Cette étude fait partie d'un projet commun CNES-ONERA dédié à la recherche sur les ergols verts pour la propulsion spatiale. La plupart des systèmes de contrôle d’attitude et d’orbite utilisent la décomposition catalytique de l’hydrazine, ce qui entraîne des problèmes de lits catalytiques et des contraintes de manipulation de l’hydrazine. Le CNES a proposé une nouvelle famille de monergol vert à base de liquides ioniques énergétiques. Ces HPGM (High Performance Green Monopropellant) proposent un système propulsif plus performant et moins toxique. L’objectif final du projet est d’initier thermiquement la décomposition liquide ionique énergétique afin d’éliminer les catalyseurs. L’objectif de la thèse est de caractériser l’allumage et la combustion de ces produits innovants. Ce travail présente dans un premier temps une approche expérimentale pour observer la décomposition de HPGM à l’aide de deux montages expérimentaux. Un montage de goutte isolée a permis la détection d’une pression seuil d’allumage pour les monergols d’étude, mais également une première approximation de la vitesse de régression. La réalisation d’un second montage en gouttière a étendu la gamme de pression pour cette mesure, tout en réduisant l’incertitude. Finalement, un modèle numérique a été proposé pour représenter la vitesse de régression des monergols d’étude et leur combustion en spray.

Il existe un intérêt croissant pour la mise en œuvre d'outils permettant de monitorer les performances cognitives en environnement réaliste.Les avancées technologiques récentes ont permis la mise en oeuvre de dispositifs de monitoring portables, tels que l'électroencéphalogramme (EEG), la spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge proche (fNIRS), l'eye tracking et l'électro-cardiogramme (ECG), afin d'étudier l'activité humaine dans une variété de configurations. Ces capteurs offrent d'intéressantes perspectives pour l'aviation via l’implémentation de systèmes d'interfaces cerveau-ordinateur passives et de technologie neuroadaptive assurant une exploitation plus sûre et plus efficace. Cependant, un problème critique consiste à extraire des marqueurs de la performance humaine pertinents et robustes pour la classification et pouvant être calculés en ligne. Ce doctorat a pour but d'évaluer les métriques de connectivité permettant de monitorer les performances cognitives. Nos travaux expérimentaux suggèrent que les métriques de connectivité en fNIRS (en particulier la cohérence en ondelettes) surpassent les métriques classiques lors de l'estimation de l'engagement dans un simulateur de vol réaliste ou de la fatigue dans des conditions réelles de vol. Nous avons ensuite mis en œuvre une nouvelle méthode, à savoir le compte de coïncidence retardée, pour évaluer la synchronie cardiaque dans un contexte d'hyperscanning. Les résultats ont révélés que cette métrique de connectivité était efficace pour détecter la coopération entre des coéquipiers face à une tâches exigeantes. De plus, les données EEG ont permis de classer la charge de travail et les niveaux de coopération que ce soit en utilisant les métriques issues d'un unique opérateur ou bien les données combinées des deux coéquipiers.

Modélisation aérothermodynamique des écoulements hypersoniques d’arrière-corps de débris orbitaux

En environnement spatial, les satellites doivent faire face à des radiations de particules énergétiques (électrons, protons) de forte intensité, pouvant conduire à une accumulation de charges électriques sur les dispositifs et isolants. L’implantation de ces charges au sein des matériaux, peut initier l’amorçage de décharges électrostatiques et d’arcs électriques. Ces décharges potentiellement dangereuses peuvent générer des perturbations électromagnétiques, des pertes de puissance, voire conduire à la destruction de sous-systèmes embarqués. Pour pallier à ces risques éventuels, il est nécessaire d’avoir une bonne prédiction du comportement en charge des matériaux sous irradiation spatiale. Il est donc primordial de bien comprendre, d’un point de vue microscopique et macroscopique, les interactions électrons/matériaux, les processus de transport de charges ainsi que les mécanismes de vieillissement. En effet, l’irradiation de haute énergie dégrade de manière irréversible la structure chimique du matériau, ce qui affecte son comportement électrique au cours de la mission spatiale. L’irradiation électronique de haute énergie sur des matériaux polymères conduit à une évolution particulière du potentiel de surface due à ce que l’on appelle : la conductivité induite sous irradiation (RIC en anglais : Radiation Induced Conductivity). Cette RIC est décrite au travers de modèles développés à l’ONERA et basés sur la théorie des bandes appliquée aux matériaux isolants imparfaits pour prédire les effets de charge et d’ionisation. Cependant, certains mécanismes physiques ne sont pas pris en compte dans ces modèles, et plus particulièrement : les processus de transfert énergétique et les effets de vieillissement. Pour mettre en évidence ces mécanismes et pour l’extraction de paramètres physiques importants pour les modèles prédictifs, de nouvelles techniques expérimentales ont été développées à l’ONERA dans le cadre de ce travail de doctorat : il s’agit en particulier de la technique de mesure courant thermostimulé (CTS) et de la cathodoluminescence (CL).Les mesures de courant thermostimulé ont permis de caractériser les niveaux et distributions énergétiques de pièges présents dans différentes familles de polymères à usage spatial (polyimides, fluoropolymères et polyaryléthercétones). Des paramètres physiques, tels que les énergies d’activation, les temps de dépiégeage ainsi que les densités de pièges ont ainsi pu être extraits via différentes méthodes d’analyse. L’effet du vieillissement sous forte dose radiative a également été étudié, démontrant une modification de la structure de bande associée à la création de niveaux de pièges plus profonds. Les mesures de cathodoluminescence ont rendu possible la mise en évidence de transitions énergétiques radiatives sur différents polymères à usage spatial. La comparaison des spectres CL entre des polymères de structures chimiques proches a permis d’avoir une première approche sur l’origine des différentes contributions mises en jeu. Pour conforter ces résultats, une étude paramétrique (température, dose) a été réalisée afin de proposer les schémas réactionnels à l’origine de la luminescence.

