La réalité virtuelle booste la conception des fusées au CNES

Double défi technologique pour le CNES : développer un démonstrateur de premier étage réutilisable avec un vol prévu fin 2020 et le concevoir en réalité virtuelle (VR).

 

Casque de réalité virtuelle

VR conception lanceur Callisto

Démonstrateur Callisto en 3D


L’agence spatiale française, le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) est un établissement public chargé de proposer et de conduire la politique spatiale de la France au sein de l’Europe.
Créé en 1961, le CNES invente les systèmes satellites et les lanceurs (fusées) de demain. Le CNES joue un rôle clé sur la scène spatiale nationale, européenne et internationale en étant à la fois une force d’impulsion, d’innovation au bénéfice de l’emploi et un centre d’expertise technique.

Le CNES travaille avec de nombreux partenaires aux lanceurs de demain et à de nouveaux systèmes de propulsion, notamment à la Direction des Lanceurs (DLA) pour qui la préparation des lanceurs futurs est une priorité. La DLA a été le maître d’œuvre de tous les lanceurs Ariane 1 à 5 et conçoit des démonstrateurs.

Qu’est-ce qu’un démonstrateur ? C’est un « engin destiné à évaluer la faisabilité d’une innovation technique », il s’agit d’un prototype opérationnel à échelle réduite. Il permet de valider tout ou partie des performances, aérodynamisme, propulsion, poids, délai de production, coût, etc.

Face à une spectaculaire transformation du spatial en provenance des USA et à l’apparition d’une concurrence intense, avec de nouvelles fusées capables de revenir sur Terre pour être réutilisées et renvoyées dans l’Espace : la compétitivité devient une priorité. La réutilisation constitue ainsi une solution possible à la réduction des coûts du transport spatial. Dans cette optique, le CNES a décidé en 2016, d’analyser concrètement via un démonstrateur, les aspects techniques et financiers d’un véhicule spatial entièrement réutilisable baptisé Callisto.

La phase complexe de conception du démonstrateur constitue le préalable à la fabrication industrielle du lanceur et de ses multiples composants. Le CNES a misé sur la réalité virtuelle pour accélérer et optimiser toute la conception, réaliser des tests et tous types de simulations visant à réduire au maximum les erreurs.

Depuis 2014, la technologie réalité virtuelle s’est fortement démocratisée, le développement et la performance des produits associés a également beaucoup progressé, faisant chuter drastiquement les prix. Désormais, la VR est intégrée dans des casques, permettant d’alléger tout le dispositif, tout en accédant à un mode plus immersif. De ce fait, les entreprises s’y intéressent.

La solution de réalité virtuelle du CNES :
A la DLA, la VR est utilisée depuis 2016, elle offre un atout majeur dans la conception, en permettant de se projeter et d’interagir dans un environnement proche de la réalité via une immersion à l’échelle 1. Jusque lors, la Conception Assistée par Ordinateur (CAO) et 3D ne permettaient pas cela. Pour un budget modeste, la DLA s’est dotée d’une solution capable de lire tous les formats de fichiers exploités par le CNES. Elle est composée de casques HTC Vive avec manettes et capteurs, du logiciel collaboratif Improov développé par MiddleVR et d’ordinateurs avec processeurs suffisamment puissants.

 


La conception du démonstrateur Callisto : premier projet réalisé avec l’aide significative de la réalité virtuelle

La conception débute durant l’été 2016 avec une équipe réduite d’ingénieurs et d’intervenants qui collaborent sous la conduite d’un chef de projet, pour concevoir pas à pas le démonstrateur haut de 12 m pour 1,1 m de diamètre. Le projet débute par l’ébauche du véhicule en CAO – prérequis à l’utilisation de la 3D et de la VR. Interviennent au fur et à mesure, les spécialistes de l’aérodynamique pour définir la surface et la portée, idem pour l’équipement électrique, l’aménagement etc. Des partenaires sont chargés de l’apport de pièces spécifiques tel que le moteur.

⇒ 1ère étape : CAO de la structure générale du véhicule

En quelques semaines, avec la CAO et la contribution de chacun, la conception numérique «plate» (2D) du démonstrateur prend forme à l’aide du logiciel CATIA de Dassault Systèmes.

Le passage en 3D permet ensuite de travailler sur les volumes, les matériaux et le poids des éléments. Dès lors, il est possible d’itérer à volonté en fonction de l’impact d’une pièce par rapport à une autre.

Le délai de conception des pièces en 3D, selon leur complexité, se compte en jours.

Conception démonstrateur Callisto

CAO : ébauche de la structure du véhicule à plat en 2D

Conception 3D démonstrateur Callisto

Conception progressive en 3D sous CATIA

 

⇒ 2ème étape : CAO et conception progressive 3D des pièces internes au véhicule

Après modélisation en 3D de l’intérieur du véhicule, on conçoit et ajoute progressivement les différentes pièces.

A chaque calcul de tenue des pièces ou de trajectoire impactée par la masse des pièces, le design est retravaillé.

