Depuis de nombreuses années, le givrage a été identifié comme un danger dans le domaine de l’aéronautique. L’accrétion de givre se produit lorsque des gouttelettes d’eau surfondue se déposent sur une surface, en particulier le bord d’attaque d’une aile ou la lèvre d’entrée d’air moteur, et gèlent après l’impact. Ceci peut ensuite engendrer une dégradation des performances aérodynamiques, un dysfonctionnement des sondes ou encore un endommagement du moteur. C’est pourquoi cette problématique est étudiée avec attention. Les essais en vol et en soufflerie étant longs et coûteux, la simulation numérique de l’accrétion de givre est devenue un outil nécessaire dans le processus de conception et de certification des avions. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la modélisation 3D de l’accrétion de givre, et plus particulièrement des couches limites dynamique et thermique qui se développent autour du corps givré. Les outils numériques devant être rapides et robustes, l’approche proposée dans cette thèse pour le calcul aérodynamique est une méthode couplée Euler/couche limite intégrale. Ainsi, un modèle intégral est développé pour représenter le développement de la couche limite dynamique. La partie thermique est modélisée soit par une méthode simplifiée basée sur des approches algébriques, soit par une méthode intégrale. Cette modélisation des couches limites dynamique et thermique est valable sur paroi lisse ou rugueuse et permet de fournir notamment le coefficient de frottement et le coefficient d’échange thermique qui sont nécessaires pour un calcul d’accrétion de givre. Les équations intégrales de couche limite, associées à leurs relations de fermeture, sont ensuite résolues par une méthode Volumes-Finis sur maillage surfacique non structuré, qui est bien adaptée pour les géométries complexes. De plus, des traitements numériques spécifiques sont mis en œuvre pour améliorer la précision de la méthode au voisinage du point d’arrêt et pour rendre le code robuste au passage du décollement. Après la validation de la méthode de couche limite, le code est utilisé dans les chaînes de givrage 2D et 3D de l’ONERA pour des applications d’accrétion de givre. Ceci permet de montrer l’intérêt de la méthode en termes de robustesse et de précision par rapport aux codes de couche limite habituellement utilisés dans les codes de givrage actuels.

Au cours des dernières décennies, l’étude de la dynamique autour des points de Lagrange des systèmes Terre-Lune (EMLi) et Terre-Soleil (SELi) a ouvert de nouvelles possibilités pour les orbites et les transferts spatiaux. Souvent modélisés comme des Problèmes à Trois Corps (CR3BP) distincts, ces deux systèmes ont également été combinés pour produire des trajectoires à faible coût dans le système Terre-Lune-Soleil étendu. Cette approximation (PACR3BP) a permis de mettre en évidence un réseau à faible énergie de trajectoires (LEN) qui relie la Terre, la Lune, EML1,2 et SEL1,2. Cependant, pour chaque trajectoire calculée, le PACR3BP nécessite une connexion arbitraire entre les CR3BPs, ce qui complique son utilisation systématique. Cette thèse vise à mettre en place une modélisation à quatre corps non autonome pour l’étude du LEN basé sur un système Hamiltonien périodique cohérent, le Problème Quasi-Bicirculaire (QBCP). Tout d’abord, la Méthode de Paramétrisation est appliquée afin d’obtenir une représentation semi-analytique des variétés invariantes autour de chaque point de Lagrange. Une recherche systématique de connexions EML1,2-SEL1,2 peut alors être effectuée dans l’espace des paramètres : les conditions initiales sur la variété centrale-instable de EML1,2 sont propagées et les trajectoires résultantes sont projetées sur la variété centrale de SEL1,2 . Un transfert est détecté lorsque la distance de projection est proche de zéro. Les familles de transfert obtenues sont corrigées dans un modèle newtonien haute-fidélité du système solaire. La structure globale des connections est largement préservée et valide l’utilisation du QBCP comme modèle de base du LEN.

La sûreté de fonctionnement occupe une place prépondérante dans la conception de systèmes critiques, puisqu'un dysfonctionnement peut être dangereux pour les utilisateurs ou l'environnement. Les concepteurs doivent également démontrer aux autorités de certification que les risques encourus sont acceptables. Pour cela, le concepteurs définissent une architecture contenant un ensemble de mécanismes de sûreté permettant de mitiger ou tout du moins limiter la probabilité d’occurrence des risques identifiés. L'objectif de ce travail est de développer une méthode automatique et générique de synthèse d’architecture assurant formellement le respect d’exigences de sûreté. Cette activité de synthèse est formalisée comme un problème d'exploration de l'espace des architectures c'est-à-dire trouver un candidat appartenant à un espace de recherche fini, respectant les exigences de sûreté. Ainsi nous proposons un processus de résolution complet et correct des problèmes d'exploration basé sur l'utilisation des solveurs SMT. Les contributions principales sont: 1- La formalisation de la synthèse comme un problème de Satisfiabilité Modulo Théorie (SMT) afin d’utiliser les solveurs existants pour générer automatiquement une solution assurant formellement le respect des exigences; 2- Le développement de méthodes d’analyse spécialement conçues pour évaluer efficacement la conformité d’une architecture vis-à-vis d’un ensemble d’exigences; 3- La définition d'un langage KCR permettant de formuler les problèmes d'exploration et l'implantation des méthodes de résolution au sein de l'outil KCR Analyser.