Le bruit environnemental a des effets bien connus sur l’humain. A court terme, il peut être source de stress, de fatigue, ou de déconcentration. Pour autant, la littérature montre des effets complexes, il peut par exemple être source de plaisir et de motivation. Dans le domaine de l’acoustique hélicoptère, le bruit en cabine est particulier parce qu’il possède une large gamme de fréquence (10-10000Hz). Le bruit de la boîte de transmission principale est particulièrement désagréable parce qu'il s'agit d'un bruit de type tonal dans des gammes de fréquences (500-3000 Hz) proches de la parole (200-6000Hz) auxquelles l’humain est très sensible. Les passagers émettent le désir de pouvoir travailler, lire et se reposer sans être gêné, ainsi, un enjeu pour les constructeurs consiste à améliorer le confort sonore en cabine. Pour réduire ce bruit, une solution est d’utiliser le contrôle actif. Airbus Helicopters a développé un système d’appui-tête intégrant des haut-parleurs et des microphones permettant de générer une zone autour de la tête des passagers dans laquelle le contrôle actif est réalisé. L’ajout d’un algorithme multi-tonalité, visant à filtrer uniquement les tonalités émergeantes, permet un gain allant jusqu’à 4 dB(A), ce qui représente une réduction de l’inconfort de 15%. L’objectif de cette thèse était de définir s’il est pertinent de filtrer toutes ces tonalités en fonction de l’activité courante du passager. Autrement dit, cette thèse visait à mieux cerner l’impact de différents bruits de cabine d’hélicoptère sur les performances cognitives et le confort des passagers, grâce à des mesures subjectives, comportementales (performance, oculométrie) et psychophysiologiques (électroencéphalographie, électrocardiographie). Afin de simuler l’activité d’un passager, trois tâches ont été sélectionnées : une tâche de « travail » (combinant calcul mental, raisonnement et mémoire de travail), une tâche de lecture et enfin une tâche de repos. Les résultats ont été comparés avec ceux obtenus par l’échelle de confort acoustique développée par Airbus Helicopters. Nous retrouvons une bonne correspondance entre cette échelle et nos résultats. Par ailleurs, nos résultats comportementaux et psychophysiologiques font apparaitre qu’une exposition courte aux sons d’hélicoptères n’a généralement que très peu d’effets délétères sur les performances aux tâches et ne crée qu’une faible augmentation du niveau de stress, observable par l’activité cérébrale et cardiaque. Cependant, le ressenti subjectif est le plus impacté par le bruit, avec un ressenti négatif associé aux bruits ayant le plus de tonalités.

Grâce à ses avantages (sûreté, performances propulsives, manoeuvrabilité, bon marché et faible impact environnemental), la propulsion hybride, combinant un oxydant liquide et un combustible solide, offre une alternative pertinente aux systèmes de propulsion solide et liquide pour des missions de mise à poste de satellites.Les performances du moteur hybride sont pilotées par le processus de combustion dans lequel le comportement de la régression du combustible joue un rôle déterminant. Bien qu’essentielle, la recherche expérimentale est coûteuse et ne peut pas produire une description détaillée de ce processus. La simulation numérique peut en revanche fournir des données complémentaires sur l’écoulement et les transferts, non accessibles expérimentalement compte tenu des ambiances sévères. En particulier, le comportement de la régression du combustible est décrit par le modèle d’Interaction Gaz-Surface (IGS) basé sur les bilans des échanges de masse et d’énergie à la surface du combustible. Cette approche prend en compte le couplage physique entre la vitesse de régression et les processus aérothermochimiques de l’écoulement. L’objectif de la thèse est de développer et valider expérimentalement une modélisation numérique prenant en compte le modèle IGS afin d’obtenir une représentation réaliste de la balistique intérieure d’un moteur hybride. Selon l’analyse de sensibilité menée sur la modélisation mise en place, la correction, proposée par Wilcox, du modèle de turbulence Favre-RANS k-! SST pour le soufflage pariétal est essentielle afin de représenter convenablement la vitesse de régression du combustible.Une technique de restitution de la distribution spatiale et temporelle de la vitesse de régression expérimentale a également été développée pour définir une méthode de validation recouvrant complètement le comportement de la régression du combustible. Le processus de validation a montré la capacité de la modélisation à fournir des valeurs réalistes de la vitesse de régression du combustible bien que des limites aient été constatées lors de l’étude de son comportement

