Le givrage est un des phénomènes atmosphériques les plus sévères pour les aéronefs et les moteurs. Les évolutions récentes des exigences réglementaires ont étendu le domaine atmosphérique aux cristaux de glace. Pour ces conditions les moteurs d’avion doivent démontrer un fonctionnement robuste en vol. Contrairement aux gouttes en surfusion rencontrées en givrage standard, l’accrétion des cristaux de glace se produit jusqu’à très haute altitude et à température positive à l’intérieur du moteur. Les mécanismes associés sont complexes car ils font intervenir des couplages forts entre les cristaux et les champs aérodynamiques dans l’écoulement ainsi qu’à la paroi. L'objectif de cette thèse est de développer et valider des moyens de simulation et d’analyse permettant de prédire les accrétions générées par l’ingestion en vol de ces cristaux. Il s’agira notamment de développer les modèles pour la croissance de glace en 3D en étendant les modèles d’impact aux parois chaudes, en implémentant un modèle d’accrétion dans un code de film d’eau en paroi, et en tenant compte des effets d’érosion et de détachement. Dans un second temps, ces développements seront implémentés dans la chaine de givrage de l’ONERA. Les améliorations seront validées sur des bases d’essais académiques et moteurs en atmosphère de cristaux de glace

Le projet dans lequel s’inscrit ce travail de thèse porte sur la détermination de la durabilité des structures métalliques de grandes dimensions lorsqu’elles sont soumises à des surcharges accidentelles (collision, explosion, impact d’oiseau, etc). À cette fin a été développée une méthodologie numérique unifiée tri-dimensionnelle capable de reproduire qualitativement et quantitativement les étapes successives de dégradation menant à la rupture ultime des structures constituées de métaux et alliages ductiles (aciers, alliages d’aluminium et de titane, etc.). Ces étapes comprennent généralement (i) l’endommagement induit par la croissance de microcavités, (ii) la localisation de la déformation /endommagement dans une bande étroite, et (iii) la formation et la propagation de macro-fissures. Dans la première étape (i), le matériau est supposé obéir au modèle de plasticité microporeuse de Gurson en utilisant la méthode standard des éléments finis (FEM), tandis que dans la troisième étape (iii) les conséquences cinématiques de l’ouverture de la fissure sont décrites par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). L’étape intermédiaire (ii) de localisation, qui est probablement la plus complexe à reproduire d’un point de vue physique et numérique, est décrite via un modèle de zone cohésive (CZM) couplé à la XFEM. Le CZM décrit ladégradation progressive des propriétés mécaniques du matériau de la bande de localisation induite par une augmentation de la coalescence des microcavités et conduisant finalement à l’ouverture de la fissure. Un intérêt particulier est porté aux critères de transition entre endommagement diffus et localisation et à la détermination de l’orientation du plan de localisation. La localisation est traitée ici comme un phénomène résultant soit d’une instabilité plastique soit de la coalescence des microcavités. En conséquence, deux critères sont considérés : le premier est basé sur l’analyse de bifurcation, tandis que le second repose sur une porosité critique et rend compte de la compétition entre Mode I et Mode II fonction du taux de triaxialité local. Ainsi, la bifurcation ‘flat-to-slant’ du plan de rupture (l’effet ‘cup and cone’ lors de la traction d’une éprouvette axisymétrique) est correctement reproduite numériquement. En outre, des critères opérationnels d’amorçage et de propagation de la bande de localisation en trois dimensions sont proposés. Un autre aspect important de la méthodologie est le nouveau schéma utilisé pour l’intégration numérique des équations d’équilibre, à savoir l’intégration par moyennage sur les volumes (VAI). La méthodologie est implémentée en tant que routine utilisateur (UEL) dans le code de calcul commercial par éléments finis ABAQUS et ses performances sont évaluées par des simulations numériques tridimensionnelles de divers cas de chargement. Une étude paramétrique de l’effet des constantes du modèle est réalisée, montrant que la méthodepeut reproduire une grande variété de réponses dans le régime adoucissant. La méthodologie proposée se révèle être indépendante du maillage et capable de reproduire correctement les surfaces de rupture. Elle donne également des résultats prometteurs concernant les réponses globales des structures étudiées par rapport aux données expérimentales.

