Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Le travail de recherche présenté dans ce mémoire vise à étudier l'impact de la flexibilité de la corde sur l'aérodynamique d'ailes oscillantes en régime de propulsion à bas Reynolds pour une application de nano-véhicules aériens et pour ce faire, de développer un outil de modélisation aéroélastique approprié. L'idée de base de ce projet est de considérer une flexibilité discrète avec une aile articulée composée de segments rigides reliés entre eux par des joints torsionnels élastiques. Une telle approche de flexibilité discrète implique la résolution de la dynamique des corps rigides couplée à la résolution d'un écoulement de fluide incompressible. La méthode des particules lagrangiennes vortex est utilisée pour résoudre l'écoulement autour de ces multiples corps rigides en mouvement arbitraire. Le couplage fluide-structure im-plémenté permet de prendre en considération iV segments rigides dont la dynamique est gouvernée à la fois par un mouvement imposé sur l'un d'eux, par les forces aérodynamiques générées par l'écoulement à chaque instant et par les forces élastiques des joints unissant les segments entre eux. L'ajout d'une boucle de sous-itérations supplémentaire dans la méthode vortex a été nécessaire pour doter cette interaction fluide-structure (FSI) d'un couplage "fort". La mise au point d'un tel outil a permis d'étudier l'impact de divers paramètres de flexibilité discrète sur la propulsion à aile oscillante à bas nombre de Reynolds. On constate qu'il est possible d'augmenter les performances d'une aile oscillante en propulsion (soit en poussée ou soit en rendement énergétique) en modifiant la position et la rigidité des articulations élastiques ou le ratio de densité des corps solides par rapport au fluide. Ce travail ouvre donc la voie à l'optimisation de la distribution de flexibilité le long de la corde pour les applications aérodynamiques à faibles nombres de Reynolds.

Les travaux de thèse traitent du problème de la planification de manœuvres pour le maintien à poste de satellites géostationnaires équipés de tuyères électriques (à poussée faible). Nous évaluons l'opportunité de substituer une telle planification à celle traditionnellement utilisée pour les satellites géostationnaires équipés de tuyères chimiques (à poussée forte). <br />Dès son apparition, la technologie des systèmes de propulsion à poussée faible a rencontré un vif intérêt auprès des agences et des sociétés spatiales. Grâce à sa haute impulsion spécifique (qui implique une basse consommation de carburant), cette technologie est devenue très compétitive par rapport à la technologie traditionnelle des propulseurs chimiques à poussée forte, surtout dans les phases de transfert et rendez-vous des missions spatiales. <br />Pendant la définition des missions à poussée faible, les analyses de faisabilité des phases de transfert et rendez-vous (via la solution de problèmes d'optimisation de trajectoire) ont été réalisées avec des solutions d'optimisation alternatives. En effet, pendant ces phases, il est nécessaire d'activer les systèmes de propulsion à faible poussée sur des longues portions du temps de transfert.<br />Par conséquent, les problèmes d'optimisation de trajectoire à poussée forte (typiquement formulés en temps discret) ont été remplacés par des problèmes d'optimisation de trajectoire à poussée faible formulés en temps continu et résolus par des techniques de contrôle en temps continu.<br />Le premier objectif de cette thèse est de comprendre quel est l'impact de la technologie à faible poussée lors de l'analyse de faisabilité de la phase de maintien à poste de satellites géostationnaires. Nous étudions en particulier l'impact de l'utilisation des systèmes de propulsion à faible poussée sur la planification de manœuvres et sur la boucle entière de maintien à poste géostationnaire.<br />L'étude consiste à déduire si la planification de manœuvres à poussée faible est compétitive au regard des stratégies classiques de planification couramment employées pour des manœuvres à poussée forte.<br />Généralement, les stratégies classiques à long terme pour le maintien à poste sont déduites de modèles de propagation d'orbite simplifiés (en fonctions des paramètres orbitaux moyennés) par la conjonction des trois facteurs suivants : la forte poussée des propulseurs, la dimension de la fenêtre de maintien à poste pas très contraignante ainsi que la possibilité d'exécuter des manœuvres à basse fréquence.<br />Dans le cadre de cette thèse, compte tenu du faible niveau des poussées et des contraintes strictes en position (fenêtres de maintien à poste petites), nous considérons comme plus appropriés l'hypothèse d'une plus haute fréquence de manœuvres et l'utilisation d'un modèle de propagation d'orbite en fonction de paramètres osculateurs.