Dans l’industrie aéronautique, les problèmes d’optimisation de structure peuvent impliquer des changements de matériaux, de types de raidisseurs, et de tailles d’éléments. Dans ce travail, il est ainsi proposé de résoudre des problèmes de grande taille (minimisation de masse) par rapport à des variables catégorielles et continues,sujets à des contraintes de stress et de déplacements. Trois algorithmes sont présentés, discutés dans le manuscrit au regard de cas tests de plus en plus complexes.En tout premier lieu, un algorithme basé sur le "branch and bound" a été mis en place.Une formulation d’un problème dédié au calcul de minorants de la masse optimale est proposée. Bien que l’algorithme permette de trouver des solutions optimales, la tendance du coût de calcul en fonction de l’augmentation du nombre d’éléments est exponentielle.Le second algorithme s’appuie sur une formulation bi-niveau du problème d’origine, où le problème supérieur consiste à minimiser une approximation au premier ordre du résultat du niveau inférieur. L’évolution du coût de calcul par rapport à l’augmentation du nombre d’éléments et de valeurs catégorielles est quasiment linéaire. Enfin, un troisième algorithme tire partie d’une reformulation du problème mixte catégoriel continu en un problème bi-niveau mixte avec variables entières continûment relâchables. Les cas tests numériques montrent la résolution d’un problème avec plus d’une centaine d’éléments.Également, le coût de calcul est quasi-indépendant du nombre de valeurs de variables catégorielles disponibles par élément.

Le sillage d’un rotor est difficile à modéliser, et a un impact significatif pour la dynamique du vol des voilures tournantes, leurs vibrations, leurs propriétés acoustiques... De nombreux modèles existent, mais le plus utilisé pour l’application à la mécanique du vol est le modèle à états finis développé par Peters et al. Ce type de modèle permet d’ajuster le prixen temps de calcul et la fidélité de leurs résultats à chaque application. Cette thèse explore le développement de ces modèles et en souligne quelques défauts. Des améliorations sont suggérées mais il semble nécessaire d’appliquer des changements plus drastiques pour dépasser certaines limites. Ainsi, une nouvelle méthode est développée dans un cadre plus générale et homogène, qui ne repose plus sur des hypothèses contraignantes. Cependant ce nouveau modèle n’est pas sans défauts. Ils sont donc analysés et traités afin d’améliorer le modèle. Le nouveau modèle livre donc de bons résultats dans le cas d’un grand nombre d’éléments utilisés, et l’impact d’une approximation plus rapide mais moins précise est souligné.

Le bruit environnemental a des effets bien connus sur l’humain. A court terme, il peut être source de stress, de fatigue, ou de déconcentration. Pour autant, la littérature montre des effets complexes, il peut par exemple être source de plaisir et de motivation. Dans le domaine de l’acoustique hélicoptère, le bruit en cabine est particulier parce qu’il possède une large gamme de fréquence (10-10000Hz). Le bruit de la boîte de transmission principale est particulièrement désagréable parce qu'il s'agit d'un bruit de type tonal dans des gammes de fréquences (500-3000 Hz) proches de la parole (200-6000Hz) auxquelles l’humain est très sensible. Les passagers émettent le désir de pouvoir travailler, lire et se reposer sans être gêné, ainsi, un enjeu pour les constructeurs consiste à améliorer le confort sonore en cabine. Pour réduire ce bruit, une solution est d’utiliser le contrôle actif. Airbus Helicopters a développé un système d’appui-tête intégrant des haut-parleurs et des microphones permettant de générer une zone autour de la tête des passagers dans laquelle le contrôle actif est réalisé. L’ajout d’un algorithme multi-tonalité, visant à filtrer uniquement les tonalités émergeantes, permet un gain allant jusqu’à 4 dB(A), ce qui représente une réduction de l’inconfort de 15%. L’objectif de cette thèse était de définir s’il est pertinent de filtrer toutes ces tonalités en fonction de l’activité courante du passager. Autrement dit, cette thèse visait à mieux cerner l’impact de différents bruits de cabine d’hélicoptère sur les performances cognitives et le confort des passagers, grâce à des mesures subjectives, comportementales (performance, oculométrie) et psychophysiologiques (électroencéphalographie, électrocardiographie). Afin de simuler l’activité d’un passager, trois tâches ont été sélectionnées : une tâche de « travail » (combinant calcul mental, raisonnement et mémoire de travail), une tâche de lecture et enfin une tâche de repos. Les résultats ont été comparés avec ceux obtenus par l’échelle de confort acoustique développée par Airbus Helicopters. Nous retrouvons une bonne correspondance entre cette échelle et nos résultats. Par ailleurs, nos résultats comportementaux et psychophysiologiques font apparaitre qu’une exposition courte aux sons d’hélicoptères n’a généralement que très peu d’effets délétères sur les performances aux tâches et ne crée qu’une faible augmentation du niveau de stress, observable par l’activité cérébrale et cardiaque. Cependant, le ressenti subjectif est le plus impacté par le bruit, avec un ressenti négatif associé aux bruits ayant le plus de tonalités.

