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DCAS

Design and Operation of Aerospace Vehicles Department (DCAS)

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At ISAE-SUPAERO, the Design and Operation of Aerospace Vehicles Department (DCAS) develops methods, simulation tools and experimental platforms for the design and operation of aerospace vehicles.

Notre département de recherche

Le Département Conception et Conduite des véhicules Aéronautiques et Spatiaux (DCAS) développe des activités de formation et de recherche pour répondre à des enjeux scientifiques sur le transport aérien de demain et les futurs systèmes spatiaux. Il mène des recherches de pointe et développe des technologies avancées, allant des interactions hommes-machines à la conception multidisciplinaire intégrée des aéronefs ou de concepts spatiaux avancés en passant par la commande de systèmes et les lois de pilotage.

Ses travaux de recherche intègrent des dimensions environnementales et sociaux-économiques tels que la réduction des impacts environnementaux (consommation, bruit, émissions), l’optimisation de la durée du cycle de conception et des coûts opérationnels, l’augmentation de la sécurité des systèmes aérospatiaux et l’amélioration de l’efficacité des systèmes hommes-machines.

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personnels permanents

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doctorants, posts-doctorants et ingénieurs

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avions

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Valérie Budinger

Au DCAS, nous concevons les systèmes aérospatiaux du futur en intégrant performance, durabilité et sécurité. Nos recherches allient technologies avancées, intelligence des systèmes et responsabilité environnementale pour réinventer le transport aérien et spatial.

Valérie Budinger Cheffe du département

Nos activités de recherche

Le DCAS est structuré en 4 groupes scientifiques :

  • Décision et Commande (DC) : modèles de comportement dynamique et opérationnel, synthèse de lois de commande et d’algorithmes de décision séquentielle
  • Conception des véhicules aéronautiques et dynamique du vol (CADV) : conception avion, dynamique du vol, opération et certification des aéronefs, transport aérien durable
  • Conception des systèmes spatiaux (CSS) : systèmes orbitaux, analyse de mission, conception et optimisation de systèmes spatiaux, exploration spatiale et accès à l’espace
  • Humains, systèmes et interactions (HSI) : suivi et optimisation des performances humaines dans des contextes d’interaction avec des environnements naturels ou technologiques

Ils travaillent de manière collaborative sur les 3 thèmes interdisciplinaires suivants :

Les objectifs de ce thème sont de mener des travaux de recherche sur l’identification et le contrôle de situations de vols dégradées :

  • avion/drone : cas de vols critiques (ex : sortie de domaine de vol, incohérence de paramètres/pannes complexes, défaillances de sous-systèmes),
  • équipage/opérateur : états cognitifs limites (ex : tunnélisation attentionnelle, persévération, fatigue),
  • garantir des performances de contrôle indépendantes des incertitudes et des variations paramétriques.
  • définitions de processus de conduite « intelligent » et de supervision optimisant la sécurité des vols.
  • développer un système de contrôle et de conduite adaptatif robuste aux défaillances.

À l’aide de nombreux moyens mis à disposition par le département -simulateurs DCAS, plateformes volantes (TB20, …), Neuroergo-lab, volière "indoor"- ce thème permet au DCAS d’innover dans le domaine des facteurs humains (avec le développement de cockpits adaptatifs) et de l’automatique/décision : lois “Fail safe”, système de conduite auto-reconfigurable aux défaillances des sous-systèmes.

À travers différents domaines tels que la mécanique du vol, la conception d’un avion (modélisation multiphysique et multidomaine), et l’automatique, ce thème a pour objectif : la définition des méthodes et des algorithmes de conception intégrée optimale, de modèles aérodynamiques, structure, propulsion, modèles environnement, etc., et l’étude des couplages forts et faibles entre modèles.

Les moyens qui se développent comme l’atelier de conception Multidisciplinary Design Analysis and Optimization (MDAO) ou le démonstrateur de vol permettent d’innover : application à la conception d’aile volante BWB, à la propulsion distribuée et à la conception d’aéronefs à grand allongement, application à la conception de sous-systèmes (systèmes de dégivrage électriques, démonstrateurs), mise en place d’un atelier complet de Modélisation, Simulation et Analyse Multi domaine sous le framework OpenMDAO.

