Cette thèse s’intéresse à la manière d’optimiser l’apprentissage du pilotage par l’amélioration de l’éducation du comportement oculaire. Dans divers domaines (e.g., médical, aéronautique), différentes méthodes d’éducation du comportement oculaire ont démontré leur efficacité quant à leur capacité à optimiser le temps d’apprentissage d’une tâche. Toutefois, dans le domaine du pilotage, cela n’a reçu que très peu de validation empirique (Ziv, 2016) notamment à cause de difficultés de mise en œuvre technique et méthodologique inhérentes à la nature dynamique et complexe de l’activité de pilotage (Eyrolle et al., 1996). Dans le but d’éduquer le comportement oculaire des élèves-pilotes, nous avons tout d’abord modélisé les caractéristiques du comportement oculaire à adopter. Puis nous avons conçu, développé et validé expérimentalement un outil spécifique, le PilotGazeTrainer, permettant de mettre en œuvre une nouvelle méthode originale d’éducation du comportement oculaire basée sur deux principes essentiels : l’analyse permanente du regard du participant, et l’affichage en temps-réel de feedbacks visuels ou sonores. Afin d’évaluer cette nouvelle méthode, nous avons réalisé plusieurs expérimentations sur un simulateur de vol et sur un micromonde développé pour l’occasion (l’AbstractFlyingTask). Les premiers résultats montrent que notre méthode permet, en très peu de temps, une modification durable du comportement oculaire bénéfique pour les personnes concernées. Ces résultats comportementaux ont également révélé le potentiel des outils développés – le micromonde AbstractFlyingTask et le PilotGazeTrainer – pour éduquer le comportement oculaire.

A leurs débuts dans les années 50, les véhicules de décollage et d'atterrissage verticaux (VTOL) n’étaient pilotés que par les pilotes les plus expérimentés. Les avancées récentes sur les capteurs inertiels à faible coût, les systèmes embarqués intégrés, d'autre part, renforcent les systèmes d'augmentation de la stabilité (SAS) pour atténuer les modes dynamiques instables et permettre un vol par un utilisateur faiblement expérimenté puis de façon totalement autonome. Cependant, presque toutes les techniques de conception du pilote automatique reposent sur des descriptions mathématiques précises d'architectures nouvelles et donc inconnues. La présente thèse établit un cadre unifié, à savoir la Phi-théorie, pour évaluer les qualités de manipulation des véhicules hybrides et, en outre, concevoir des lois de contrôle stabilisatrices appropriées. Cette étude a consisté à établir un modèle traçable pour les véhicules tail-sitters en vue de la conception du contrôle et de l'analyse de la dynamique qualitative. La Phi-théorie proposée ne donne pas seulement un modèle avantageusement numérique, mais élargit également notre compréhension des véhicules tail-sitters. En contraste étroit avec la littérature existante, le modèle proposé est globalement non singulier, de type polynomial et contourne l'utilisation d'angles aérodynamiques d'attaque et de glissement latéral (free-stream et propwash induits). Même si mathématiquement élégant, un modèle mathématique ne présente un intérêt que s'il est conforme à la réalité. Cette thèse montre que c'est le cas au moyen de données issues d’une campagne de soufflerie ainsi que grâce à des essais en vol.

Un concept innovant d'aéronef convertible a été imaginé pour des applications de drone tactique. La sustentation en mode hélicoptère est assurée par un rotor situé dans le nez de l'appareil et entraîné en rotation par des hélices montées sur ses pales. Le rotor s'arrête en vol pour faire office de plan canard et ses hélices propulsent l'appareil en mode avion. Une aile fixe est ajoutée dans la queue de l'appareil, dans le flux du rotor, pour soulager la charge de ce dernier quand il est arrêté. Ainsi, le design des hélices n'est plus surdimensionné pour sustenter l'appareil en mode hélicoptère, la dimension du rotor n'est plus limitée par le fonctionnement en mode avion et la majorité des systèmes est utilisée dans les deux modes, ce qui réduit la puissance nécessaire, le poids et la trainée aérodynamique. La faisabilité de ce concept a été démontrée au cours de ces travaux de thèse. Cette dernière comprend l'analyse du comportement du système rotor, l'étude des interactions entre les appendices aérodynamiques en vol stationnaire et le contrôle au cours de la transition entre vol stationnaire et vol horizontal. Les gains en performance de ce concept par rapport aux drones tactiques existants, en termes d'autonomie et de masse de charge utile embarquée, ont été évalués dans le cadre d'une étude de conception amont. Par ailleurs, le principe de rotor propulsé par hélice a été repris et exploité dans un nouveau concept breveté qui pallie les défauts inhérents aux drones multirotors. Ces derniers se révèlent, en effet, intrinsèquement peu fiables en raison de la complémentarité de leurs différents systèmes propulsifs.

