The vision driving the work reported herein is to investigate the fluid-structure interac- tion (FSI) effects of the flexible laminated blades for tilt-body micro-air-vehicles (MAV) proprotors in hover and forward flight configurations. This is in order to exploit the po- tential of flexible-bladed proprotor over the rigid-bladed proprotor in the enhancement of proprotor performance during hovering and cruising at a target forward speed. For that, the FSI model taking into account the specific problems devoted to MAV-sized proprotor made of laminate composite was developed. The FSI model combines aerody- namic model adapting Blade Element Momentum (BEM) theory and structural model adapting Anisotropic Finite Element Beam (AFEM) theory. The aerodynamic model is developed to be capable of adapting in the analysis on low Reynolds number proprotors. In the structural model, the blade is modeled as an elastic beam undergoing deflections in flap, lag, and torsion to capture the coupling effects in anisotropic materials, adapts the structural analysis on proprotor blades made of laminate composite. The reliability of the developed FSI model is verified through a validation on both aerodynamic and structural models, separately, on several MAV-sized proprotors. As for a direction to the analysis on passively-adaptive proprotor blades, an optimal design on actively-adaptive proprotor was carried out. For this, a program for designing the optimum rigid blades at single-point (for either isolated cruise-point or isolated hover-point) and multiple-point (combined cruise and hover point) for proprotors have been developed. The procedures in the optimal design program employs the numerical iterative inverse design method, based upon the minimum thrust induced losses (MIL). Even if the work in this thesis was directed primarily towards the proprotor, however, the propulsion system from the motor part was not neglected since the propulsion efficiency is a crucial factor to the suc- cess of MAVs. A cheap and time-effective method of proposing the best motor from the selected commercial motors was developed, based on Taguchi’s method. The sensitivity of the total power consumption to the variation of value of each motor design variables was also studied. The benefit of the use of tip body in the blade and the effect of bending on the induced twist and on the thrust degradation, respectively, were also analyzed and identified. Finally, the systematically designed passively-adaptive composite proprotors were evaluated under steady operating conditions. Hovering and cruise propulsive performance, characterized by total power Ptotal, were compared between the rigid-bladed and flexible-bladed proprotors. As a result of the comparison, the flexible-bladed proprotor with fixed system is found to be capable of slightly enhancing the performance through the reduction in Ptotal over its optimal rigid-bladed proprotor.

Afin de déterminer l’état dans lequel les fragments arrivent au sol et leurs points d’impact, une compréhension fine des phénomènes physiques intervenant lors de la rentrée atmosphérique des débris spatiaux, ainsi qu’un effort important de modélisation sont nécessaires. Il s’agit en particulier d’analyser et de modéliser des phénomènes physiques peu pris en compte jusqu’à présent par les approches existantes et connues. Durant cette thèse une modélisation des interactions entre fragments en régime continu hypersonique et supersonique pour des écoulements de gaz parfait et de gaz réel a été proposée. Ceci a permis de montrer l’influence significative de ce phénomène sur la dynamique et la survie d’une sphère située dans la couche de choc générée par un premier fragment. D’autre part, un modèle pour l’estimation des coefficients aérodynamiques de force et de moment ainsi que le coefficient de flux de chaleur en régime hypersonique du moléculaire libre au continu est proposé. En complément des régimes hypersonique et supersonique, un modèle préliminaire pour le calcul des coefficients aérodynamiques en régime transsonique a été développé. Un modèle de conduction thermique adapté à la rentrée des débris spatiaux a été développé. Les influences du modèle de conduction, de l’épaisseur de paroi et de la prise en compte de la dépendance en température de la conductivité thermique et de la capacité calorifique sur la distribution de température dans la paroi ont été montrées. D’autre part, une étude expérimentale sur l’oxydation de l’alliage de titane TA6V a été menée au laboratoire PROMES-CNRS d’Odeillo sous plasma d’air. Les premiers résultats confirment la nécessité de tenir compte de l’oxydation de la paroi en particulier dans un environnement à haute température où l’oxygène est dissocié comme c’est le cas pour les rentrées atmosphériques terrestres de débris spatiaux. Par ailleurs, un modèle de dégradation thermique de la paroi par fusion (ablation) a été mis en place. Ces modèles ont été implantés dans le code MUSIC/FAST de l’ONERA. Celui-ci, initialement conçu pour l’analyse pré-mission de la rentrée de véhicules ou de capsules, a été évalué, consolidé et amélioré pour son application à la rentrée des débris spatiaux. Les coefficients aérodynamiques et aérothermodynamiques calculés par le code ont été confrontés aux données issues de la littérature pour différentes géométries. Enfin, la rentrée atmosphérique d’un réservoir sphérique a été simulée permettant d’évaluer l’influence de différents paramètres (pente, propriétés des matériaux, propriétés de la paroi interne du réservoir, épaisseur de la paroi) sur la trajectoire du fragment et son état lors de son impact au sol.