La gestion des débris spatiaux, les missions autonomes vers les astéroïdes sont autant d’enjeux visés par ce thème qui a pour objectif l’étude de concepts futurs typiquement possibles à un horizon de 15 ans ou plus comme par exemple : le in-orbit servicing pour les satellites de télécommunications, la gestion du trafic spatial, l’architecture des bases habitées sur la surface de la Lune ou de Mars...

À travers l’ingénierie système et l’automatique, à l’aide des suites logicielles de conception des systèmes spatiaux intégrant les outils déjà existants au DCAS, ce thème aborde les points suivants : adaptation et/ou développement de méthodes de conception, effort particulier sur la notion d’interface, architecture de grandes structures pour les missions d’exploration habitées, formalisation des trajectoires et contrôle d’attitude des phases de lancement aux phases de rendez-vous sur des orbites LEO, GEO, LP’s.

Le DCAS est impliqué dans des projets de recherche nationaux ou européens et collaborent avec de très nombreux partenaires industriels (grands groupes, PME, startups).

Groupe scientifique « Décision et Commande » - DC

Thématiques de recherche

  • Thème 1 : Méthodes et outils pour la modélisation et le contrôle des systèmes et véhicules aéronautiques et spatiaux

    • Synthèse de lois de commande robustes pour la conduite de véhicules en conditions sévères
    • Contrôle des systèmes et véhicules aéronautiques respectant des critères de qualité de vol, de certification et de consommation énergétique.
    • Estimation et contrôle des modes souples de structures à grande élongation
  • Thème 2 : Prise de décision sous incertitudes, planification de missions

    • Planification en ligne sûre et robuste pour l’autonomie des systèmes aérospatiaux
    • Amélioration de l’adaptabilité et de la sécurité des systèmes multi-agents
    • Conception centrée sur l’homme de systèmes aérospatiaux collaboratifs hétérogènes

Groupe scientifique « Conception des véhicules aéronautiques et dynamique du vol » - CADV

Thématiques de recherche

  • Thème 1 : conception préliminaire des aéronefs
    • Exploration d’architectures d’aérostructures innovantes
    • Exploration de nouvelles architectures propulsives
    • Opérabilité et maintenabilité des nouvelles architectures
    • Sécurité et certifiabilité des nouvelles architectures
    • Conception de systèmes de dégivrage électromécaniques
  • Thème 2 : modélisation et l’évaluation de technologies et de scénarios pour le transport aérien dans le contexte de décarbonation et de transition
    • Modélisation du système du transport aérien (renouvellement de flotte, usage de carburants alternatifs, modèles économiques)
    • Développement de modèles climatiques
    • Evaluation des impacts environnementaux des solutions de décarbonation du transport aérien sur l’entièreté de leur cycle de vie

Groupe scientifique « Conception des Systèmes Spatiaux » - CSS

  • Accès à l’espace : modélisation physique et conception des moteurs-fusées à ergols liquides de nouvelle génération
  • Astrodynamique et analyse de missions : modélisation et optimisation de trajectoires dans des environnements non képlériens
  • Exploration spatiale robotique et habitée combinant ingénierie système, conception de systèmes spatiaux, autonomie embarquée et facteurs humains
  • Soutenabilité des activités spatiales 

Groupe scientifique « Humains, systèmes et interactions » - HSI

  • Compréhension du fonctionnement cérébral et de la performance humaine
  • Performance cognitive en situation de stress ou au cours du vieillissement

  • Analyse de données massives appliquée au fonctionnement cérébral

  • Développement d’interfaces cerveau-machine

  • Conception des capteurs intégrés innovants permettant un suivi de l’état de l’opérateur en milieu extrême

Aviation durable

Le DCAS a développé AeroMAPS, un outil open source de modélisation des trajectoires de transition pour le secteur aérien, issu de trois années de recherche au sein du département. Conçu initialement sous le nom de CAST, cet outil de référence permet d’évaluer l’impact climatique de l’aviation, en intégrant des variables telles que le volume de trafic, la consommation énergétique ou encore le type de carburant utilisé.

Innovant et multidisciplinaire, AeroMAPS prend en compte l’ensemble des effets climatiques de l’aviation, au-delà du seul CO₂, incluant les traînées de condensation et les émissions d’oxydes d’azote. Destiné à la recherche, à la formation ainsi qu’aux experts et décideurs du secteur, il contribue à éclairer les choix stratégiques en lien avec les engagements internationaux de lutte contre le changement climatique. Avec ces travaux, l’ISAE-SUPAERO affirme son rôle actif dans le débat public sur l’avenir de l’aviation.

Nos projets de recherche

  • Contrôle de STOL et VTOL
  • Planification de la stratégie de guidage et de navigation pour drones en environnement urbain
  • Avion régional à propulsion hybride à base d’hydrogène
  • Trajectoires carbone de l’aviation
  • Conception et optimisation d’ailes à fort allongement
  • Systèmes de dégivrage électromécaniques à faible consommation
  • Mitigation des débris spatiaux
  • Lanceurs réutilisables
  • Monitoring temps réel de la performance humaine
Les publications scientifiques du DCAS
Digital Thread-Based Optimisation Framework for Aeronautical Structures: A Vertical Tail Plane Use Case

de Longueville Sébastien, Bouvet Christophe, Bénard Emmanuel, Jézégou Joël, Gourinat Yves, Digital Thread-Based Optimisation Framework for Aeronautical Structures: A Vertical...

Dynamic UAV trajectory optimisation for parcel delivery with integrated third-party risk mitigation

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Nos ressources et moyens

La grande majorité de ces moyens est gérée par le groupe technique qui développe et met en œuvre un ensemble de plateformes matérielles et d’outils logiciels :

  • Des simulateurs de vol (recherche facteurs humains, enseignement mécanique du vol, pilotage).
  • Une suite logicielle aéronautique (mécanique du vol, conception avion, essais en vol).
  • Une suite logicielle spatiale (orbitographie, sous-système énergie de satellite, lanceurs, station-sol),
  • Des drones et systèmes pour drones,
  • Des segments sol satellite (salles et stations sol pour projets de satellites).

Certaines plateformes sont utilisées/développées en lien avec d’autres équipes techniques :

  • la plateforme logicielle pour les essais en vol et le logiciel de gestion des vols sont développés avec le centre des opérations aériennes de Lasbordes,
  • la salle de systèmes autonomes est utilisée et développée avec le groupe technique du Département d’ingénierie des systèmes complexes (DISC) de l’ISAE-SUPAERO.

Domaine aéronautique

Le groupe technique DCAS développe une suite logicielle pour l’enseignement et la recherche dans le domaine aéronautique.

Il s’agit d’outils de simulation du mouvement de l’avion (Longisim et Transsim), de calcul de performances ou d’aide à la conception (Alcazar), et d’enseignement en vol avec l’avion instrumenté TB20 (système TB20). Un dernier logiciel (Activol) permet une gestion des vols pour les avions du Centre des Opérations Aériennes de Lasbordes.

Mécanique du vol : Logiciels « LONGISIM/TRANSIM »

Ces deux logiciels sont dédiés à l’étude des mouvements longitudinal et latéral de l’avion. Ils permettent de faire des simulations en fonction du type d’avion et de caractéristiques de vol (réponses à des échelons, courbes, 3D, …).

Conception Avion : Logiciel « ALCAZAR »

Alcazar est un logiciel qui permet l’étude et la conception complète d’un avion de ligne. Devis de masse, dimensionnement du fuselage (nombre de sièges par classe…), géométrie des ailes, empennage, paramétrage de la poussée…

De nombreuses visualisations permettent de se rendre compte du résultat de la conception tout au long du processus.

Essais en vol / Dynamique du vol : « Le Système TB20 »

Le logiciel du « Système TB20 » est un logiciel, qui, à partir d’un avion TB20 instrumenté (25 paramètres en télémesure), permet de visualiser en temps réel ou en différé les paramètres de vol : enseignement dynamique du vol (en vol ou au sol), essais en vol.