<br />Pour la planification de manœuvres, nous proposons une solution par approche directe : le problème de maintien à poste en tant que problème de contrôle optimal est discrétisé et traduit en un problème d'optimisation paramétrique. Deux techniques différentes d'optimisation sont proposées : l'optimisation sous contraintes à horizon fixe et celle à horizon glissant.<br />Cette deuxième technique est appliquée aux équations linéarisées du mouvement préalablement transformées via un changement de variable à la Lyapunov sur l'état des déviations des paramètres équinoxiaux osculateurs. Cette transformation de Lyapunov définit des nouveaux paramètres orbitaux. Elle rend le processus de planification plus compréhensible du point de vue du contrôle et plus facile à implémenter d'un point de vue numérique, grâce aux concepts de platitude et inclusion différentielles.<br />Les résultats de la planification de manœuvres à poussée faible sont obtenus dans un premier temps en fonction des changements de vitesse, dans un deuxième temps en fonction des forces engendrées par les tuyères des systèmes de propulsion classiques. Le but est de déterminer la solution la plus efficace en conditions nominales et en cas de panne d'un des propulseurs.<br />Le problème du positionnement simultané de plusieurs satellites dans une même grande fenêtre de maintien à poste n'est pas adressé explicitement. Il est implicitement résolu en proposant une technique fine de contrôle pour maintenir chaque satellite à poste dans une fenêtre de dimension très petite.

This thesis deals with the experimental and numerical analysis of the water hammer phenomenon generated by the discharge of a pressurized liquid into a pipeline kept under vacuum conditions. This flow configuration induces several multiphase phenomena such as cavitation and gas desorption that cannot be ignored in the water hammer behavior.<p><p>The motivation of this research work comes from the liquid propulsion systems used in spacecrafts, which can undergo fluid hammer effects threatening the system integrity. Fluid hammer can be particularly adverse during the priming phase, which involves the fast opening of an isolation valve to fill the system with liquid propellant. Due to the initial vacuum conditions in the pipeline system, the water hammer taking place during priming may involve multiphase phenomena, such as cavitation and desorption of a non-<p>condensable gas, which may affect the pressure surges produced in the lines. Even though this flow behavior is known, only few studies model the spacecraft hardware configuration, and a proper characterization of the two-phase flow is still missing. The creation of a reliable database and the physical understanding of the water hammer behavior in propulsion systems are mandatory to improve the physical models implemented in the numerical codes used to simulate this flow configuration.<p><p>For that purpose, an experimental facility modeling a spacecraft propulsion system has been designed, in which the physical phenomena taking place during priming are generated under controlled conditions in the laboratory using inert fluids. An extended experimental campaign was performed on the installation, aiming at analyzing the effect of various working parameters on the fluid hammer behavior, such as the initial pressure in the line, liquid saturation with the pressurant gas, liquid properties and pipe configuration. The influence of the desorbed gas during water hammer occurrence is found to have a great importance on the whole process, due to the added compressibility and lower speed of sound by an increasing amount of non-condensable gas in the liquid + gas mixture. This results in lower pressure levels and faster pressure peaks attenuation, compared to fluids without desorption. The two-phase flow was characterized by means of flow visualization of the liquid front at the location where the fluid hammer is generated. The front arrival was found to be preceded by a foamy mixture of liquid, vapor and non-condensable gas, and the pressure wave reflected at the tank may induce the liquid column separation at the bottom end. While column separation takes place, the successive pressure peaks are generated by the impact of the column back against the bottom end.<p><p>The resulting experimental database is then confronted to the predictions of the 1D numerical code EcosimPro/ESPSS used to assess the propulsion system designs. Simulations are performed with the flow configuration described before, modeling the experimental facility. The comparison of the numerical results against the experimental data shows that aspects such as speed of sound computation with a dissolved gas and friction modeling need to be improved. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished