Modélisation et compensation des ballottements d’ergols pour l’amélioration du contrôle d’attitude des engins spatiaux (Modeling and control of sloshing dynamics for spacecraft attitude controller enhancement) Bourdelle, Anthony 2021-09-28 Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace

Directeur(s) de thèse:  Biannic, Jean-Marc; Burlion, Laurent Laboratoire :  Département Commande des Systèmes et Dynamique du vol -DCSD (depuis 1997) Ecole doctorale :  Systèmes -EdSys Classification : Informatique

Accès :  Texte intégral Mots-clés : Satellites, Ballottement, Systèmes LPV, Commande robuste, Modélisation, Observateur Résumé :  Le mouvement des ergols au sein des réservoirs, appelé ballottement, est à l’origine d’efforts perturbateurs qui nécessitent une attention particulière lors de la conception d’une mission ; ceci afin de ne pas entraîner de dégradation des performances en précision et stabilité de pointage, voire pour prévenir l’instabilité dans les pires cas. Après avoir présenté et analysé les méthodes habituelles pour l’atténuation des effets de ce phénomène, nous proposons une nouvelle solution méthodologique à la compensation des ballottements d’ergols pour l’amélioration du contrôle d’attitude des engins spatiaux. Nous développons alors une modélisation innovante du ballottement sous la forme de système LPV incertain dont l’identification repose sur des données de Mécanique des Fluides Numériques. En s’appuyant sur ce modèle nous élaborons une stratégie de pré-compensation basée sur un observateur LPV robuste dont la synthèse est effectuée via des techniques de synthèse H1 multi-modèles et par résolution de LMI. Les limites en couple et en moment cinétique des actionneurs sont ensuite prises en compte par l’implémentation alternative d’un filtre Direct Linear Anti-Windup statique et d’un Reference Governor. Lorsque le système est asservi par un contrôleur d’attitude pré-existant et satisfaisant hors-ballottement, notre stratégie de compensation est calculée indépendamment du contrôleur, s’interconnecte facilement avec le système et rétablit ses performances nominales en dépit du mouvement des ergols. L’ensemble de cette stratégie est rigoureusement testée et analysée sur un modèle de satellite test. Les résultats suggèrent qu’une telle modification du système de contrôle d’attitude permet une atténuation efficace des effets délétères du ballottement et pourrait contribuer à réduire la complexité et la masse des réservoirs, et à améliorer la disponibilité des missions spatiales Résumé (anglais) :  The movement of propellants within tanks, called sloshing, results in disturbing efforts that must be carefully taken into account during the design of space missions in order to prevent the degradation of pointing accuracy and stability performances, and even instability in worst cases. After presenting and analysing the usuals methods for the mitigation of this phenomenon, we propose a new solution for the compensation of propellant sloshing for spacecraft attitude control enhancement. We then develop an innovative model of sloshing as an uncertain LPV system whose identification is based on Computational Fluid Dynamics data. From this model we propose a pre-compensation strategy using a robust LPV observer designed with both multi-model H1 synthesis techniques and resolution of LMI. The actuators limits in torque and angular momentum are taken into account by alternatively implementing a static Direct Linear Anti-Windup filter and a Reference Governor. When the system is controlled by a pre-existing attitude controller satisfying in the absence of sloshing, our compensation strategy is computed independently of the controller, interconnects easily with the system and restores its nominal performances despite slohing. The entire strategy is rigorously tested and analysed on a satellite test model. The results suggest that such a modification of the attitude control system provides effective mitigation of the detrimental effects of sloshing and could contribute to reducing the complexity and mass spacecraft tanks, and improving the availability of space missions. Langue : Français

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