Gestion des vols : Le logiciel « ACTIVOL »

ACTIVOL est le logiciel pour la gestion quotidienne des vols effectués à Lasbordes. Les statistiques sont extraites pour les bilans annuels de l’activité.

Dans le domaine aéronautique, un ensemble important de moyens matériel est disponible au DCAS : simulateurs de vol (PEGASE, 6MOUV), atelier pour la conception drone et plateformes volantes de drone.

Simulateur de vol « PEGASE »

PEGASE : Platform for Experiments on Generic Aircraft Simulation Environment

Cette plateforme de simulation, à mi-chemin entre la simulation haut de gamme (simulateurs d’entraînement 6 axes) et la simulation de type individuelle sur ordinateur, est le support idéal pour les enseignements en mécanique du vol et la recherche en Facteurs Humains.

Ce simulateur générique permet de simuler tout type d’avion. Le modèle de base pour les activités est l’Airbus A300.

Les développements sont totalement gérés par le groupe technique DCAS, ce qui permet d’adapter la plateforme à tout besoin émanant des équipes scientifiques (recherche, expérimentation, démonstrations, enseignement…).

Caractéristiques

• Organes de commande : équipement haut de gamme avec mini-manches pilote/copilote, palonniers, manettes des gaz A320 + volants de trim, FCU, MCDU.
• Visualisations cockpit EFIS/ECAM A320 : Primary Flight Display, Navigation Display, Engine Warning Display, Flight Control. Elles sont multiplateformes et réutilisables pour d’autres projets.
• Visualisation 3D : une visualisation panoramique 3D permet de restituer le monde extérieur. Elle provient du simulateur open-source FlightGear mais a été adaptée afin de répondre aux besoins (notamment pour les aspects HUD : Head Up Display).
• Mouvement : un système hydraulique 3 axes permet la restitution du mouvement (Tangage, Roulis, Hauteur).
• Serveur audio : alarmes, moteurs, animations (rentrée/sortie des becs et volets, train d’atterrissage, pluie…).

Simulateur de vol « 6MOUV »

6MOUV est un simulateur d’avion léger (DR400) monoplace, à plateforme 3 axes, basé sur le logiciel Flight Simulator.

Drones

Atelier

Un atelier dédié à la phase finale de conception de drone est géré au DCAS.

Drones

De nombreux drones de type « stationnaire » développés au DCAS ont été réalisés dans l’atelier (VisionAir, ScolAir, ScanAir). Une plateforme volante à voilure fixe est actuellement développée (ExpAir, pour le projet ExpeDrone).

Domaine spatial

Le groupe technique DCAS développe une suite logicielle pour l’enseignement et la recherche dans le domaine spatial.

Il s’agit d’outils de simulation et de conception des systèmes spatiaux : SatOrb, SimuSat, et SimuLaunch.

Le logiciel « SATORB »

SatOrb est un logiciel complexe d’orbitographie et d’analyse de mission multi-satellites, multi-stations. Il permet l’affichage 2D et 3D de satellites et constellations ainsi que de multiples analyses d’accès, de visibilités, couvertures et bilans de liaison radio.

Le logiciel « SIMUSAT »

SimuSAT est un logiciel de simulation du sous-système énergie d’un satellite. Les modules disponibles permettent aussi le contrôle d’attitude, ainsi qu’une simulation simplifiée du comportement thermique. Ce logiciel, en évolution constante, associé à Satorb est un outil puissant de simulation d’un système spatial complet.

SIMULAUNCH

Simulaunch est un simulateur dédié à la conception de lanceurs ainsi que de l’étude de leur trajectoire lors de leur tir.

Le DCAS dispose également de ressources matérielles en spatial : une station sol à Toulouse (UHF/VHF), une station sol à Cayenne (Bande S), ainsi qu’un centre de contrôle pour ses projets nanosatellites qui se veut simple et générique.