Modélisation aérothermodynamique des écoulements hypersoniques d’arrière-corps de débris orbitaux

Grâce à ses avantages (sûreté, performances propulsives, manoeuvrabilité, bon marché et faible impact environnemental), la propulsion hybride, combinant un oxydant liquide et un combustible solide, offre une alternative pertinente aux systèmes de propulsion solide et liquide pour des missions de mise à poste de satellites.Les performances du moteur hybride sont pilotées par le processus de combustion dans lequel le comportement de la régression du combustible joue un rôle déterminant. Bien qu’essentielle, la recherche expérimentale est coûteuse et ne peut pas produire une description détaillée de ce processus. La simulation numérique peut en revanche fournir des données complémentaires sur l’écoulement et les transferts, non accessibles expérimentalement compte tenu des ambiances sévères. En particulier, le comportement de la régression du combustible est décrit par le modèle d’Interaction Gaz-Surface (IGS) basé sur les bilans des échanges de masse et d’énergie à la surface du combustible. Cette approche prend en compte le couplage physique entre la vitesse de régression et les processus aérothermochimiques de l’écoulement. L’objectif de la thèse est de développer et valider expérimentalement une modélisation numérique prenant en compte le modèle IGS afin d’obtenir une représentation réaliste de la balistique intérieure d’un moteur hybride. Selon l’analyse de sensibilité menée sur la modélisation mise en place, la correction, proposée par Wilcox, du modèle de turbulence Favre-RANS k-! SST pour le soufflage pariétal est essentielle afin de représenter convenablement la vitesse de régression du combustible.Une technique de restitution de la distribution spatiale et temporelle de la vitesse de régression expérimentale a également été développée pour définir une méthode de validation recouvrant complètement le comportement de la régression du combustible. Le processus de validation a montré la capacité de la modélisation à fournir des valeurs réalistes de la vitesse de régression du combustible bien que des limites aient été constatées lors de l’étude de son comportement

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des machines autonomes embarquant des concepts éthiques dans leur raisonnement. Ce travail consiste à proposer un raisonnement formel se basant sur des concepts de philosophie morale qui permet à un agent artificiel de juger des décisions et de justifier ce jugement. Partant d’un modèle de situation composé d’états du monde, de faits, de décisions et d’événements, nous avons modélisé les cadres éthiques de l’éthique normative par des règles à respecter dans le but de juger une décision comme « acceptable » ou « inacceptable » du point de vue de chacun de ces cadres. À partir de ce formalisme, nous avons pu élaborer une définition de dilemme moral qui se fonde sur les définitions en langage naturel disponibles dans la littérature, dans le but de permettre à un agent artificiel d’identifier une situation comme un dilemme. L’ensemble de ces travaux de formalisation ont permis de mettre en évidence et d’identifier précisément les sources de subjectivité ainsi que les facteurs de sensibilité du modèle. Enfin, un dernier chapitre est consacré à une expérimentation réalisée dans le but d’étudier l’influence qu’un agent artificiel embarquant un raisonnement éthique peut avoir sur un opérateur humain. Cette expérimentation a mis en évidence une tendance générale des participants à ne pas être influencé par les suggestions de l’agent artificiel s’opposant à leur avis initial. Néanmoins, on observe que les personnes dont le raisonnement est plutôt déontologique ont tendance à être plus influencées que les personnes dont le raisonnement est plutôt conséquentialiste

