L’interaction entre une onde de choc oblique et une couche limite turbulente (IOCCL) est une situation fréquemment rencontrée dans le domaine des écoulements compressibles d’intérêt applicatif. L’IOCCL est le siège d’instationnarités à basse fréquence qui engendrent d’importantes fluctuations de pression pariétale et cette thèse s’intéresse à l’étude de dispositifs de contrôle passif de type micro-générateur de vortex (mVG) pour réduire, voire supprimer, ces effets indésirables de l’IOCCL. Des simulations numériques aux grandes échelles (LES) ont été réalisées en se basant sur une configuration expérimentale deWang et al. (2012) relative au contrôle de l’IOCCL par des micro-rampes, avec un nombre de Mach de M = 2.7 et un nombre de Reynolds de Re× = 3600. L’utilisation de ces dispositifs de contrôle se traduit par une réorganisation de la zone de recirculation en brisant l’homogénéité dans la direction transverse de l’écoulement, et en induisant un changement au niveau du mouvement du pied de choc réfléchi qui présente une zone d’excursion fortement impactée par le sillage des micro-rampes. Des simulations complémentaires portant sur trois nouvelles configurations de micro-rampes possédant des caractéristiques géométriques différentes de celle du cas de référence ont permis de dresser un bilan de l’efficacité de ces dispositifs sur le contrôle de l’IOCCL en confrontant l’effet de mVGs de taille réduite à celui de mVGs de taille plus conventionnelle.

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.

L’électronique embarquée dans l’aéronautique, couramment appelé avionique, est chargée d’effectuer des tâches critiques et doit présenter une fiabilité élevée. La technologie Complementary Metal Oxyde Semiconductor (CMOS) est couramment utilisée pour réaliser des composants critiques, comme des mémoires. Les composants CMOS sont susceptibles à deux types d’erreurs : les dégradations liées au vieillissement et les évènements singuliers causés par les particules cosmiques. Or, les conditions d’utilisation de l’avionique renforcent la fréquence d’occurrence de ces deux types d’erreurs. Le vieillissement consiste, pour les composants CMOS, en la dégradation de ses interfaces métal/oxyde et oxyde/semi-conducteur au cours de sa durée de vie. Les composants avioniques subissent un vieillissement accéléré de par leur condition d’utilisation intensive. Le rayonnement cosmique est composé de particules énergétiques d’origine extrasolaire. Certaines de ces particules sont susceptibles d’interagir un composant électronique et d’y déposer de l’énergie, cela peut causer une erreur appelée évènement singulier. L’avionique est particulièrement concernée par cette problématique car ces évènements peuvent être critiques et qu’elle rencontre un flux élevé de particules.Auparavant, la sensibilité aux radiations était considérée comme indépendante du vieillissement. Seulement, les évolutions des technologies CMOS nous amènent à remettre en cause cette hypothèse. Afin d’étudier ce nouveau phénomène, une méthode de modélisation a été développée. Celle-ci couple la modélisation des évènements singuliers à une modélisation électrique circuit du vieillissement. Elle permet d’effectuer des simulations sur un circuit mémoire spécifique dans des environnements radiatifs variés. De ces simulations ressortent l’influence de certains paramètres électriques, qui permettent de proposer une simulation opérationnelle appliquée à l’avionique.

De par l'augmentation de leur utilisation, la sécurisation du vol des drones devient de plus en plus importante. La commande tolérante aux fautes peut alors contribuer à l'obtention d'un niveau de sécurité acceptable. Le but de cette thèse est de développer et d'appliquer au vol des drones à voilure fixe une méthode de commande tolérante aux fautes basée d'une part sur une représentation de systèmes à l'aide de modèles décrivant des évolutions continues et d'autre part sur la représentation de systèmes à l'aide de modèles discrets ou logiques. Ainsi la première contribution de cette recherche est le développement d'une méthode générique de commande tolérante aux fautes utilisant les cadres de modélisation discret et continu. L'idée consiste à combiner une modélisation continue permettant d'estimer l'état et les paramètres de fautes et une modélisation discrète permettant de prendre une décision en ligne quant au contrôleur à utiliser. L'estimation continue permet d'avoir plus d'informations sur la faute qu'avec une modélisation discrète, alors que celle-ci prend en compte des probabilités de panne et des techniques d'optimisation qui sont plus adaptées à la tâche de décision. La seconde contribution concerne le développement et la validation d'une méthode active permettant de détecter et de diagnostiquer la faute. Un filtre de Kalman sensible aux sauts de panne pour l'estimation de l'état et des paramètres de fautes est développé. Pour la détection et le diagnostic de la panne, l'idée a été d'utiliser les données de l'estimation de façon probabiliste. Une fois la faute détectée et identifiée, le système de commande doit réagir pour pouvoir compenser cette faute. Le troisième contribution porte donc sur l'amélioration du suivi de la trajectoire par reconfiguration du système de commande. Les méthodes de commutation et d'adaptation sont combinées, afin de limiter le nombre de contrôleurs en utilisant des contrôleurs adaptatifs pour les modes dégradés, tout en ayant des contrôleurs faciles à concevoir. Des techniques d'optimisation sont alors utilisées de façon à prendre une décision en ligne quant au choix du contrôleur. Finalement, la méthode développée doit être vérifiée avant de pouvoir être implémentée sur un drone. La dernière contribution est l'évaluation de la capacité de la méthode à faire suivre une trajectoire d'atterrissage en cas de pannes capteurs ou actionneurs grâce à un modèle de drone.