L’hydrogène liquide est un ergol utilisé en complément de l’oxygène liquide pour la propulsion de nombreux lanceurs en particulier ceux de la famille Ariane. Cependant, sa dangerosité interdit la réalisation d’essais, en particulier vibratoires, sur des réservoirs remplis. Cette thèse explore une piste d’étude permettant de réaliser ces essais vibratoires sur le réservoir rempli d’un matériau de substitution : un ensemble de billes pré-contraintes. L’objectif est d’obtenir un comportement modal similaire en termes de modes et de fréquences propres à celui du réservoir rempli d’hydrogène liquide pour l’étude des premiers modes. Pour répondre à cet objectif, cette étude est développée en deux parties. Dans la première partie, une approche analytique basée sur une méthode par équivalences fréquentielles est détaillée. Après avoir présenté les grandes lignes de la méthodologie utilisée et l’ensemble des modèles développés, la méthodologie est appliquée au cas étudié expérimentalement de manière à mettre en évidence l’influence des différents paramètres et de proposer une première méthode pour choisir un jeu de billes adapté. La seconde partie, traite principalement des aspects expérimentaux et numériques. Après avoir détaillé la caractérisation des billes utilisées, le montage expérimental conçu et réalisé pour effectuer des essais vibratoires sur un réservoir rempli de billes pré-contraintes est présenté. Les différents résultats obtenus avec ce montage sont étudiés au regard de l’approche analytique, mais aussi de modèles numériques utilisant des éléments-discrets et des éléments-finis.

L’objectif de cette thèse est de contrôler passivement une instabilité dynamique appliquée au flottement d’un profil aéroélastique à l’aide de différents types d’Amortisseurs à Masse Accordés (AMA). Un profil 2D appelé Section Typique est utilisé tout au long de l’étude. En première partie, une étude comparative de trois modèles mathématiques d’interaction fluide/structure appliqués à la Section Typique (Theodorsen, LUVLM et UVLM) met en valeur les forces et faiblesses de chacun. Le banc d’essai aéroélastique en soufflerie, utilisé par la suite, est présenté puis identifié avec et sans vent (GVT). En deuxième partie, les calculs des vitesses critiques de Divergence, d’Inversion des Gouvernes et de Flottement sont automatisés avec le modèle Theodorsen afin de réaliser une étude paramétrique du banc d’essai et mettre en lumière les variables de conception les plus influentes. L’analyse modale présente différentes bifurcations liées au changement soudain du mode instable. Ensuite, le même algorithme est utilisé afin d’analyser la suppression du flottement à l’aide de trois géométries d’AMAs linéaires. La dernière partie présente l’étude expérimentale et numérique d’un AMA non linéaire de type Nonlinear Energy Sink (NES). La singularité de cette configuration est d’utiliser le volet en tant qu’amortisseur et ainsi, ne pas ajouter de masse (FSI-VA). En soufflerie, six comportements non linéaires sous-critiques (en deçà de la vitesse de flottement dans la configuration linéaire) sont observés, identifiés et analysés : cinq Cycles Limites d’Oscillations (LCO) et un battement non linéaire chaotique.

La certification des aéronefs au crash ou à l’atterrissage dur nécessite de concevoir et dimensionner des structures légères vérifiant les exigences d’absorption d’énergie. Le critère de performance est l’énergie d’absorption spécifique (Specific Energy Absorption, SEA). Nos travaux expérimentaux et numériques visent une meilleure compréhension de la contribution favorable ou défavorable des modes de ruine à la stabilité et à l’amplitude de l’énergie consommée. Le travail expérimental, réalisé sur des échantillons plaques stratifiées en T700/M21 faible grammage et interlock 55% ou 100%, compare les niveaux et les évolutions des forces d’écrasement avec l’apparition et le maintien des modes de ruine majeurs que sont l’évasement, les fragmentations en coeur de plis et localisée en bout de pli. L’observation et la mesure des processus dynamiques de fragmentation représentent un verrou contourné ici par une analyse point à point de la synchronisation entre les films des essais et les courbes force-déplacement, et par l’observation post-mortem des échantillons, des débris et des fragments. Les plaques ont une performance à l’écrasement sensible à l’épaisseur des plis et aux vitesses de déformation. Pour les interlocks, c’est le sens de tissage qui a le plus d’effet sur l’amplitude et la stabilité de la SEA, et génère un évasement global plus instable. La simulation numérique dynamique transitoire non-linéaire est utilisée comme outil complémentaire de mesure et d’analyse des essais sur plaques T700/M21 [0°/90°]. La morphologie d’écrasement est bien reproduite. L’analyse des processus de ruine à l’échelle du pli fait apparaître l’interaction entre la résistance mécanique en compression transverse du matériau (Yc) et la résistance à la déchirure en cisaillement de la structure (GIIc), et l’articulation et/ou la compétition entre évasement et fragmentation en coeur de pli qui en découlent. La mesure de la contribution des trois modes de ruine dans l’énergie consommée effectuée au travers de l’évolution des seuils de ruine permet de suivre l’évolution correspondante de l’effort d’écrasement. Une étude a été menée sur la robustesse du modèle, et permet d’évaluer plus généralement la sensibilité en amplitude et en stabilité de la SEA aux propriétés de résistance mécanique identifiées comme influentes.

