Pour certifier un système aéronautique, des études de Sûreté de Fonctionnement (SdF) visent à démontrer qu’il répond à des exigences de sécurité de haut niveau. La complexité des systèmes étudiés ayant évolué, les exigences à démontrer devenant toujours plus nombreuses, les analyses actuelles (e.g. arbre de défaillance) peuvent aujourd’hui présenter des limites d’utilisation. Pour aller à l’encontre de ces limites, l’Ingénierie Dirigée par les Modèles s’est développée et s’intéresse aux études de SdF. L’objectif est alors de 1) modéliser dans un langage adapté (le langage AltaRica a ici été utilisé) les comportements fonctionnels et dysfonctionnels d’un système et de ses composants en présence de défaillances, 2) s’assurer que le modèle est une abstraction valide du système réel et 3) vérifier la tenue des exigences du système par le modèle. Les travaux effectués dans cette thèse se sont intéressés aux deux premiers points. Une méthodologie a été proposée pour spécifier l’abstraction du comportement de composants de systèmes multi physiques. Des bibliothèques AltaRica ont été réalisées pour modéliser des sous-systèmes d’un turbomoteur d’hélicoptère. Les résultats obtenus via le modèle ont été comparés avec ceux des analyses existantes de SdF. Pour les projets futurs où celles-ci ne seraient plus disponibles, un processus de validation a été proposé pour caractériser le degré de revue atteint lors de la simulation d'un jeu de tests sur le modèle. Inspiré du « génie logiciel », ce processus s’étend sur trois niveaux de validation (unitaire ; intégration des composants ; modèle complet) et propose des critères de couvertures applicables et mesurables sur un modèle AltaRica.

Le développement des drones dans le cadre de la recherche atmosphérique a connu une forte croissance durant ces dernières années en raison de leurs multiples avantages. Les drones constituent un outil performant pour le profilage des paramètres les plus importants de la couche limite atmosphérique (CLA) comme la température, l’humidité et le vecteur vent, ainsi que pour les observations de la turbulence. Les avions instrumentés dédiés aux observations atmosphériques ont été une source d’inspiration pour le développement des charges utiles des drones qui sont des plateformes complémentaires aux systèmes déjà existants comme les tours, les avions instrumentés et les radiosondes, puisqu’ils peuvent échantillonner des zones inaccessibles aux autres plateformes. Nous avons qualifié deux charges utiles pour la mesure du vent et de la turbulence dans la couche limite atmosphérique pour deux drones de différentes tailles. Le premier est un drone de petite taille (3.5 kg y compris la charge utile et une envergure de 2.6 m) nommé OVLI-TA (Objet Volant Leger Instrumenté–Turbulence Atmosphérique). Le second est le drone BOREAL à voilure fixe de taille supérieure (25 kg dont une charge utile jusqu’à 5 kg et une envergure de 4.2 m).L’instrumentation météorologique d’OVLI-TA est composée d’une sonde cinq-trous qui remplace le nez du drone, un tube Pitot pour mesurer la pression statique et dynamique, une centrale inertielle, un GPS, ainsi que des capteurs de température et d’humidité. De plus, l’autopilot Pixhawk a été utilisé pour la navigation. Les calibrations de la sonde cinq-trous ont été réalisées en soufflerie afin de déterminer les coefficients de sensibilité des angles d’attaque et de dérapage. On présente les analyses d’un vol de qualification mené en mars 2016 dans le centre de recherche atmosphérique à Lannemezan qui est équipé d’une tour de 60 m instrumentée et dédiée à la mesure continue des paramètres de la couche limite atmosphérique, ainsi que de vols réalisés en juin et juillet 2016 lors de la campagne de mesure internationale DACCIWA (Dynamics-Aerosol-Chemistry-Clouds Interactions in West Africa), au Bénin. Cette analyse permet d’évaluer les performances d’OVLITA pour mesurer les valeurs moyennes du vent, de la température et de l’humidité, ainsi que la turbulence. Dans cette évaluation, les observations de la tour de 60 m et des radiosondes ont servi de référence.Les avancées de BOREAL par rapport à OVLI-TA résident dans sa charge utile qui est plus importante, son autonomie de vol qui peut atteindre les 9 heures, et aussi sa capacité de voler dans des conditions météorologiques plus défavorables. Son instrumentation météorologique inclut un GPS et une centrale inertielle, une sonde cinq-trous qui remplace le nez du drone et qui mesure les angles d’attaque et de dérapage, un tube Pitot, et des capteurs de température et d’humidité. Afin de calibrer la sonde cinq-trous, j’ai analysé les données du test en soufflerie et j’ai réalisé des simulations numériques avec le code d’écoulement FLUENT. De plus, le premier vol de qualification de BOREAL effectué en 2018 nous a permis de déterminer la vitesse air optimale du drone à laquelle les vibrations sont significativement réduites à un niveau acceptable. Par la suite, en 2020, une première campagne de mesure a été menée à Lannemezan afin de qualifier les capacités de BOREAL à mesurer le vent et la turbulence et ceci suite à des comparaisons avec la tour instrumentée. Un état détaillé des performances de la plateforme est présenté.