L’activité de pilotage implique une étroite collaboration entre les pilotes. En effet,même si ceux-ci partagent un espace co-localisé, leur besoin en matière de conscience mutuelle correspond davantage à une collaboration à distance. Compte tenu de la séparation des tâches, ils doivent agir et regarder dans des directions parfois opposées tout en assurant une bonne coordination de l'activité globale. La parole, l’expressivité gestuelle et la disposition des contrôleurs physiques sont des moyens importants pour transmettre les informations utiles à la conscience mutuelle de la situation au sein du poste de pilotage.Cependant, dans les postes de pilotage des avions de ligne, les écrans tactiles sont en train progressivement de remplacer les contrôleurs physiques. Malgré les nombreux avantages des interactions tactiles et des affichages dynamiques, cela génère un problème dans le partage des informations transmises par les gestes entre les deux pilotes. Les gestes sont à la fois moins perceptibles et moins compréhensibles. L’objectif de ce travail de thèse est de combler ce déficit d'information en proposant un moyen de représenter, à même l'interface numérique tactile, les bonnes propriétés des gestes physiques, et ceci afin de préserver la capacité des pilotes à se coordonner.Pour cela, nous proposons la conception d’un système de représentation graphique permettant de suppléer les gestes effectués par les pilotes sur l'interface tactile. A partir de la littérature spécialisée et d’une analyse de l’activité gestuelle, nous avons identifié neuf informations produites par les gestes physiques et qui doivent idéalement être reproduite dans l'interaction avec l'interface numérique tactile. En complément, nous avons mené un état de l’art sur les représentations des gestes. Nous proposons une représentation iconique et abstraite en rupture avec les représentations basées sur la morphologie de la main. Des représentations ont été conçues et évaluées par des pilotes lors d’ateliers participatifs. Notre travail montre une nouvelle manière de représenter les gestes et permet d’identifier les informations recherchées par les pilotes afin qu'ils soient en capacité d'assurer leur conscience mutuelle. Par ailleurs, il apparait que les représentations des gestes ont des statuts d’importances différentes selon la situation, allant parfois jusqu’à être inutiles.

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.

L’exploration pétrolière et le monitoring de la contamination demeurent très limités dans les régions colonisées par la végétation. La présence de suintements naturels et de fuites d’installations pétrolières est bien souvent masquée par le feuillage, rendant inopérantes les technologies actuelles de détection du pétrole brut et des produits pétroliers. L’exposition de la végétation à ces composés affecte toutefois son état de santé et, par conséquent, ses propriétés optiques dans le domaine [400:2500] nm. Cela suggère de pouvoir détecter les suintements et les fuites d’installations de manière indirecte, en analysant l’état de santé de la végétation au travers de sa réflectance spectrale. Basée sur cette hypothèse, la présente thèse évalue le potentiel de l’imagerie hyperspectrale aéroportée à très haute résolution spatiale pour détecter et quantifier la contamination pétrolière en région tempérée végétalisée. Pour cela, une approche multi-échelles en trois étapes a été adoptée. La première étape a eu pour objet de développer une méthode de détection et de caractérisation de la contamination en conditions contrôlées, exploitant les propriétés optiques de Rubus fruticosus L. La méthode proposée combine 14 indices de végétation en classification et permet de détecter divers contaminants pétroliers avec précision, depuis l’échelle de la feuille jusqu’à celle du couvert. Son utilisation en conditions naturelles a été validée sur un bourbier de production contaminé, colonisé par la même espèce. Au cours de la seconde étape, une méthode de quantification des hydrocarbures pétroliers totaux, basée sur l’inversion d’un modèle de transfert radiatif, a été développée. Cette méthode exploite le contenu en pigments des feuilles, estimé à partir de leur signature spectrale, afin de prédire précisément le taux de contamination en hydrocarbures du sol. La dernière étape de l’approche a démontré la robustesse des deux méthodes en imagerie aéroportée. Celles-ci se sont montrées très performantes pour détecter et quantifier la contamination des bourbiers. Une autre méthode de quantification, basée sur la régression multiple, a également été proposée. Au terme de cette thèse, les trois méthodes proposées ont été validées pour une utilisation sur le terrain, à l’échelle de la feuille et du couvert, ainsi qu’en imagerie hyperspectrale aéroportée à très haute résolution spatiale. Leurs performances dépendent toutefois de l’espèce, de la saison et du niveau de contamination du sol. Une approche similaire a été conduite en conditions tropicales, permettant de mettre au point une méthode de quantification de la contamination adaptée à ce contexte. En vue d’une utilisation opérationnelle, un effort important reste nécessaire pour étendre le champ d’application des méthodes à d’autres contextes et envisager leur application sur les futurs capteurs hyperspectraux embarqués sur satellite et sur drone. Enfin, l’apport de la télédétection active (radar et LiDAR) est à considérer dans les recherches futures, afin de lever certaines limites propres à l’utilisation de la télédétection optique passive.

