CASSIOPEE, SIMULATEUR DE TRAJECTOIRE DE VOL DE FUSEE

CASSIOPEE, SIMULATEUR DE TRAJECTOIRE DE
VOL DE FUSEE A 6 DEGRES DE LIBERTE
Paul SAUMET, M2 Modélisation CSA, Université Rennes 1, 11/09/2015
Encadrants : Loïc le Marrec (IRMAR), Cédric Dupont (Bertin Technologies) et Sophie Missonnier
(Bertin Technologies)
La fusée SERA-1
Contexte et Objectifs du Stage :
L’objectif du stage est de développer en C++ un simulateur de trajectoire d’une
fusée prenant en compte ses 6 degrés de liberté (trois translations et trois
rotations). Ce stage est proposé dans le cadre du projet PERSEUS du CNES
(Projet Etudiant de Recherche Spatial Européen Universitaire et Scientifique
(www.perseus.fr)), projet étudiant de recherches en rapport avec l’aérospatiale.
Ce simulateur est destiné à être utilisé par les différentes équipes étudiantes du
projet PERSEUS. Cassiopée est basé sur un simulateur à 3 degrés de liberté déjà
existant : Andromède.
Définition du Système et Equations :
Forces extérieures
Le simulateur résous les principes fondamentaux de la dynamique au cours
du vol de la fusée. Celle-ci est un système ouvert dont la masse varie au cours
du temps (éjection du gaz). La fusée est soumise à trois forces extérieures :
son poids (P), la poussée (T) et les efforts aérodynamiques : trainée (D) et
portance (L). Le vent météorologique que subie la fusée est également pris en
compte. Ces forces entrainent un couplage entre les différents degrés de
liberté du système, qui est non linéaire et varie au cours du temps. Le
simulateur calcule les valeurs des forces et de leurs moments, en fonction de
la géométrie de la fusée et de l’état du système (position, vitesse…), il utilise
pour cela différents modèles physiques (de gravité, d’atmosphère, de vent…).
Quaternions :
Les quaternions sont utilisés par le simulateur pour représenter les rotations dans l’espace usuel. Ils
permettent d’éviter les blocages de Cardan en cas de tir vertical, qu’on obtient lorsque l’on utilise les
angles d’Euler. Un module utilisant les quaternions a été développé à partir d’une bibliothèque
externe : boost.
Implémentation :
Cassiopée a été réalisé en C++, environ 18 000 lignes de codes ont été modifiées ou ajoutées au code
d’Andromède. L’équation différentielle est résolue par une méthode numérique de Runge-Kutta
d’ordre 4 avec pas adaptatif et une gestion intégrée des événements pouvant survenir au cours du
vol (largage d’étage, fin de combustion, mise en orbite…). L’architecture a été modifiée pour
regrouper les modules communs aux deux simulateurs. Un système de gestion d’erreurs est inclus
pour guider l’utilisateur. Le logiciel s’accompagne d’une documentation complète (dossier de
modélisation, de définition et de validation) et d’un manuel utilisateur.
Validation :
Plusieurs cas de validations ont été
réalisés :
-Une comparaison avec un autre
simulateur 6DDL : OpenRocket avec un
test sur une fusée subsonique
Andromède
Cassiopée
OpenRocket
-Une comparaison avec les données
expérimentales obtenues après le vol de
la fusée SERA-1, une fusée supersonique
lancée par le projet Perseus l’été dernier.
Conclusion et Perspectives :
L’objectif principal du stage a été réalisé : Cassiopée
fonctionne et a été validé sur des cas tests. Une
première version du logiciel est disponible et
pourra être utilisée par les groupes d’étudiants
Quelques axes d’amélioration du logiciel :
-Amélioration du modèle de calcul des forces
aérodynamiques, au niveau du culot et des ailerons notamment
-Ajout des effets de turbulences dans la modélisation du vent
-Couplage avec le module de Post-Traitement des données expérimentales développé au sein du
projet Perseus