Le plasma est un gaz ionisé qui possède des caractéristiques physiques intéressantes dans le domaine des hyperfréquences. En simplifiant, on peut le caractériser comme un milieu diélectrique dispersif dont la permittivité est fonction de deux paramètres : la pulsation plasma (wp) et la fréquence de collision électron-neutre (np). En pratique, ces paramètres dépendent principalement de la densité électronique du gaz et de sa pression. Ainsi, en contrôlant les caractéristiques du plasma, on contrôle sa permittivité diélectrique, ce qui permet d’envisager son application dans le domaine de la reconfigurabilité en hyperfréquence. Parmi les topologies pouvant générer une décharge plasma, nous nous sommes focalisés sur l’utilisation de topologies récentes, à savoir les microdécharges plasma. Ces microdécharges sont intéressantes de par leur facilité d’intégration dans un dispositif RF : petite taille, stabilité, température proche de la température ambiante et perspectives d’utilisation à plus haute pression, voire à la pression atmosphérique. Devant la difficulté de modéliser précisément l’effet du plasma sur une onde guidée, une approche expérimentale a été privilégiée. Deux dispositifs de mesure ont ainsi été conçus pour caractériser cette interaction : une ligne de transmission microruban classique et une inversée intégrant une microdécharge en leurs centres. Grâce au protocole expérimental mis en œuvre, les paramètres S de la ligne de transmission sont obtenus et comparés à ceux des lignes sans plasma dans une large gamme paramétrique, qu’il s’agisse de la pression du gaz, de la fréquence ou encore du courant injecté à la décharge. Les résultats obtenus montrent deux phénomènes particulièrement intéressants : un déphasage de l’onde électromagnétique en présence de la décharge plasma et / ou une absorption importante de la puissance par la décharge. Deux dispositifs antennaires ont finalement été conçus en exploitant ces résultats. Le premier est une antenne imprimée accordable en fréquence dans une plage de l’ordre du pourcent, grâce à une décharge plasma contrôlée. Le plasma modifie alors la constante diélectrique entre les deux conducteurs constitutifs de l’antenne. Le second dispositif est une antenne anneau imprimée qui peut protéger son récepteur d’une attaque microondes de forte puissance. Ainsi, lorsqu’un champ incident dépasse un seuil prédéfini, réglable dans une certaine mesure par une tension continue externe, une décharge plasma apparaît au sein de l’élément rayonnant. Elle crée alors de la désadaptation et de l’absorption qui limitent de façon non linéaire la puissance restituée à l’accès.