L’optimisation des systèmes propulsifs pour l’aéronautique présente un large ensemble de défis technologiques qui doivent répondre à de nombreuses contraintes. L’une des principales contraintes pour la sécurité d’un aéronef est sa capacité à assurer le redémarrage en conditions de haute altitude. Ces conditions environnementales altèrent considérablement les caractéristiques du brouillard et limitent l’évaporation du combustible. Afin de prévoir l’influence des ces conditions sur le brouillard, les industriels ont recours à des modèles de comportement. Cependant ces corrélations sont établies dans des conditions ambiantes et il n’existe pas à ce jour de mesures réalisées dans ces conditions critiques de rallumage. De plus, rien n’atteste que ces corrélations restent valables dans ces conditions critiques. Afin de répondre à cette question, il paraît judicieux de mener des essais dans ces conditions critiques afin d’y caractériser le comportement du brouillard. Cette étude consiste donc à réaliser des essais dans ces conditions critiques de rallumage en haute altitude de manière à constituer une base de données dans le but de développer des modèles de comportement du brouillard. Un autre objectif de cette étude sera d’étendre la technique de mesure Planar Droplet Sizing au cas du kérosène et au banc MERCATO afin de proposer une alternative aux mesures PDA qui demeurent chronophages. La comparaison avec les mesures PDA nous permet de quantifier la précision de la technique de mesure dans ce contexte critique

Ce travail porte sur la modélisation pour la simulation et la prédiction des paramètres de performance des photodiodes à avalanche polarisée en mode Geiger en technologie CMOS, ou SPADs CMOS, pour Lidars spatiaux. Ce travail de thèse vise à développer une méthodologie basée sur : des modèles de la physique du semi-conducteur, des mesures fournissant des informations sur le procédé technologique visé et des outils commerciaux de simulation. Ceci, dans le but de simuler les paramètres de performance des SPADs en se rapprochant autant que possible de la réalité du procédé technologique afin d’améliorer les prédictions. Des SPADs ont été conçues et caractérisées de manière à acquérir les paramètres de performances et les confronter aux résultats de simulation pour valider notre approche.De plus, la conception des SPADs s’est faite en regard des spécifications Lidar du CNES et d’Airbus Defence and Space en vue d’obtenir des structures permettant d’améliorer nos connaissances en matière de : compréhension des mécanismes physiques, conception et méthode de caractérisation des SPADs CMOS. Ceci, dans l’intention d’étudier la possibilité d’intégrer ces détecteurs dans leurs futurs systèmes Lidars spatiaux.

Les systèmes cyber-physiques se présentent comme particuliers à bien des égards.Composés d’éléments issus des domaines physiques mis en interaction avec des élements issus des domaines informatiques, leur comportement est complexe et leur analyse formelle extrêmement difficile. Afin de contourner ces problématiques, nous avons recours à la simulation, et plus particulièrement à la simulation distribuée. La simulation distribuée est en effet très adaptée à la simulation des systèmes cyber-physiques de part les similarités structurelles existant entre les deux. Cependant, l’utilisation de la simulation distribuée fait apparaître ses propres challenges, notamment des problématiques de synchronisation temporelle entre les différentes entités mises en réseau. Ces problématiques détournent l’utilisateur de son but initial, à savoir l’analyse d’un système à travers un modèle. Dans cette thèse, nous proposons un framework intitué GRADE, basé autour d’une représentation du même nom. Le framework GRADE offre à l’utilisateur des outils et des méthodologies permettant de passer d’un modèle de système à une simulation distribuée. Des vérifications sont appliquées pour garantir que le comportement de la simulation distribuée correspond bien au modèle initialement présenté et que le passage au distribué n’entraînera pas l’apparition d’artefacts dans les résultats. Enfin, des techniques d’ordonnancement sont utilisées pour paralléliser le plus possible la simulation obtenue.

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.