Dans cette thèse, le problème du contrôle d’attitude de satellites agiles à l’aide de grappes d’actionneurs gyroscopiques (AGs) est considéré et plus particulièrement son application au contrôle de micro/nanosatellites (10-100 kg). Des outils d’analyse topologique sont tout d'abord développés. La comparaison de différentes configurations de grappes justifie le choix d'une géométrie pyramidale à six actionneurs gyroscopiques. Des analyses plus approfondies de cette grappe, avec et sans cas de panne, permettent de déduire des contraintes que la loi de pilotage doit vérifier pour être adaptée à ce système. Pour y répondre, après analyse de la littérature, une nouvelle structure de loi de pilotage ainsi qu’une formulation différente des équations cinématiques sont développées. Cette structure est basée sur l’algorithme du filtre de Kalman étendu. Elle a pour avantages de répondre aux exigences en termes de calcul temps réel au bord des satellites, de flexibilité sur la gestion des contraintes et de facilité d’adaptation en cas de pannes. En outre, une procédure de génération de boucle de commande, englobant la loi de pilotage et un contrôleur robuste du système, est proposée. La généralisation de cette boucle de commande est illustrée sur des bras manipulateurs à base fixe et spatiaux. En parallèle, l’étude du passage des singularités internes intraversables mène à une nouvelle stratégie d’évitement de ces singularités. Des simulations sur des modèles de satellites représentatifs illustrent les résultats. La grappe d’actionneurs et la boucle de commande développées seront testées dans le cadre d’une expérimentation en microgravité.

L'imagerie laser 3D est une technique performante utilisée notamment pour cartographier l'environnement dans lequel évolue un aéronef, en mesurant la distance le séparant d'un objet, en plus des coordonnées (x,y). Le système est capable d'acquérir des mesures par tout temps (nuit, pluie, brouillard). Une nouvelle génération de capteurs, multi-pixels et ultra-sensibles, permet alors de répondre aux besoins identifiés pour cartographier avec précision une zone de grande superficie : haute résolution spatiale, longue portée avec précision centimétrique et rapidité d'acquisition. Il s'agit des plans focaux 3D Geiger. Avant leur utilisation en aéroporté, il était nécessaire de se familiariser avec leur fonctionnement, basé sur les probabilités de détection. Un simulateur reproduisant l'ensemble de la chaîne d'acquisition à été développé, puis validé sur des cas réels, au sol et en conditions statiques. Il a ensuite permis de démontrer l'intérêt des plans focaux Geiger pour la cartographie aéroportée à longue distance.

L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d'outils numériques permettant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) de l'allumage d'un écoulement turbulent diphasique dans une chambre de combustion. Pour ce faire, une méthode de dépôt d'énergie modélisant l'apport d'énergie lié au claquage de la bougie d'allumage a été implémentée dans la chaîne de calcul CEDRE. Cette méthode a été validée sur une simulation de l'allumage d'un écoulement laminaire purement gazeux d'air et de propane. Une SGE de l'écoulement d'air du MERCATO a été effectué à l'aide du solveur Navier-Stokes CHARME de CEDRE. Cette simulation reproduit fidèlement l'écoulement turbulent non-réactif dans la chambre de combustion. Une méthode d'injection simplifiée FIMUR a été ajoutée au solveur lagrangien SPARTE de CEDRE. Dans cette méthode, des gouttes sont injectées directement au nez de l'injecteur avec une distribution de vitesse et de taille imposée. Une SGE de l'écoulement turbulent diphasique dispersé non-réactif dans la chambre MERCATO a ensuite été réalisée avec cette méthode. La comparaison des champs particulaires moyens de vitesse et de taille obtenus par simulation numérique avec les données expérimentales est satisfaisante. Enfin, des SGE de l'allumage de la chambre MERCATO ont été effectuées à partir du champ diphasique non-réactif simulé et de la méthode de dépôt d'énergie développée. Selon l'instant du dépôt d'énergie, les simulations conduisent à des allumages réussis ou ratés. La propagation de la flamme dans la chambre pour un allumage réussi a fait l'objet d'une analyse détaillée pour tenter de déterminer les principaux facteurs l'influençant.

Dans les systèmes informatiques temps réel, les tâches logicielles sont contraintes par le temps. Pour garantir la sûreté du système critique controlé par le système temps réel, il est primordial d'estimer de manière sûre le pire temps d'exécution de chaque tâche. Les performances des processeurs actuels du commerce permettent de réduire en moyenne le temps d'exécution des tâches, mais la complexité des composants d'optimisation de la plateforme rendent difficile l'estimation du pire temps d'exécution. Il existe différentes approches d'estimation du pire temps d'exécution, souvent ségréguées et difficilement généralisables ou au prix de modèles coûteux. Les approches probabilistes basées mesures existantes sont vues comme étant rapides et simples à mettre en œuvre, mais souffrent d'un manque de systématisme et de confiance dans les estimations qu'elles fournissent. Les travaux de cette thèse étudient les conditions d'application de la théorie des valeurs extrêmes à une suite de mesures de temps d'exécution pour l'estimation du pire temps d'exécution probabiliste, et ont été implémentées dans l'outil diagxtrm. Les capacités et les limites de l'outil ont été étudiées grâce à diverses suites de mesures issues de systèmes temps réel différents. Enfin, des méthodes sont proposées pour déterminer les conditions de mesure propices à l'application de la théorie des valeurs extrêmes et donner davantage de confiance dans les estimations.