Dans la dernière partie, des simulations numériques sur le claquage micro-ondes et la formation de structures filamentaires de plasma sont conduites. Les effets de différents types d’approximations sur le modèle physique du plasma sont analysés. Puis, ces expériences numériques démontre la précision et l’efficacité, en terme de temps de calcul, de la méthode multi-échelle proposée. Enfin, on étudie les effets de chauffage du gaz sur la formation et l’entretien de structures filamentaires dans l’air à pression atmosphérique. Pour cela, le modèle micro-onde-plasma développé est couplé avec les équations de Navier-Stokes instationnaires pour les écoulements compressibles. Les simulations montrent des caractéristiques intéressantes de la dynamique de ces structures plasma pendant le processus de chauffage du gaz, qui sont en accord étroit avec les données expérimentales.

L’évaluation des performances des procédures de Contrôle Non Destructifs (CND) en aéronautique est une étape clé dans l’établissement du dossier de certification de l’avion. Une telle démonstration de performances est faite à travers l’établissement de probabilités de détection (Probability Of Detection – POD), qui intègrent l’ensemble des facteurs influents et sources d’incertitudes inhérents à la mise en œuvre de la procédure. Ces études, basées sur des estimations statistiques faites sur un ensemble représentatif d’échantillons, reposent sur la réalisation d’un grand nombre d’essais expérimentaux (un minimum de 60 échantillons contenant des défauts de différentes tailles, qui doivent être inspectés par au moins 3 opérateurs [1]), afin de recueillir un échantillon suffisant pour une estimation statistique pertinente. Le coût financier associé est élevé, parfois prohibitif, et correspond majoritairement à la mise en œuvre des maquettes servant aux essais. Des travaux récents [2-5] ont fait émerger une approche de détermination de courbes POD utilisant la simulation des CND, notamment avec le logiciel CIVA. L’approche, dite de propagation d’incertitudes, consiste à : - Définir une configuration nominale d’inspection, - Identifier l’ensemble des paramètres influents susceptibles de varier dans l’application de la procédure, - Caractériser les incertitudes liées à ces paramètres par des lois de probabilités, - Réaliser un grand nombre de simulations par tirage aléatoire des valeurs prises par les paramètres variables selon les lois de probabilités définies. Le résultat de cet ensemble de simulations constitue enfin la base de données utilisée pour l’estimation des POD. Cette approche réduit de façon très importante les coûts d’obtention des POD mais est encore aujourd’hui sujette à discussions sur sa robustesse vis-à-vis des données d’entrée (les lois de probabilité des paramètres incertains) et sur la prise en compte des facteurs humains. L’objectif de cette thèse est de valider cette approche sur des cas d’application AIRBUS et d’en améliorer la robustesse afin de la rendre couramment utilisable au niveau industriel, notamment en la faisant accepter par les autorités de vol (FAA et EASA). Pour ce faire le thésard devra mener des campagnes de validations des codes de simulation des CND, mettre en œuvre la méthodologie décrite plus haut sur les cas d’application AIRBUS, puis proposer et mettre en œuvre des stratégies d’amélioration de la robustesse de la méthode vis-à-vis des données d’entrée et des facteurs liés à l’humain.