Les visualisations de données permettent de transmettre de l’information aux utilisateurs. Pour explorer et comprendre les données, les utilisateurs sont amenés à interagir avec ces visualisations. Toutefois, l’interaction avec les visualisations modifie le visuel. Pour éviter des changements brusques et garder l’utilisateur focalisé sur les objets graphiques d’intérêt, des transitions visuelles sont nécessaires pour accompagner les modifications de la visualisation. Ces transitions visuelles peuvent être codées sous la forme d’animations, ou de techniques qui permettent de faire des correspondances, ou des liens avec des données représentées sur plusieurs affichages. Le premier objectif de cette thèse était d’étudier les bénéfices et les propriétés des animations pour l’exploration et la compréhension de grandes quantités de données multidimensionnelles. Nous avons établi en conséquence une taxonomie des transitions animées en visualisation d’information basée sur les tâches des utilisateurs. Cette taxonomie a permis de constater qu’il n’existe pas de contrôle utilisateur sur la direction des objets durant l’animation. Nous avons donc proposé des interactions pour le contrôle de la direction des objets graphiques lors d’une transition animée. D’autre part, nous avons étudié une technique de transition animée mettant en jeu une rotation 3D entre visualisations. Nous avons identifié les avantages qu’elle pouvait apporter et en avons proposé une amélioration. Le second objectif était d’étudier les transitions visuelles dans le domaine du Contrôle du Trafic Aérien. En effet, les contrôleurs utilisent de nombreuses visualisations qui comportent des informations étalées et dupliquées sur plusieurs affichages: l’écran Radar, le tableau de strips, des listes spécifiques d’avions (départ, arrivées) etc. Ainsi dans leur activité, les Contrôleurs Aériens réalisent des transitions visuelles en recherchant et en reliant de l’information à travers les différents affichages. Nous avons étudié comment les animations pouvaient être utilisées dans le domaine du contrôle aérien en implémentant un prototype d’image radar regroupant trois visualisations usuelles pour instrumenter l’activité de supervision du trafic aérien.

La prochaine génération de télescopes spatiaux devra repousser les limites des technologies actuelles afin d’accroitre les performances techniques et opérationnelles. Dans le cas d’observations difficiles, l'utilisation de plus grandes ouvertures des miroirs primaires est essentielle pour obtenir la résolution optique et la sensibilité requises. Toutefois, les grandes ouvertures primaires induisent un certain nombre de défis techniques tels que la masse, le volume et la raideur du miroir. La masse et le volume doivent rester acceptables par rapport au lanceur et la raideur du miroir, qui diminue avec l’augmentation du diamètre du miroir, doit être suffisante afin que les performances ne soient pas altérées par les déformations statiques et dynamiques. Pour surmonter ces limitations, des configurations de miroirs déformables comportant des éléments de contrôle actifs sont étudiées pour les futurs télescopes spatiaux. Les actionneurs piézoélectriques, qui répondent aux exigences de puissance massique et de bande passante, peuvent être utilisés comme éléments de contrôle actifs intégrés dans la structure de miroir. Toutefois, ces actionneurs montrent en fonctionnement en boucle ouverte des comportements non linéaires indésirables, comme le fluage et l'hystérésis, qui peuvent conduire à des inexactitudes indésirables et limiter les performances des systèmes. Par conséquent, pour les miroirs déformables activés par des actionneurs piézoélectriques, la compensation des non linéarités dans les actionneurs piézoélectriques est indispensable. La conception d’un miroir léger, compact et déformable à raideur adéquate est un défi très important pour les télescopes spatiaux mais n'est pas abordée dans cette thèse. Cette thèse porte sur le contrôle de surfaces de miroirs déformables actionnés par des actionneurs piézoélectriques et en particulier sur la compensation du fluage et de l'hystérésis dans les actionneurs piézoélectriques. La technologie de miroir actif étudié (avec des pieds activés, type miroir fakir) requiert un grand nombre d’actionneurs afin de tenir les exigences en termes de planéité de surface et ne permet pas un contrôle en boucle fermée de chaque actionneur (ce type de contrôle est trop exigeant en nombre de capteurs). La compensation du fluage et de l’hystérésis est donc réalisée en boucle ouverte et s’appuie sur des modèles précis des non linéarités à compenser et sur l’implémentation de modèles inverses. Un support d’étude expérimental a été élaboré au cours de la thèse afin de valider les études théoriques par des résultats expérimentaux. Il représente une partie d’un miroir de grande taille et consiste en une plaque de verre circulaire de diamètre 300mm dont la surface peut être actionnée par 7 actionneurs piézoélectriques annulaires. Les premières chapitres de la thèse concernent l’étude de la compensation en boucle ouverte du fluage et de l’hystérésis dans un seul actionneur qui est alors considéré comme un système SISO (single input – single output). Dans le dernier chapitre de la thèse, le fluage et de l’hystérésis sont compensés dans 3 actionneurs simultanément, ceux-ci formant un système MIMO (multi input – multi output). Les apports de la thèse concernent le développement de nouveaux modèles directs et inverses de fluage et d’hystérésis qui ont été validés par des expérimentations réalisées dans un contexte difficile de par la faible étendue des amplitudes de déplacement ( de l’ordre du micromètre).