Au terme de quelques mois, une version du démonstrateur est stabilisée.

pieces-en-3D

Pièces sous coiffe en 3D (intérieur du véhicule)


⇒ 3ème étape : CAO de l’ensemble de lancement puis 3D

Tout l’environnement de l’ensemble de lancement du démonstrateur est modélisé en 3D : véhicule, chemins, bâtiment d’assemblage, outillages, pas de tir, etc. A ce stade, la 3D ne donne que des perspectives et ne permet pas d’évaluer de manière concrète les formes, les distances, l’encombrement, l’impact des éléments extérieurs (vent, gaz…)… Sans VR, uniquement en 3D, il faut être habitué et savoir se projeter pour se « faire une idée », car l’utilisateur visualise les éléments dans la limite de la taille écran de son ordinateur et agit en zoomant.

Zone de lancement Callisto

Ensemble de la zone de lancement Callisto en 2D

 

ensemble-lancement-VR

Passage en VR via le logiciel Improov

 

⇒ 4ème étape : conversion de la maquette complète 3D en réalité virtuelle

Dès lors que les éléments sont modélisés en 3D, la maquette est convertie en quelques minutes en VR, via le logiciel Improov. Il faut ensuite mettre le casque de VR pour se retrouver immergé à l’échelle 1. Le passage en réalité virtuelle donne au projet une toute autre dimension et d’incroyables possibilités.

L’utilisateur se retrouve comme physiquement présent devant le démonstrateur et l’ensemble de lancement, il visualise les volumes, les distances comme « dans la réalité ». Il peut interagir avec toutes les pièces, en les déplaçant ou en les modifiant.

connexions lanceur par opérateur en VR

Test d’accessibilité opérateur en VR aux connexions sol

 

⇒ 5ème étape : analyse, tests, simulations et scenarii grâce à la VR (échelle 1)

Grâce à la VR, on se rend concrètement compte des contraintes à intégrer : taille du bâtiment pour l’assemblage du démonstrateur, besoin en outillages, distance à parcourir jusqu’au pas de tir, connexions entre le véhicule et les équipements au sol (alimentation électrique, combustibles…).

La VR qui intègre une grande partie des caractéristiques techniques accélère fortement le processus d’itérations, rendant plus rapides les modifications.

Improov permet de travailler en mode collaboratif ce qui constitue un gros atout pour le CNES. En effet, les intervenants sont basés à Paris, Toulouse et à Kourou. Les partenaires externes travaillant sur différentes pièces (moteur, réservoir…) sont à l’étranger. L’accès à la plateforme en mode distant et multi-sites permet à chacun d’interagir en temps réel.

coupe vue interieure demonstrateur en VR

Vue intérieure de Callisto et coupe permettant de vérifier l’accès aux pièces en VR

 

Décollage imminent du démonstrateur Callisto

Pas de tir de Callisto en VR © CNES

Atterrissage de Callisto en VR

Retour sur terre de Callisto en VR © CNES


En conclusion, ce premier projet en passe d’être intégralement réalisé en réalité virtuelle, a permis au CNES d’apprendre à maîtriser cette technologie. Il a ouvert la voie à une nouvelle façon de collaborer entre les ingénieurs, par la visualisation réaliste à l’échelle 1, en mode collaboratif interactif et immédiat.

A ce jour, soit 24 mois après que les éléments constituant le véhicule Callisto et l’ensemble de lancement au sol ont été initialisés sous CATIA en 3D, puis converti en VR, le travail de conception est quasi finalisé. Même si les boucles itératives sont longues, le gain de temps à terme est de l’ordre de 12 mois, comparativement à une conception « classique » cantonnée à la CAO et 3D.

De par sa prise en main rapide et sa forte intuitivité, la VR est accessible à tous, conférant au projet une forte agilité permettant de paralléliser et de traiter en amont de nombreuses tâches. La visualisation immersive des éléments à l’échelle 1, couplée à la possibilité de réaliser des simulations, permet d’effectuer quantité de tests. Les erreurs ou modifications, qui normalement n’apparaitraient que plus tard dans le projet ou lors de l’exploitation, sont ainsi fortement réduites. La VR permet de mieux appréhender les problématiques transverses, les interactions entre le véhicule et les installations au sol. Grâce au réalisme qu’elle génère, il est possible d’établir et de tester de nombreux scenarii opérationnels afin de retenir les plus probables et ayant l’occurrence la plus élevée.

La conception du démonstrateur Callisto en VR a prouvé qu’il était possible dès l’initialisation du projet de collaborer plus efficacement entre partenaires distants. En effet, via un même environnement de visualisation, les difficultés sont abordées en direct, avec des décisions communes qui peuvent être prises très rapidement.

Pour le CNES, la VR permet de valider le concept d’un point de vue design, ergonomique et architectural, tout en le rendant plus robuste. Les aspects opérationnels sont intégrés beaucoup plus tôt et traités de manière nettement plus large. Il est ainsi possible de dérouler toutes les procédures envisagées, virtuellement, de façon à mieux préparer les opérateurs aux actions qu’ils devront réaliser – voire de les former.