L’augmentation du trafic aérien au cours des dernières décennies et ses prévisions constituent un défi majeur pour arriver à une croissance neutre en carbone. Pour atteindre cet objectif sociétal, il est nécessaire de définir, en rupture avec les configurations actuelles, des concepts d’avion de transport intégrant de nouvelles technologies avec au final un impact minimal sur l’environnement. Ces futurs véhicules aériens reposent entre autres sur diverses interactions entre systèmes, disciplines et composants. Aussi, ces travaux de recherche se focalisent sur le développement d’une méthodologie dédiée à l’exploration et à l’évaluation des performances de configurations non conventionnelles utilisant des concepts de propulsion innovants. Le cas d’utilisation à considérer est l’optimisation au niveau conceptuel d’une aile volante à propulsion électrique distribuée, un concept prometteur combinant des performances aérodynamiques élevées et les avantages de la propulsion électrique.Le processus d’optimisation qui se base sur FAST, l’outil de dimensionnement avionISAE-SUPAERO/ONERA, a été mis en oeuvre dans OpenMDAO, l’environnement d’analyse et d’optimisation multidisciplinaire Open Source de la NASA. Avec l’idée d’une complexité croissante de l’analyse de conception multidisciplinaire et d’une meilleure identification des différents effets, les deux éléments innovants ont été étudiés séparément. Premièrement, le processus classique a été révisé pour tenir compte des systèmes de propulsion hybride. Deuxièmement, une méthode a été appliquée pour estimer le dimensionnement d’une cellule avion radicalement innovante. Enfin, un processus de conception intégrant ces deux aspects inédits a été mis au point pour étudier un concept d’aile volante à propulsion électrique distribuée.En ce qui concerne le processus de conception, les résultats montrent que l’utilisation de gradients dans la procédure d’optimisation réduit les temps de calcul par rapport à une méthode sans gradient d’environ 70%. Ce gain en temps est un avantage important au niveau du processus avant-projet qui facilite les tâches du concepteur. Pour les performances au niveau avion, les résultats ont été comparés à ceux obtenus pour un avion de type A320 classique, fondés sur les mêmes exigences de haut niveau et le même horizon technologique. Globalement, le concept de propulsion électrique hybride est intéressant car il permet des opérations à proximité du sol (atterrissage, décollage) sans émission et d’économiser du carburant pour les missions situées en dessous d’une certaine distance franchissable. Cette limitation est associée à la présence de batteries : elles introduisent en effet une pénalité de masse significative qui ne peut être annulée par les avantages de l’électrification pour de longues distances. Des simulations supplémentaires indiquent qu’un concept d’aile volante fondé sur une architecture uniquement turbo-électrique consomme toujours moins de carburant que l’avion de référence dans les limites des hypothèses prises en compte.

Les environnements radiatifs sont critiques pour l’intégrité des systèmes électroniques embarqués. Peuplés de particules plus ou moins énergétiques, ces environnements peuvent provoquer des dysfonctionnements qui, suivant les dommages occasionnés, peuvent être identifiés. Ce manuscrit porte ssentiellement sur les pannes non destructives, et plus particulièrement sur les SEU (Single Event Upset) dont les conséquences sont les basculements indésirables de certains points mémoires. Ce faisant, l’information initialement stockée peut être perdue. La thématique de la sensibilité des mémoires aux événements singuliers a pris naissance dans les années 70. Les premières erreurs observées ont été provoquées par des particules lourdes, associées à des pouvoirs ionisants élevés. Ces dernières, en traversant les dispositifs, engendrent des cascades électroniques particulièrement intenses. Aujourd’hui, les mémoires proposent des nœuds technologiques de l’ordre de la dizaine de nanomètres. Ainsi, sur les décennies qui nous séparent des premières observations des événements singuliers, les cellules mémoires ont vu leurs dimensions se comprimer drastiquement. D’un point de vue sensibilité, cela aurait pu aller dans le bon sens mais c’était sans compter sur la réduction des tensions d’alimentation qui s’est opérée dans le même temps. Ce manuscrit s’inscrit dans cette évolution et tâche d’analyser les conséquences qui ont alors émergées. Le transport des particules est une thématique commune à tant de sujets. Et la sensibilité des mémoires n’y échappe pas. D’autant que la contrition des composants nous impose maintenant une certaine rigueur : il nous revient de réaliser le transport des particules sur des échelles nanométriques. Ainsi, nous avons travaillé sur le développement et l’implémentation de nouveaux modèles physiques dans un code de transport, GEANT4. Ces travaux nous permettent de suivre les cascades électroniques jusqu’à des énergies très basses, une condition indispensable pour les autres études que nous avons menées. Des électrons aux protons, nous avons investigué l’ensemble des processus physiques potentiellement impliqués dans les déclenchements d’erreur. Plusieurs résultats inédits ont ainsi été obtenus et démontrés : le rôle des interactions Coulombiennes sur les sensibilités mesurés en environnements électrons, et celui, propre aux diffusions élastiques, dans le cas des environnements protons. Le comportement des mémoires sous ces deux types d’environnement, les dynamiques qu’ils imposent sur les courbes de sensibilité, nous ont, par la suite, guidés vers une méthode de calibration des paramètres de simulation. Cette dernière étude offre d’ailleurs un moyen de prédiction de la sensibilité des composants pour des environnements auxquels ils n’ont pas été testés. Enfin, ce manuscrit se conclura sur une dernière étude, plus proche du composant, où l’on regardera les transitoires générés par des faisceaux d’électrons sur un inverseur ultrascale