L’estimation de la charge d’un satellite et du risque de décharge nécessite dans certains cas la prise en compte dans les modèles numériques d’échelles spatiales très différentes. En particulier, les interconnecteurs présents à la surface des générateurs solaires d’un satellite sont susceptibles de modifier son équilibre électrostatique lors de missions spatiales rencontrant un environnement plasma dense. Une modélisation classique de cet effet nécessiterait le maillage d’éléments à des échelles submillimétriques, sur un satellite de plusieurs dizaines de mètres d’envergure, ce qui rendrait la simulation extrêmement onéreuse en temps de calcul. De plus, ces interconnecteurs sont parfois fortement chargés positivement par rapport à l’environnement, ce qui empêche l’application du modèle de Maxwell-Boltzmann classiquement utilisé pour les populations d’électrons. Dans une première partie, nous avons développé une méthode itérative de type Patch adaptée à la résolution du problème non-linéaire de Poisson-Boltzmann pour la simulation du plasma spatial. Cette méthode numérique multigrille permet la simulation de l’impact d’éléments de petite taille à la surface d’un satellite complet. Dans une seconde partie, nous avons développé un schéma correctif permettant d’utiliser le modèle de Maxwell-Boltzmann pour la population d’électrons, malgré la présence de surfaces satellites chargées positivement, en y ajoutant un terme de correction calculé à l’aide de la méthode Particle-in-Cell. Nous avons montré que ce schéma permet, tout en limitant le coût en calculs, de déterminer avec précision les courants collectés par les surfaces du satellites, qu’elles soient chargées négativement ou positivement.

La réduction des émissions polluantes et l'amélioration des performances des turboréacteurs nécessitent une connaissance détaillée des phénomènes physiques mis en jeu dans une chambre de combustion. L'atomisation du carburant résulte du cisaillement engendré par un fort écoulement d'air généré dans l'injecteur. La simulation numérique directe d'écoulements avec interface permet de simuler l'ensemble du processus d'atomisation. L'utilisation de maillages Cartésiens permet la réalisation de calculs HPC efficaces et précis. Mais, une des complexités de l'atomisation vient d'une interaction forte entre le comportement de la nappe liquide et l'écoulement gazeux dans les conduites de l'injecteur, rendant impératif la simulation de l'injecteur complet. Ceci étant impossible avec des maillages Cartésiens structurés, l'objectif de cette thèse est de développer une méthode d'interface immergée permettant l'inclusion d'objets solides dans un domaine de calcul, indépendamment du maillage, afin de réaliser des DNS du système d'injection complet. Les équations de Navier-Stokes incompressibles diphasiques sont résolues à l'aide d'un algorithme de projection, l'interface liquide-gaz étant transportée avec une méthode CLSVOF conservative en masse et quantité de mouvement. La présence du solide est prise en compte grâce à la méthode d'interface immergée. Cette méthode a été appliquée à la simulation numérique de nappes liquides cisaillées pour une configuration d'injecteur utilisée en essais à l'ONERA et a permis une meilleure prédiction de la fréquence de battement de la nappe.

La miniaturisation d’antenne est un défi important, en particulier en bande VHF où les longueurs d’onde sont grandes. Parmi les différentes techniques rencontrées dans la littérature, une approche théorique originale repose sur l’utilisation de la résonance électrostatique de sphères sub-longueur d’onde de permittivité négative (ENG pour Epsilon NeGative). L’implémentation pratique de cette solution en considérant une décharge plasma comme milieu ENG est étudiée dans ces travaux de thèse. Le plasma laisse entrevoir des potentialités intéressantes pour ce type d’antennes miniatures comme la furtivité et la reconfigurabilité en fréquence. Dans un premier temps, différents modèles analytiques sont développés afin étudier le comportement électromagnétique de petites sphères réalistes de plasma. Ces modèles permettent par ailleurs la construction de schémas numériques précis et adaptés aux simulateurs électromagnétiques commerciaux. Dans un second temps, un prototype fonctionnel est méthodiquement conçu. La solution proposée permet l’intégration du système d’excitation de la décharge plasma au sein de l’antenne sans en perturber son fonctionnement nominal. Ce prototype permet la caractérisation des paramètres plasma de la décharge et du comportement électromagnétique du résonateur sphérique à plasma. Enfin, un travail annexe d’intégration de décharges plasma dans des circuits planaires en technologie micro-ruban est présenté. Les conceptions, modélisations et caractérisations expérimentales de ces résonateurs planaires permettent de mettre en évidence les capacités du plasma pour leur accordabilité en fréquence.