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.

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.

Avec l'expansion des zones urbaines, la pollution de l'air et l'effet d'îlot de chaleur augmentent, entraînant des problèmes de santé pour les habitants et des changements climatiques mondiaux. Dans ce contexte, les arbres urbains sont une ressource précieuse pour améliorer la qualité de l'air et promouvoir les îlot de fraîcheur. D'autre part, les canopées sont soumises à des conditions spécifiques dans l'environnement urbain, causant la propagation de maladies et la diminution de l'espérance de vie parmi les arbres. Cette thèse explore le potentiel de la télédétection pour la cartographie automatique des arbres urbains, de la détection des couronnes d'arbres à l'estimation des espèces, une tâche préliminaire essentielle pour la conception des futures villes vertes, et pour une surveillance efficace de la végétation. Fondé sur des données hyperspectrales aéroportées, panchromatiques et un modèle numérique de surface, le premier objectif de cette thèse consiste à tirer parti de plusieurs sources de données pour améliorer les cartes d'arbres urbains existants, en testant différentes stratégies de fusion (fusion de caractéristiques et fusion de décision). La nature des résultats nous a conduit à optimiser la complémentarité des sources. En particulier, le deuxième objectif est d'étudier en profondeur la richesse des données hyperspectrales, en développant une approche d'ensemble classifier fondée sur des indices de végétation, où les "classifier" sont spécifiques aux espèces. Enfin, la première partie a mis en évidence l'intérêt de distinguer les arbres de rue des autres structures d'arbres urbains. Dans un cadre de Marked Point Process, le troisième objectif est de détecter les arbres en alignement urbain. Par le premier objectif, cette thèse démontre que les données hyperspectrales sont le principal moteur de la précision de la prédiction des espèces. La stratégie de fusion au niveau de décision est la plus appropriée pour améliorer la performance en comparaison des données hyperspectrales seules, mais de légères améliorations sont obtenues (quelques %) en raison de la faible complémentarité des caractéristiques texturales et structurelles en plus des caractéristiques spectrales. L'approche d'ensemble classifier développée dans la deuxième partie permet de classer les espèces d'arbres à partir de références au sol, avec des améliorations significatives par rapport à une approche standard de classification au niveau des caractéristiques. Chaque classifieur d'espèces extrait reflète les attributs spectraux discriminants de l'espèce et peut être relié à l'expertise des botanistes. Enfin, les arbres de rue peuvent être cartographiés grâce au terme d'interaction des MPP proposé qui modélise leurs caractéristiques contextuelles (alignement et hauteurs similaires). De nombreuses améliorations doivent être explorées comme la délimitation plus précise de la couronne de l'arbre, et plusieurs perspectives sont envisageables après cette thèse, parmi lesquelles le suivi de l'état de santé des arbres urbains.

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.

Cette thèse traite de l'optimisation sous incertitude de fonctions coûteuses dans le cadre de la conception de systèmes aéronautiques. Nous développons dans un premier temps une stratégie d'optimisation robuste multiobjectifs par modèles de substitution. Au-delà de fournir une représentation plus rapide des fonctions initiales, ces modèles facilitent le calcul de la robustesse des solutions par rapport aux incertitudes du problème. L'erreur de modélisation est maîtrisée grâce à une approche originale d'enrichissement de plan d'expériences qui permet d'améliorer conjointement plusieurs modèles au niveau des régions de l'espace possiblement optimales. Elle est appliquée à la minimisation des émissions polluantes d'une chambre de combustion de turbomachine dont les injecteurs peuvent s'obstruer de façon imprévisible. Nous présentons ensuite une méthode heuristique dédiée à l'optimisation robuste multidisciplinaire. Elle repose sur une gestion locale de la robustesse au sein des disciplines exposées à des paramètres incertains, afin d'éviter la mise en place d'une propagation d'incertitudes complète à travers le système. Un critère d'applicabilité est proposé pour vérifier a posteriori le bien-fondé de cette approche à partir de données récoltées lors de l'optimisation. La méthode est mise en œuvre sur un cas de conception avion où la surface de l'empennage vertical n'est pas connue avec précision.

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.

Icing has since long been identified as a serious issue in the aeronautical world. Ice build up, due to the presence of supercooled water droplets in clouds, leads to degradation of aerodynamic and/or air intake performances, among other undesirable consequences. Hence aircraft manufacturers must comply with certifications and regulations regarding flight safety in icing conditions. In order to do so, ice protection systems are used. Due to the multi-physical context within which these systems operate, numerical simulation can be a valuable asset. The present work deals with the numerical modelling of electro-thermal ice protection systems. It is built around the development of three modules. Two of them are dedicated to modelling heat transfer in the system and in the ice block. The other one models the mechanical behaviour of ice and fracture. Hence, the mechanical properties of atmospheric ice are reviewed in order to identify some mechanical parameters relevant to the fracture model. The fracture mechanics numerical method is used to investigate possible ice shedding mechanisms, that is to say the mechanisms leading to the detachement of ice, which are not yet well understood. The final goal of this work is to propose a completely coupled 2nd generation simulation methodology for electro-thermal ice protection systems. Hence the feasibility of a coupled thermal computation with ice shedding prediction based on the developed modules is shown.

L’imagerie thermique est largement utiisée dans le domaine militaire pour ses capacités de vision diurne et nocturne et sa longue portée d’observation. Cette technologie est basée sur la détection passive dans l’infrarouge. En conditions météorologiques dégradées ou quand la cible est partiellement dissimulée par du feuillage ou des filets de camouflages militaires, elle devrait être à court terme de plus en plus complémentée par un système d’imagerie active. Cette technologie est essentielle pour l’imagerie à longue portée. La technique d’imagerie dite flash 2D est basée sur une source laser impulsionnel qui illumine la scène et sur une caméra rapide synchronisée qui constitue le système d’imagerie. Ces deux technologies sont b ien éprouvées en présence de conditions météorologiques claires. Les modèles TRM4 (imagerie thermique) et PERFIMA (imagerie active) sont capables de prédire correctement les performances de tels systèmes par beau temps. En revanche, en conditions dégradées telle que la pluie, le brouillard ou la neige, ces modèles deviennent non pertinents. Cette étude introduit de nouveaux modèles pour compléter les codes TRM4 et PERFIMA, et les rendre aptes à prévoir les performances dans ces conditions dégradées. Nous analysons ici plus particulièrement le temps de pluie pour l’imagerie active et l’imagerie thermique. Dans un premier temps, nous répertorions l’impact possible de la pluie sur des paramètres physiques connus (extinction, transmission, résolution spatiale, luminance de trajet, turbulence). Nous étudions ensuite les phénomènes physiques et les lois régissant les caractéristiques de la pluie. Nous avons développé des modèles physiques permettant de calculer l’impact de la pluie sur le système global d’imagerie. Enfin, nous avons simplifié et allégé ces modèles pour obtenir des modèles faciles à utiliser et à interfacer avec les codes TRM4 et PERFIMA qui sont couramment utilisés pour des applications industrielles. Ces modèles de prédiction de l’imagerie active et de l’imagerie thermique ont été confrontés à la réalité (expérience avec l’imageur MILPAT par exemple) pour être validé sur des données réelles, comme la portée des systèmes.