Ces travaux de recherche portent sur le développement d'un système original de fusion de données de diffusion électromagnétique et optique par des milieux denses et complexes. La méthode, à la fois théorique, numérique et expérimentale, permet la fusion des signatures de diffusion hyperspectrales, polarimétriques et angulaires d'un milieu d'étude. Un système expérimental multi-capteurs comprenant une source laser supercontinuum est présenté pour mesurer les signatures de diffusion de différentes cibles. Des modèles directs de simulation physique ont aussi été développés via : (i) une approche dite « top-down » qui modélise les signatures à partir de paramètres macroscopiques (ex. rugosité, indices optiques effectifs) ou (ii) une approche dite « bottom-up » qui modélise les signatures à partir de paramètres microscopiques (ex. distribution en taille, géométrie, concentration, indices optiques et structuration des diffuseurs) en résolvant soit l'équation de transfert radiatif ou directement les équations de Maxwell. Des méthodes inverses appliquées sur les signatures mesurées sont développées pour retrouver simultanément les paramètres d’intérêt du milieu analysé. Les avancées de ces travaux permettent une amélioration de la compréhension des phénomènes de diffusion électromagnétiques et optiques par des milieux denses et complexes tels que les surfaces rugueuses, les revêtements, les nanomatériaux, les suspensions colloïdales ou les agrégats fractals d'aérosols ultrafins. Les domaines d'applications de ces travaux sont l'aéronautique (ex. peintures d'aéronefs), l'imagerie aéroportée ou satellite (ex. imagerie active hyperspectrale ou polarimétrique), la sécurité et la défense (ex. matériaux pour la furtivité) ou bien les sciences de l'atmosphère (ex. systèmes LiDAR, suivi de pollution, suies), l'industrie chimique (ex. suspensions colloïdales) ou le biomédical (ex. diagnostic de tumeurs et mélanomes).

Ces travaux de thèse sont le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire de Métrologie et Dosimétrie des Neutrons de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire et le Département d’Environnement Spatial de l’Office National d’Etudes et Recherches Aérospatiales. L’objectif était de caractériser et de mettre en service un système opérationnel de spectrométrie des neutrons, étendu au domaine des hautes énergies afin de mesurer de manière dynamique les variations de l’environnement radiatif naturel atmosphérique en altitude au sommet de l’Observatoire du Pic du Midi de Bigorre dans les Pyrénées. Pour ce faire, les réponses des différents détecteurs ont été calculées par simulations Monte Carlo avant d’être validées expérimentalement jusqu’au domaine des hautes énergies en champs neutroniques de référence. La méthode de reconstruction mathématique du spectre par déconvolution a été étudiée afin de quantifier les incertitudes systématiques. Ensuite, le système a été testé sous la roche au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel avant d’effectuer les premières mesures en altitude à +500 m et +1000 m. A la suite de ces expériences, le spectromètre a été installé en mai 2011 au sommet du Pic du Midi à +2885 m. La méthodologie d’analyse en continu des données recueillies a été développée. Des oscillations saisonnières du spectre dont l’amplitude dépend du domaine énergétique ont été mises en évidence. Des décroissances Forbush, caractéristiques d’éruptions solaires, ont également été observées à l’approche du 24ème cycle solaire. Des simulations Monte Carlo ont permis d’analyser ces résultats. Les données ont été valorisées grâce à des applications en dosimétrie personnelle et en fiabilité des composants électroniques vis-à-vis des radiations.