Les turbomachines aéronautiques sont composées de plusieurs roues aubagées dont la fonction est de transférer l’énergie de l’air au rotor. Les roues aubagées des modules compresseur et turbine sont des pièces particulièrement sensibles car elles doivent répondre à des impératifs de performance aérodynamique, de tenue mécanique, de tenue thermique et de performance acoustique. L’optimisation aéro-méca-acoustique ou aéro-thermo-mécanique des aubages consiste à chercher, pour un ensemble de formes aérodynamiques paramétrées (par plusieurs dizaines de variables), celle assurant le meilleur compromis entre la performance aérodynamique du moteur et la satisfaction de plusieurs dizaines de contraintes souvent contradictoires. Cette thèse introduit une méthode d’optimisation basée sur les métamodèles et adaptée à la grande dimension pour répondre à la problématique industrielle des aubages. Les contributions de cette thèse portent sur deux aspects : le développement de modèles de krigeage, et l’adaptation d’une stratégie d’optimisation pour la gestion du grand nombre de variables et de contraintes. La première partie de ce travail traite des modèles de krigeage. Nous avons proposé une nouvelle formulation du noyau de covariance permettant de réduire le nombre de paramètres du modèle afin d’accélérer sa construction. Une des limitations connues du modèle de krigeage concerne l’estimation de ses paramètres. Cette estimation devient de plus en plus difficile lorsque nous augmentons la dimension du phénomène à approcher. En particulier, la base de données nécessite davantage de points et par conséquent la matrice de covariance du modèle du krigeage est de plus en plus coûteuse à inverser. Notre approche consiste à réduire le nombre de paramètres à estimer en utilisant la méthode de régression des moindres carrés partiels (PLS pour Partial Least Squares). Cette méthode de réduction dimensionnelle fournit des informations sur la relation linéaire entre les variables d’entrée et la variable de sortie. Ces informations ont été intégrées dans les noyaux du modèle de krigeage tout en conservant les propriétés de symétrie et de positivité des noyaux. Grâce à cette approche, la construction de ces nouveaux modèles appelés KPLS est très rapide étant donné le faible nombre de paramètres nécessaires à estimer. La validation de ces modèles KPLS sur des cas test académiques ou industriels a démontré leur qualité de prédiction équivalente voire même meilleure que celle des modèles de krigeage classiques. Dans le cas de noyaux de covariance de type exponentiel, la méthode KPLS peut être utilisée pour initialiser les paramètres du krigeage classique, afin d’accélérer la convergence de l’estimation des paramètres du modèle. La méthode résultante, notée KPLS+K, a permis d’améliorer la qualité des modèles dans le cas de fonctions fortement multimodales. La deuxième contribution de la thèse a consisté à développer une stratégie d’optimisation globale sous contraintes pour la grande dimension, en s’appuyant sur les modèles KPLS ou les modèles KPLS+K. En effet, nous avons étendu la méthode d’optimisation auto-adaptative connue dans la littérature sous le nom "Efficient Global Optimisation, EGO" pour gérer les problèmes d’optimisation sous contraintes en grande dimension. Différents critères d’enrichissement adaptatifs ont pu être explorés. Cette stratégie a permis de retrouver l’optimum global sur des problèmes académiques jusqu’à la dimension 50. La méthode proposée a été confrontée à deux types de problèmes industriels, le cas test MOPTA issu de l’industrie automobile (124 variables d’entrée et 68 fonctions contraintes) et le cas test Snecma des aubes de turbomachines (50 variables d’entrée et 31 fonctions contraintes). Les résultats ont permis de montrer la validité de la démarche ainsi que les limites de la méthode pour une application dans un cadre industriel.