Les missions scientifiques qui embarquent des instruments très performants et précis peuvent être affectées par l'interaction du satellite avec son environnement plasma. Le satellite TARANIS embarquera des instruments qui mesureront des éventements qui seront potentiellement du même ordre de grandeur que les perturbations. L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'améliorer la compréhension des interactions entre un plasma ionosphérique et un satellite, au point de pouvoir calibrer les instruments embarqués sur TARANIS avec une précision inférieure à la sensibilité de l'instrument. Pour arriver à ces niveaux de précision pour une simulation 3D du satellite complet, une approche classique nécessiterait de simuler les trajectoires plusieurs billions de particules numériques. Pour résoudre ce problème, nous avons développé et mis en œuvre dans le logiciel de simulation SPIS une méthode de simulation à partir d'un couplage entre la méthode cinétique Particle-In-Cell et l'approximation fluide-analytique de Poisson-Boltzmann. Nous avons utilisé ensuite cette méthode pour effectuer des simulations à faible bruit du satellite TARANIS complet, en regardant l'influence de l'environnement, l’orientation des panneaux solaires et de la quantité de scotch Kapton utilisé sur la surface du satellite. Enfin, nous avons développé une nouvelle méthode de simulation basée sur la méthode cinétique delta-f, qui permet d'approcher la solution cinétique en partant d’une fonction de distribution analytique, tout en limitant le coût de calculs.

Une couche limite turbulente se développant le long d’une paroi présente des fluctuations de vitesses et de pression importantes. Si la paroi du profil est suffisamment souple, les fluctuations de pression pariétale peuvent la faire rentrer en vibration ce qui induit un rayonnement acoustique de chaque côté de la paroi. Ce scenario est l’un des mécanismes de génération de bruit interne dans les aéronefs. Le but de cette thèse est de proposer un modèle de reconstruction des fluctuations de pression pariétale afin de prévoir in fine le bruit rayonné. Plutôt que de reposer sur une approche semi-empirique, les modèles développés dans cette thèse se basent sur la résolution analytique de l’équation de Poisson liant les fluctuations de pression aux fluctuations de vitesses. Ces dernières sont modélisées par exemple à l’aide des profils moyens de la couche limite obtenus grâce à un calcul RANS. La résolution de l’équation de Poisson dans ce contexte a déjà été entreprise en particulier par Lysak et Aupoix et leurs travaux sont le point de départ de cette thèse. Cependant, leur modèle ne donne qu’une description temporelle des fluctuations de pression pariétale alors que les aspects spatiaux sont nécessaires pour une application vibro-acoustique. L’apport de cette thèse consiste donc en une modification de leur modèle afin de pallier cette difficulté. En parallèle de ces travaux de modélisation, une expérience de validation en soufflerie a été élaborée et mise en place. Les fluctuations de vitesses ont été mesurées par vélocimétrie laser tandis que les fluctuations de pression pariétale ont été mesurées à l’aide de micro-tiges mobiles. Le modèle initialement développé à été affiné à l’aide de ces mesures. En particulier, une description anisotrope des fluctuations de vitesses a été développée, ce qui est plus cohérent pour un écoulement cisaillé que la description homogène isotrope utilisée jusqu’alors. Les modèles développés ont un large recoupement avec le modèle semi-empirique de Corcos qui est la référence utilisée pour les applications en vibro-acoustique. Cependant, des différences comportementales importantes aux hautes et basses fréquences ont été mises en évidence. Le modèle de Corcos peut donc être remis en question pour ces plages fréquentielles. Ces résultats théoriques doivent néanmoins être confortés par des mesures.