L'objectif de cette étude est de résoudre les qualités de vol d'une aile volante long courrier, au stade de la conception avion. Le concept d'aile volante promet un gain important en terme de performances et de niveau de finesse par rapport aux configurations classiques. Ce gain est obtenu par l'intégration des quatre fonctions principales de l'avion (portance, contrôle, propulsion, transport) dans un seul corps. Ces choix de configuration entraînent des challenges à relever, dont l'obtention de qualités de vol respectant la certification. La configuration initiale étudiée présente de fortes instabilités longitudinales et latérales, une faible autorité en roulis, et des difficultés à effectuer la manœuvre de rotation au décollage. Dans cette étude sont proposées des solutions, combinant des surfaces de contrôle innovantes et des degrés de libertés originaux, qui tirent profit des avantages de la configuration. Les qualités de vols sont résolues dans un processus de résolution avec aussi peu de boucles que possible, et l'impact sur les performances est minimisé. En sortie de ce processus se trouve l'architecture de surface de contrôle optimisée, qui minimise l'impact des qualités de vol sur le coût de la mission.

Dans ce mémoire, nous présentons une stratégie basée sur une approche hybride dans le domaine temporel, couplant une méthode de résolution des équations de Maxwell dans le domaine 3D (FDTD) avec une méthode de résolution des équations de ligne de transmission, afin de pouvoir simuler des problèmes électromagnétiques de grande échelle. Le mémoire donne les éléments d’hybridation pour deux cadres d’utilisation de cette approche : une approche multi-domaine et une approche multi-résolution ou d’échelle. L’approche multi-domaine est une extension de la méthode FDTD 3D à plusieurs sousdomaines reliés par des structures filaires sur lesquelles on résout une équation de lignes de transmission par un formalisme FDTD 1D. La difficulté est d’abord d’avoir une définition implicite du champ électromagnétique dans la théorie des lignes de transmission, et d’autre part de prendre en compte les effets du sol sur les courants induits au niveau des lignes et sur les champs électromagnétiques. L’approche multi-résolution ou d’échelle est conçue pour étendre les capacités de la méthode FDTD au traitement du routage de câbles complexes ayant une section plus petite que la taille de la cellule. Ce mémoire présente différentes techniques pour évaluer les paramètres de la ligne, basées sur la résolution d’un problème de Laplace 2D, ainsi qu’une méthode de couplage champs/câbles basée sur le courant de mode commun. L’ensemble de ce travail nous a permis de proposer une méthode numérique efficace pour calculer les effets électromagnétiques induits par une source (type onde plane ou dipolaire) sur des sites de grande dimension, composés de plusieurs bâtiments reliés entre eux par un réseau de câbles. Dans ce cadre une application à la foudre a été réalisée.

La surveillance des turbulences de sillage par radar en temps de pluie présente un intérêt à la fois pratique et scientifique. Cette thématique a été traitée à travers trois étapes successives. Tout d’abord, le mouvement et la distribution des gouttes d’eau dans les vortex ont été modélisés et simulés. A partir de l’équation de la dynamique appliquée sur une goutte d’eau, une méthode de calcul de la trajectoire des gouttes d’eau et de leur concentration dans les turbulences de sillage a été proposée. Ensuite, deux simulateurs de réponse radar des gouttes d’eau dans et autour des vortex ont été proposés. Ces deux simulateurs ont été utilisés pour reproduire des configurations expérimentales, et une comparaison préliminaire avec les mesures a montré une concordance intéressante entre mesures et simulations en bande X et W. Enfin, l’interprétation de la signature radar des gouttes de pluie dans les vortex a été présentée. La dépendance de la signature envers différents paramètres, à savoir l’intensité de précipitation, la circulation des vortex et les paramètres radar, a été étudiée pour des turbulences de sillage générées par différents types d’avions. Une méthode de détection des turbulences de sillage basée sur la largeur du spectre Doppler des gouttes de pluie et un algorithme permettant d’estimer les caractéristiques des turbulences de sillage ont été proposées. La signature radar des turbulences de sillage par temps de pluie a été modélisée et analysée dans cette thèse. Les résultats de simulations ont démontré les capacités du radar pour la détection de ces turbulences. Les méthodes développées dans cette thèse pourront être utilisées pour le dimensionnement de systèmes radar dédiés à la surveillance des turbulences de sillage par temps de pluie.