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Fiche détaillée Thèses
Ecole Centrale de Nantes (03/11/2011), Philippe Dépincé (Dir.)
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Manuscrit_These_Balesdent_2011.pdf(2 MB)
Optimisation multidisciplinaire de lanceurs
Mathieu Balesdent1, 2, 3

La conception de lanceurs est un problème d'optimisation multidisciplinaire (MDO) complexe qui a la particularité d'intégrer une optimisation de trajectoire très contrainte, difficile à résoudre et fortement couplée à toutes les autres disciplines entrant en jeu dans le processus de conception (e.g. propulsion, aérodynamique, structure, etc.). Cette thèse s'intéresse aux méthodes permettant d'intégrer judicieusement l'optimisation de la trajectoire au sein du processus d'optimisation des variables de conception. Une nouvelle méthode, appelée "Stage-Wise decomposition for Optimal Rocket Design" (SWORD), a été proposée. Celle-ci décompose le processus de conception suivant les différentes phases de vol et transforme le problème d'optimisation de lanceur multiétage en un problème de coordination des optimisations de chacun des étages, plus facile à résoudre. La méthode SWORD a été comparée à la méthode MDO classique (Multi Discipline Feasible) dans le cas d'une optimisation globale d'un lanceur tri-étage. Les résultats montrent que la méthode SWORD permet d'améliorer l'efficacité du processus d'optimisation, tant au niveau de la vitesse de recherche de l'espace de solutions faisables que de la qualité de l'optimum trouvé en temps de calcul limité. Afin d'améliorer la vitesse de convergence de la méthode tout en ne requérant pas de connaissance a priori de l'utilisateur au niveau de l'initialisation et l'espace de recherche, une stratégie d'optimisation dédiée à la méthode SWORD a été développée.
1 :  IRCCyN - Institut de Recherche en Communications et en Cybernétique de Nantes
2 :  Chatillon - Onera - The French Aerospace Lab
3 :  Centre National d'Etudes Spatiales
Optimisation multidisciplinaire – Conception de lanceurs – MDO – Commande optimale – Optimisation multiniveau – Méthodes de décomposition

Multidisciplinary Design Optimization of Launch Vehicles
Optimal design of launch vehicles is a complex multidisciplinary design optimization (MDO) problem that has the distinctive feature of integrating a trajectory optimization which is very constrained, difficult to solve and highly coupled with all the other disciplines involved in the design process (e.g. propulsion, aerodynamics, structure, etc.). This PhD thesis is focused on the methods which allow to adequately integrate the optimal control law calculation into the design variable optimization process. A new method, called "Stage-Wise decomposition for Optimal Rocket Design" (SWORD), has been proposed. This method splits up the design process into the different flight phases and transforms the multistage launch vehicle optimization problem into the coordination of the optimizations of each of the stages, which are easier to solve. The SWORD method has been compared to the classical MDO method (Multi Discipline Feasible) in the case of the global optimization of a three-stage-to-orbit launch vehicle. The results show that the SWORD method allows to improve the efficiency of the optimization process concerning the feasible solution space search velocity and the quality of the optimum obtained in a limited calculation time. Moreover, an optimization strategy dedicated to the SWORD method has been developed. It allows to improve the convergence velocity of the method without requiring any a priori knowledge from the user with regard to the initialization and the search space.
Multidisciplinary Design Optimization – Launch Vehicle Design – MDO – Optimal control – Multi-level optimization – Decomposition methods

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