Station sol UHF/VHF –T

Les équipes de l’ISAE-SUPAERO dispose d’une station sol pour échanger des données numériques avec le satellite qu’elles souhaitent, en UHF/VHF, que ce soit en liaison montante (télécommandes) ou descendante (télémesures). La station peut fonctionner de manière autonome et recueillir les données du satellite automatiquement. Une salle est dédiée à cette station sol sur Toulouse.

Station Sol (Bande S)

L’ISAE-SUPAERO dispose depuis 2000 d’une station en bande S. Pour des raisons techniques, elle a été installée à Cayenne. En coopération avec le MIT et le RIKEN, elle permettait de disposer d’un réseau de stations sol situées sur l’équateur pour répondre à des problématiques de liaison bord-sol notamment dues à l’orbite équatoriale de la plateforme.

SCC : Simple Control Center

Le centre de contrôle gère toutes les données échangées entre le satellite et le segment sol grâce à un logiciel léger, performant, adapté au contexte universitaire et à la pointe de la technologie à la fois en termes de traitement de données et d’interface homme machine. C’est un outil robuste, stable, réutilisable et respectant au maximum les standards européen (ECSS) et internationaux (CCSDS) existants.

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Valérie Budinger
Valérie Budinger

Cheffe du département DAEP

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The “Photonics Antenna Microwave PlasmaA” (PAMPA) scientific group is interested in electromagnetism in the fields of microwaves and photonics, as well as wave-plasma interactions.

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Within ISAE-SUPAERO, the Complex Systems Engineering Department (DISC) develops skills in mathematics and computer science for aeronautical and space engineering. In both teaching and research, it focuses on the models, methods, and tools needed to control the behavior and performance of complex systems. This complexity may be induced by the multi-physics or multi-scale nature of the systems studied, their dynamic behavior, or their distributed and communicating structure.

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Located 80 meters from the rover at the moment of take-off, the small helicopter rose to 5 meters above the ground before covering a distance of 133 meters before returning to land where it had taken off from. SuperCam's scientific microphone, developed by ISAE-SUPAERO, recorded the sound emitted by the rotation of the Martian drone's blades during its flight. This sound has a characteristic frequency of 84 Hz, equivalent to the low “E” of a piano or the bass voice of a human being. “This is a big surprise for the whole scientific team,” says Naomi Murdoch, a researcher at ISAE-SUPAERO who is studying the data from the microphone. "Tests carried out in a Martian atmosphere simulator to design this instrument, and our theories of sound propagation, indicated that the microphone would have great difficulty picking up the sounds of the helicopter. Indeed, Mars' thin atmosphere strongly attenuates sound transmission. We needed a bit of luck to record the helicopter from such a distance. We're very pleased to have succeeded in obtaining this recording, which is proving to be a goldmine for our understanding of the Martian atmosphere". Developed jointly by ISAE-SUPAERO and a consortium of CNRS laboratories and its partners, coordinated by CNES, SuperCam's microphone is derived from a consumer model adapted to withstand the Martian environment. It pursues 3 substantial scientific and technical objectives of the Mars 2020 mission: Study the sound associated with laser impacts on Martian rocks, to gain a better understanding of their mechanical properties. Improving our understanding of atmospheric phenomena (wind turbulence, dust eddies, wind interactions with the rover, and now with the helicopter). Understanding the sound signature of the rover's various movements (robotic arm and mast operations, driving on normal or uneven ground, pump monitoring, etc.). The microphone was first switched on a few hours after Perseverance landed. It recorded the first Martian sounds generated by turbulence in the atmosphere. It is used daily in conjunction with laser rock ablation for chemical analysis of Mars. ABOUT THE MARS 2020 MISSION: NASA is relying on Caltech's Jet Propulsion Laboratory for the development of the Mars 2020 mission. SuperCam was developed jointly by LANL (Los Alamos National Laboratory, USA) and a consortium of laboratories attached to the CNRS, French universities and research establishments. Several Spanish universities, led by the University of Valladolid, are also contributing to the instrument. CNES is responsible to NASA for the French contribution to SuperCam. The instrument is operated alternately from LANL and the French Operations Center for Science and Exploration (FOCSE) at CNES in Toulouse.

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