Les diélectriques, et plus particulièrement les polymères, sont fréquemment utilisés à bord des satellites pour leurs bonnes propriétés physiques, optiques et mécaniques. Ces matériaux, tels que le Téflon® FEP ou le Kapton® HN, sont soumis à d’importants flux radiatifs, d’électrons et de protons, aux énergies variées. Ces particules s’implantent dans les matériaux et génèrent des potentiels électriques élevés. Les électrons de haute énergie participent à l’ionisation du matériau, à la modification de sa conductivité électrique et de l’écoulement des charges dans le matériau. On parle de conductivité induite sous irradiation (RIC en anglais : Radiation Induced Conductivity). De par leurs différences de propriétés électriques, le transport de charges change d’un matériau à l’autre. Cela conduit à de fortes différences de potentiel entre matériaux (diélectrique-métal), ce qui peut générer des arcs électriques et des décharges électrostatiques. Ces décharges sont potentiellement dangereuses et peuvent détruire certains sous-systèmes embarqués dans les satellites ou générer des perturbations sur l’électronique du satellite. Une bonne maitrise de ces risques passe par une bonne prédiction du comportement en charge des polymères sous irradiation spatiale. Ceci nécessite de comprendre, d’un point de vue microscopique, les interactions particules chargées – polymères (dépôt d’énergie, ionisation…) et les processus de transport de charges (piégeage, dé-piégeage, convection, recombinaison…). Ces phénomènes dépendent des propriétés électriques du matériau, de la température et du champ électrique. Ils régulent la conductivité du matériau et ses niveaux de potentiels. Un modèle physique et numérique 1D, nommé THEMIS (Transport of Holes and Electrons Model under Irradiation in Space), a été développé lors de travail de doctorat. Il décrit ces différents mécanismes, évalue le transport de charges et les niveaux de potentiel dans les matériaux diélectriques, irradiés par des spectres distribués en énergie. Contrairement au modèle RC développé au cours d’une thèse précédente, THEMIS prend en compte les profils de distribution de charges implantées et de dépôt de dose dans la profondeur du matériau. Il considère la diffusion-conduction des charges dans le volume du matériau, étudie le déplacement du barycentre du plan de charges, et prend en compte l’historique radiatif du matériau en calculant les densités de charges positives et négatives. THEMIS a été validé lors d’expériences dédiées à l’étude des effets de la charge de surface et de la charge interne sur les satellites. Les enceintes SIRENE et GEODUR, installées au sein du département DPHY (Département Physique) à l’ONERA, et financées par le CNES, ont été utilisées pour réaliser ces irradiations. Lors d’une première série d’expériences, la conductivité, les densités de charges et les niveaux de potentiels ont été mesurés et comparés à THEMIS pour différents matériaux. THEMIS a également été comparé à d’autres outils numériques utilisés dans la communauté spatiale, comme DICTAT, NUMIT et MCICT. Ces outils utilisent un modèle du calcul de RIC plus simple que THEMIS. Ils permettent, pour des cas d’irradiation où les énergies et les flux sont constants dans le temps, de reproduire les données expérimentales. Contrairement à THEMIS, ils ne peuvent pas représenter la physique du transport de charges pour des cas plus compliqués : flux variables dans le temps. Pour montrer cela, une étape de validation plus poussée consiste à simuler le cas réaliste d’un satellite en vol, lors d’une mise en orbite, avec un agencement de plusieurs matériaux, soumis à des spectres changeants dans le temps. Les niveaux de potentiels des matériaux sont simulés par THEMIS et les risques de déclenchement de décharges étudiés.

Un nouveau matériau d’âme à base de fibres enchevêtrées et réticulées a été précédemment développé dans le but d’améliorer certaines propriétés des structures sandwichs dont l’amortissement vibratoire. Cependant, son comportement mécanique et vibratoire doit être optimisé afin de l’utiliser dans le domaine aérospatial. Plusieurs paramètres morphologiques entrent en jeu lors de sa fabrication. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique permettant de mieux comprendre le comportement de ce matériau enchevêtré réticulé. Le comportement d’un volume élémentaire représentatif de fibres de carbone enchevêtrées et non-réticulées est d’abord étudié en compression par éléments finis. La géométrie numérique du réseau de fibres s’appuie sur les données morphologiques du matériau réel. Les simulations numériques permettent de suivre, au cours de la compression confinée, l’évolution des différents paramètres, tels que la distribution des orientations des fibres, la distance entre contacts ou la fraction volumique. Ces résultats constituent une base robuste pour le développement du modèle numérique du matériau enchevêtré et réticulé qui est ensuite utilisé pour modéliser le comportement mécanique en cisaillement, et en particulier pour simuler et expliquer les boucles d’hystérésis observées expérimentalement. A la fin de ce travail, une étude numérique est proposée afin de décrire l’influence des différents paramètres morphologiques sur la rigidité en compression et en cisaillement du matériau enchevêtré réticulé.

