de ses actionneurs et ses gouvernes.

Guided projectiles offer increased range and accuracy compared to classical artillery shells, but new concepts require control over a large range of angles of attack in spite of non-linear aerodynamic phenomena affecting their control surfaces. In this thesis, the issue of maneuverability improvement of guided projectiles is tackled with a multidisciplinary optimization framework supported by a Hardware-in-the-loop experimental setup. A set of linear and non-linear models of the projectile pitch dynamics has been developed to capture the parametric dependency to fins position and the effects of canard stall, enabling simultaneous optimization of the projectile aerodynamic stability and controller gains. Experimental results confirm the performance of the optimal projectile design and the fidelity of the non-linear model. This new design methodology allows to significantly improve guided projectile maneuverability without upsizing its control and actuation system.