Cette étude s’inscrit dans les efforts faits par l’industrie aéronautique pour la protection environnementale. Pour cela, un des objectifs principaux est de réduire les émissions de polluants et les émissions sonores des aéronefs. Les émissions polluantes sont liées à la qualité de la combustion qui dépend elle même de la conception des chambres de combustion. Les émissions sonores sont réduites grâce à des traitements passifs comme les structures absorbantes placées en paroi des moteurs pour diminuer le bruit de soufflante. Pour ces deux applications différentes, on utilise des matériaux perforés. En effet, les matériaux absorbants sont constitués d’une structure en nid d’abeilles surmontée d’une plaque perforée. Dans les chambres de combustion, les perforations permettent l’injection d’un air froid protégeant les parois des hautes températures, mais leur présence peut modifier la caractérisation acoustique de la chambre. L’objectif de cette thèse est de modéliser la réponse acoustique d’un matériau perforé. La taille des perforations étant petite devant les longueurs d’ondes sonores, des techniques de modélisation asymptotique adaptées à la résolution de problèmes multi-échelle peuvent être mises en œuvre. En effet, ces méthodes permettent de faire le lien entre les effets présents à l’intérieur d’une perforation et la réponse acoustique homogénéisée de la plaque perforée. Dans ces travaux, ce sont les effets visqueux présents dans les perforations qui ont été essentiellement étudiés. Ensuite, des simulations numériques directes ont été réalisées pour vérifier la validité des hypothèses émises lors de la modélisation asymptotique. Ces travaux de thèse ont permis d’améliorer la compréhension de la modélisation de la réponse acoustique des matériaux perforés. De plus, la méthode analytique présentée peut être mise en œuvre pour des perforations de géométrie complexe.

Ce projet se place dans le contexte des futures missions habitées d’exploration du système solaire (avec un horizon de 2025), en respect de la feuille de route proposée par l’ISECG (International Space Exploration Coordination Group) [1]. Une nouvelle avancée serait de maintenir, à un des points de Lagrange du système Terre-Lune, en avant-poste, une station spatiale qui faciliterait l’accès vers les destinations telles que la Lune, Mars et les astéroïdes et permettrait de tester certaines technologies, notamment avant de les employer pour des missions plus lointaines. Un des principaux défis sera de maintenir en permanence et de garantir à bord la santé de l’équipage, à l’aide d’un centre médical (SMC) autonome arrimé à cette station. Se pose alors la problématique de la servitude d’une telle station, pendant la phase de déploiement (assemblage des différents modules constitutifs du centre médical) et la phase opérationnelle. Les enjeux résident, d’un point de vue global, dans la construction des scénarios opérationnels et, d’un point de vue local, la sélection de trajectoires, cherchant notamment à minimiser les incréments de vitesse (la dépense énergétique) et les temps de transport (sauvegarde des équipages). Quelles recommandations pourrait-on apporter en terme d’optimisation de trajectoire, satisfaisant des critères de dépense énergétique, durée de transport et sécurité ? Quels sont les verrous technologiques à lever pour permettre la réalisation d’une telle station spatiale? Quelles seraient les performances à viser pour les sous-systèmes critiques impliqués? Les résultats d’une telle étude permettraient d’ouvrir des perspectives de recherche et développement dans le domaine des vols habités, notamment dans le domaine du transport mais également dans l’optique d’une occupation de longue durée.

L'analyse des accidents aériens fait ressortir ces dernières années le rôle crucial des opérateurs humains, et leurs erreurs qui peuvent avoir des conséquences dramatiques. Un cas particulier d’erreur humaine reste cependant peu abordé : la surdité inattentionnelle, c’est-à-dire l’incapacité temporaire à entendre, à prendre conscience d’une information auditive. Dans le domaine de l’aéronautique, cette défaillance cognitive est évidement critique, car elle signifie l’omission d’alarmes auditives. Le premier enjeu de ce projet de recherche est de définir des métriques comportementales et physiologiques caractéristiques de la surdité inattentionnelle. Pour cela, nous nous sommes intéressés en particulier à deux postes de travail fondamentaux de la sécurité aérienne et soumis à des alarmes auditives : le pilotage et le contrôle aérien. Nous avons cherché à mettre en évidence les conditions contextuelles favorisant l’apparition de la surdité inattentionnelle, notamment la charge de travail des opérateurs. Un second enjeu était d’identifier des pistes d’adaptation des interfaces avec les pilotes et les contrôleurs aériens, permettant de prévenir ou limiter la surdité inattentionnelle à ces postes spécifiques. Pour répondre à cette problématique, 3 expériences ont été menées. La première a étudié l’impact de la charge de travail sur le traitement des alarmes auditives lors d’une tâche d’atterrissage. Elle a permis de déterminer que la P300 était un indicateur de la surdité. La seconde expérimentation a porté sur l’impact du design des alarmes visuelles sur les capacités de traitement cognitif des alarmes auditives, dans le cadre du contrôle aérien. Les résultats nous ont montré une restauration de la P3b auditive avec le design visuel amélioré. Enfin la dernière expérience a testé la pertinence de mesures oculaires pour détecter les contextes favorisant la surdité inattentionnelle. Ces résultats ouvrent des pistes prometteuses de prévention et de détection de la surdité inattentionnelle aux postes critiques de la sécurité aérienne.