Les propulseurs plasma à courant de Hall sont aujourd’hui une technologie mature et couramment utilisée dans l’industrie spatiale pour la mise à poste et le contrôle d’orbite de satellites. Malgré cela, la compréhension de la physique régissant le fonctionnement de ces propulseurs et encore lacunaire. Des phénomènes tels que le transport anormal des électrons dans le canal du propulseur ou la dépendance des performances du propulseur au matériau de paroi ne sont pas compris. Par conséquent le développement et la qualification de nouveaux propulseurs passent par de longues études empiriques sans garantie de succès. La compréhension de la physique des plasmas de propulseurs est donc une problématique clé pour permettre le développement et l’amélioration de cette technologie.Cette thèse consiste en la caractérisation par la modélisation et par des mesures expérimentales de l’interaction entre le plasma d’un propulseur à courant de Hall et les parois dudit propulseur. Cette thèse s’est concentrée sur le phénomène d’émission électronique induite par impact d’électrons (i.e. l’émission d’électrons par les parois du propulseur lorsque celle-ci est soumise à un flux incident d’électrons).La thèse s’est déroulée en trois étapes. Dans un premier temps un modèle d’émission électronique adapté au besoin des modélisations particulaires de plasma de propulseur a été développé et validé par comparaison à des données expérimentales réalisées à l’ONERA. Dans un second temps, ce modèle d’émission électronique a été introduit dans une simulation particulaire de plasma de propulseur développé au Laplace et modifié pour les besoins de cette thèse. Enfin une étude paramétrique a été réalisées afin d’évaluer l’influence de l’émission électronique sur le comportement global du plasma de propulseur.La première partie de cette thèse a permis de réaliser la caractérisation de l’émission électronique pour des matériaux représentatifs du canal des propulseurs à courant de Hall (silice et nitrure de bore). Par ailleurs, un travail de mesure et de calibration a été réalisé afin de caractériser le rendement énergétique de l’interaction entre une population d’électrons et une paroi. Ces nouvelles mesures et ce nouveau protocole de mesure ont donné lieu à la publication de deux articles. La seconde partie de cette thèse a permis de réaliser un modèle détaillé d’émission électronique adapté aux contraintes des modélisations particulaire (temps de calcul réduit, dépendance à différents paramètres physiques, etc.). Cette thèse a permis de montrer un impact non-négligeable de l’émission électronique sur le bilan énergétique du propulseur et sur les fonctions de distributions des ions et des électrons dans le plasma ¬du propulseur.

Les systèmes de réception radiofréquences et microondes sont susceptibles d’être fortement détériorés en cas d’agressions électromagnétiques de forte puissance (HPM). Généralement, l’utilisation de limiteurs de puissance microonde intégrant des diodes PIN ou des MEMS permet leur protection. Cependant, ces composants demeurent fragiles lorsque ces menaces atteignent des puissances trop importantes. Par conséquent, de nouvelles études exploitant les plasmas de décharge comme élément de limitation ont vu le jour. Ces systèmes de limitation à base de plasma reposent sur l’interaction non linéaire entre l’onde électromagnétique incidente et le plasma. Ce type d’interaction a déjà été largement utilisé dans les tubes T/R (Transmission/Réception) en technologie guidée. Dans ces travaux de thèse, nous étudions la possibilité d’utiliser des décharges plasmas localisées à une dizaine de millibars dans l’argon afin de concevoir des systèmes de limitation de puissance microonde en technologie circuit imprimé. Ainsi, après avoir choisi et caractérisé cette décharge localisée, trois limiteurs de puissance microonde ont été étudiés en bande S. Un premier dispositif de test large bande a été conçu en technologie microruban. Au moyen d’une campagne de caractérisation expérimentale, le caractère absorptif du dispositif ainsi que la dynamique temporelle particulière de la décharge ont pu être mis en évidence. Par la suite, un dispositif bande étroite a été conçu en technologie microruban afin de comparer les effets de la résonance microonde sur les caractéristiques de limitation. Ces effets ont alors conduit à un limiteur de type réflectif plus rapide. Enfin, un dispositif additionnel a été conçu en technologie microruban suspendue afin de pouvoir interpréter analytiquement et numériquement les mécanismes observés expérimentalement. Ces analyses ont alors permis de quantifier les paramètres plasma de la décharge et d’obtenir des informations sur le couplage non-linéaire plasma/microonde.