Quelques freins subsistent : la résistance aux changements des intervenants qui peuvent être sceptiques quant à l’utilisation de cette nouvelle technologie; les contraintes légales comme la propriété intellectuelle et les échanges de données sensibles entre partenaires situés dans différents pays; la nécessité de disposer de solutions logicielles interopérables entre les acteurs.

Après une période de rodage et de pratique plus intense, nul doute que la VR fera gagner du temps dans la conception des nouveaux projets, rendra plus productifs les échanges et permettra d’approcher le zéro défaut.

La réalité virtuelle, c’est un changement radical dans la façon de travailler en accédant à un environnement de travail réaliste et interactif. C’est une nouvelle façon de concevoir avec extrême agilité, pour s’approcher au plus près de ce que l’on souhaite dans le réel.

 


PRINCIPAUX APPORTS DE LA REALITE VIRTUELLE :

  • Visualisation des modèles 3D à l’échelle 1, ce qui est un très gros avantages compte tenu de la taille des lanceurs qui peuvent dépasser les 60 m de hauteur. Ceci permet d’avoir une vue réaliste et globale, impossible via un écran d’ordinateur.

 

  • Interaction intuitive avec tous les éléments : il est possible de manipuler tous les objets importés d’un modèle et d’effectuer des actions. On peut ainsi les repositionner, faire des découpes pour voir l’intérieur, écrire des annotations, effectuer des suppressions, modifier les dimensions et générer une session de travail spécifique sur les modifications apportées.

 

  • Via la fonction « étude ergonomique » et en étant à l’échelle 1, on peut intégrer des mannequins virtuels, lesquels vont permettre d’effectuer des simulations et d’écrire des scénarii. On peut ainsi s’assurer de l’accès à des zones difficiles par des opérateurs, voir si toutes les pièces sont accessibles selon l’ouverture prévue, simuler des postures de travail dans le cadre de tâches spécifiques…

 

  • Pédagogie : de manière dérivée, par le biais de la fonction étude ergonomique, il est possible de scénariser des tâches afin d’initier les opérateurs. Ils peuvent effectuer des simulations et s’entrainer à certaines actions.

 

  • Collaboration en ligne sur un même modèle, accessible à plusieurs personnes simultanément depuis n’importe quel endroit du monde : permet à chacun d’interagir sur la maquette en réalité virtuelle. Tout le monde travaille à l’échelle 1 et peut disposer de toutes les fonctions pour se déplacer, faire des modifications… Les tâches peuvent ainsi être réparties et les décisions prises très rapidement. L’aspect intuitif de cette technologie rend accessible à tous l’interaction sur le modèle 3D en quelques minutes.

 

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Pour aller plus loin :

Site spacegate.cnes.fr : Callisto lanceur réutilisable – 3 avril 2018 : « [Quézako?] Ces ailerons reviendront sur terre« .

Site cnes.fr : projet Callisto – 27 mars 2018 : « Tester le concept d’un 1er étage de lanceur réutilisable »

SpaceNews  — January 8, 2018 : “France, Germany studying reusability with a subscale flyback booster

Aerospacium – 5 octobre 2017 : « Arianegroup rejoint le CNES sur l’après Ariane 6 »

Futura Sciences – 25 janvier 2018 : « Callisto, un démonstrateur de lanceur réutilisable à l’horizon 2020 »

Challenges – 1er juin 2018 : « Ariane Next, future arme de l’Europe pour contrer Elon Musk? »

Le Spatioscope – 10 juin 2018 : « Lanceurs réutilisables : les projets en cours et à venir »

 

Quelques définitions :


Crédits illustrations et visuels : CNES/DLA – © CNES/BLACKBEAR, 2017 – Pixabay.com

 

⇒ Quelques exemples d’applications de la réalité virtuelle à d’autres domaines :

Médical / formation : « Réalité virtuelle: un nouveau regard sur la formation des médecins »

Médical / santé : « Réalité virtuelle et réalité augmentée : des outils thérapeutiques »

Formation / éducation : « Réalité virtuelle et éducation: une nouvelle façon d’apprendre »

Retail / luxe : « Quelle réalité virtuelle pour l’expérience client sur le marché du luxe ? »

 

Par | 2018-07-02T19:50:37+00:00 lundi, 2 juillet, 2018|Catégories : Tech|Mots-clés : , , , , , , |

À propos de l'auteur :

Consultant senior en Assistance à Maîtrise d'Ouvrage, portail collaboratif (Sharepoint) et e-commerce chez AtoS depuis 2009. > 20 ans d'expertise globale dans le Digital (webagency + client annonceur + Entreprises de Services du Numérique), polyvalence et expérience opérationnelle dans la mise en oeuvre de projets Web et Intranets. Actuellement en extension de compétences au #MBAMCI Marketing DIgital - Promo 2018 @ILV.

Un commentaire

  1. Hollander karine 4 juillet 2018 à 0 h 43 min - Répondre

    Bravo pour cette présentation à la fois précise riche et claire.

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