The design of complex systems such as a launcher, or subsystems like its pressurization system, is known to be fastidious and expensive especially in the space domain. However, the recent emergence of new actors in this domain has been a game changer, binding these systems to fulfil more and more requirements (cheap, efficient, rapidly produced, aesthetic, environmentally friendly…) in order to compete with the market. For these reasons, engineers now need more than ever to consider the full picture of a system or subsystem in order to optimize it. In this context, this document aims to present the method and the results obtained in the optimization of the pressurization system of a reusable rocket first stage named Themis 3. The modelling of the pressurization system has been realized through a software called Geeglee. In order to cover as many impacts of this system as possible, an important part of the rocket stage has been considered and modelled (from the pressurization gases to the propellant tanks, passing by the pressurant and propellant feeding lines). Three High Level Requirements (HLR) have been identified as of major importance for the trade-off in the design of the pressurization system: the total mass impact, the total Recursive Cost (RC) impact and the total Non-Recursive Cost (NRC) impact. This optimization has in particular permitted to confirm some well-known results, so to say that exogenous pressurization systems represent a smaller mass impact on the vehicle, at the expense of a higher RC compared with autogenous systems. / Utformningen av komplexa system, som till exempel en bärraket, eller delsystem som dess trycksättningssystem, är känd för att vara krävande och kostsam, särskilt inom rymdteknikområdet. Den senaste tidens uppkomst av nya aktörer på detta område har dock förändrat spelregler då dessa system tvingas uppfylla allt fler krav (billiga, effektiva, snabbt producerade, estetiska, miljövänliga etc.) kunna vara konkurrenskraftiga på marknaden. Av dessa skäl måste ingenjörer nu mer än någonsin beakta hela bilden av ett system eller delsystem för att kunna optimera det. I detta sammanhang syftar detta dokument till att presentera metoden och resultaten från optimeringen av trycksättningssystemet för en återanvändbar rakets första steg som heter Themis 3. Modelleringen av trycksättningssystemet har genomförts med hjälp av ett systemmodelleringsverktyg som kallas Geeglee. För att täcka in så många effekter av detta system som möjligt har en viktig del av raketsteget beaktats och modellerats (från trycksättningsgaserna till drivmedelstankarna, via tryck- och drivmedelsmatningsledningarna). Tre krav på hög nivå har identifierats som mycket viktiga för avvägningen vid utformningen av trycksättningssystem konstruktion: den totala masspåverkan, den totala icke-rekursiva kostnaden och den totala rekursiva kostnaden. Denna optimering har framför allt gjort det möjligt att bekräfta vissa välkända resultat, dvs. att exogena trycksättningssystem ger en mindre masspåverkan på fordonet, på bekostnad av en högre RC jämfört med autogena system.

Rocket Factory Augsburg (RFA) a German New Space Startup is developing a three-stage rocket launcher aiming at LEO/SSO orbits. A fundamental responsibility of the GNC team is the development of the rocket navigation algorithm to estimate the attitude, position, and velocity allowing the guidance and control loops to autonomously steer the rocket. This thesis focuses on the analysis and design of a Hybrid Navigation system able to satisfy the various necessities of a launch vehicle, such as delay compensation and GNSS outages. The navigation architecture was chosen to be a Closed Loop, Loosely Coupled, Delayed Error State Kalman Filter thanks to the proven capability of COTS receivers to autonomously provide a consistent PVT solution throughout the flight. A preliminary analysis used a reference trajectory to evaluate the effect of the sensor grade on inertial performances and choose an appropriate integration scheme. The filter’s system model was explored using approximate analytical results on observability. The developed navigation module was then tested within a Monte Carlo simulation environment by perturbating the sensor parameter in accordance with the sensor datasheet. As a further verification, the modeled IMU output was compared to the engineering model, to assure that the simulation result would yield conservative errors. Due to concern over the visibility of GNSS satellites during flight, a simplified Almanac-based GPS model has been developed, proving that enough satellite visibility is available along the trajectory. The estimation error was compared with the filter’s estimated covariance and found well within the bounds. Through the study of the covariance evolution, it was determined that given the reference dynamics, the sensor misalignments are the least observable states. Realistic