Les situations inconnues, i.e. jamais rencontrées ni anticipées, peuvent survenir lors de missions aérospatiales, comme dans le cas de la mission Apollo 13. Ainsi, l’équipage du premier vol habité vers Mars traitera probablement des situations inconnues (Orasanu, 2005) dans cet environnement potentiellement contraint, volatil et extrême tout en étant isolé de l’aide du centre de contrôle sol du fait des délais de communication. Or, un équipage ne peut pas être entrainé à traiter toutes les situations et a fortiori les situations inconnues (Noe, Dachner, Saxton et Keeton, 2011). Le présent travail de recherche est donc centré sur l’amélioration de la performance opérationnelle collective face à une situation inconnue en vol spatial habité vers Mars. La littérature étudiée (McLennan, Holgate, Omodei et Wearing, 2006 ; Noe et al., 2011) indique qu’une équipe partageant des expériences augmente sa compétence. En revanche, soit cette littérature est centrée sur une activité précise, soit elle ne discrimine pas les différents types d’expérience. De plus, la préparation d’une équipe pour réagir à une situation inconnue n’est pas abordée dans cette littérature. Potentiellement influencée par le partage d’expériences au niveau collectif, la métacognition est un levier reconnu d’augmentation de la performance en résolution de problèmes. La métacognition est définie comme la cognition sur la cognition (Flavell, 1979) et est modélisée en différentes étapes de raisonnement lors de résolutions de problèmes. Néanmoins, il n’est pas établi de lien entre d’une part le suivi de ces étapes ou leur mélange entre elles (i.e. la netteté métacognitive) et d’autre part l’amélioration de la performance opérationnelle collective en résolution de problème. Pour répondre à ces problématiques, un protocole spécifique (LETUCA) a été conduit durant vingt mois. Trois équipes stables ont été mises à l’épreuve de douze problèmes conçus pour ce travail ou adaptés de la littérature. La première a partagé un maximum d’expériences, la deuxième était constituée d’équipiers vivant les mêmes expériences, mais majoritairement séparément. La troisième n’a pas vécu d’expérience particulière. Ces trois équipes sont caractérisées selon les qualités des expériences vécues relativement à un entrainement fictif à l’inconnu. Ces qualités sont déterminées par des professionnels pouvant faire face collectivement à des situations inconnues. Les résultats obtenus soutiennent l’existence d’un lien entre le partage d’expériences diversifiées et de qualité et la performance opérationnelle collective en résolution de problèmes inconnus. L’étude de la métacognition permet de préciser ce lien : aucune relation n’est établie entre la performance et le suivi ou non du modèle de métacognition retenu. En revanche, un lien est confirmé entre les hautes valeurs de netteté métacognitive et l’augmentation de la performance opérationnelle. Finalement, l’ensemble des résultats permet de construire un modèle métacognitif collectif empirique en résolution de problème.

La recherche de configurations d’aéronefs plus efficaces mène les ingénieurs à explorer de nouveaux concepts tels que l’aile volante, l’aile haubanée ou l’aile en jointive. Contrairement à la configuration classique aile-fuselage, qui est bien connue et étudiée, le comportement en vol de ces nouveaux concepts d'avion est peu connu. Dans ce contexte, la conception, la construction et les essais de modèles à l'échelle aéroélastiquement semblables se présentent comme un moyen peu risqué d'acquérir des connaissances expérimentales sur ces nouveaux concepts. Un modèle aéroélastiquement semblable présente le même comportement aéroélastique (mis à l’échelle) que l’avion de référence à échelle réelle. En général, le même comportement aéroélastique implique de reproduire les mêmes déplacements pour des conditions du flux d’air données, ainsi que les mêmes vitesses de flottement ou de divergence statique mises à l'échelle. Pour résoudre le problème de similitude, l'approche est divisée en trois parties. Dans le premier cas, nous traitons le problème de similitude aéroélastique lorsque les paramètres de similitude du flux aérodynamique peuvent être complètement préservés. Dans cette situation, le problème consiste simplement à reproduire la réponse dynamique modale de l’aile mise à l'échelle en optimisant les propriétés de la structure et de la masse. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur l’optimisation du design de la forme de l’aile pour reproduire la réponse du flottement lorsque les paramètres de remise à l’échelle du flux aérodynamique ne peuvent pas être atteints.