signal outages were introduced in the most critical flight intervals. The filter was indeed found to be robust and the tuning proved to be adequate to capture the dead reckoning drift. Finally, the entire navigation module was deployed onto the avionics engineering model, including the flight computer, IMU, GNSS, and antennas, in a configuration equivalent to flight. The navigation module was then tested to ensure that the execution was in performance under severe multipath errors and prolonged GNSS outages with the covariance estimates correctly covering the uncertainty. / Rocket Factory Augsburg (RFA), ett tyskt nystartat rymdföretag, utvecklar en trestegsraket som siktar på LEO/SSO-banor. Ett grundläggande ansvar för GNC-teamet är utvecklingen av raketnavigationsalgoritmen för att uppskatta attityd, position och hastighet så att styr- och kontrollslingorna kan styra raketen autonomt. Avhandlingen fokuserar på analys och design av ett hybridnavigeringssystem som kan uppfylla de olika krav som ställs på en bärraket, såsom kompensation för fördröjningar och GNSS-avbrott. Navigationsarkitekturen valdes att vara ett Closed Loop, Loosely Coupled, Delayed Error State Kalman Filter tack vare den bevisade förmågan hos COTS-mottagare att autonomt tillhandahålla en konsekvent PVT-lösning under hela flygningen. En preliminär analys använde en referensbana för att utvärdera effekten av sensorkvaliteten på tröghetsprestanda och välja ett lämpligt integrationsschema. Filtrets systemmodell undersöktes med hjälp av approximativa analytiska resultat om observerbarhet. Den utvecklade navigeringsmodulen testades sedan i en Monte Carlo-simuleringsmiljö genom att störa sensorparametern i enlighet med sensorns datablad. Som en ytterligare verifiering jämfördes den modellerade IMU-utgången med den tekniska modellen, för att säkerställa att simuleringsresultatet skulle ge konservativa fel. På grund av oro över GNSS-satelliternas synlighet under flygning har en förenklad Almanac-baserad GPS-modell utvecklats, som bevisar att tillräcklig satellitsikt finns tillgänglig längs banan. Uppskattningsfelet jämfördes med filtrets uppskattade kovarians och låg väl inom gränserna. Genom att studera kovariansutvecklingen fastställdes det att givet referensdynamiken är sensorernas feljusteringar de minst observerbara tillstånden. Realistiska signalavbrott infördes i de mest kritiska flygintervallen. Filtret visade sig verkligen vara robust och inställningen visade sig vara tillräcklig för att fånga upp dödberäkningens drift. Slutligen installerades hela navigeringsmodulen på den flygtekniska modellen, inklusive flygdator, IMU, GNSS och antenner, i en konfiguration som motsvarar en flygning. Navigationsmodulen testades sedan för att säkerställa att utförandet var i prestanda under allvarliga multipath-fel och långvariga GNSS-avbrott med kovariansuppskattningarna som korrekt täcker osäkerheten.

The 2010's have seen many changes happening in the launcher world: private players have emerged increasing competition for the traditional launch operators and the development of reusable launcher allowing a decrease in launch cost. The satellite market has also evolved with the appearance of nano-satellites and the development of satellite constellations. ArianeWorks is a joint initiative between CNES and ArianeGroup aiming at accelerating European innovation in the launcher field. Within this framework, Themis, a reusable first stage demonstrator, is currently built and tested. This thesis presents the evaluation of a mini-launcher that would use a derivative of Themis as a first stage. To do so, a set of software tools has been developed and evaluated. These tools make it possible to evaluate various launcher architectures, and to carry out system loops in order to refine the design choices and associated performances. The first results of design and performance from the tools are also presented. / Under 2010-talet har många förändringar skett i bärraketvärlden: privata aktörer har dykt upp och ökad konkurrensen för de traditionella operatörerna. Utvecklingen av återanvändbara bärraketer möjliggör en minskning av uppskjutningskostnaden. Satellitmarknaden har också utvecklats med uppkomsten av nanosatelliter och utvecklingen av satellitkonstellationer. ArianeWorks är ett gemensamt initiativ mellan CNES och ArianeGroup som syftar till att påskynda europeisk innovation inom bärraketområdet. Inom detta ramverk byggs och testas för närvarande Themis, en återanvändbar demonstrator för ett första raketsteg. Den här uppsatsen presenterar utvärderingen av en ministartare som använder en del av Themis. Inom detta arbetet har en uppsättning mjukvaruverktyg utvecklats och utvärderats. Dessa verktyg gör det möjligt att utvärdera olika bärraketutformningar och utföra systemloopar för att förfina utformningsval och tillhörande prestanda. De första resultaten av utformningen och prestandan presenteras.