Le transport aérien est à ce jour responsable de 2 à 3 % des émissions mondiales de CO2, ainsi que d'autres impacts climatiques et environnementaux. Les nouveaux concepts d'architectures pouvant contribuer à la réduction de l’impact environnemental de l'aviation suscitent donc un grand intérêt. L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement d’une approche holistique, allant de la modélisation et du dimensionnement de nouvelles architectures avion à la simulation de scénarios prospectifs durables pour le transport aérien. Cette approche permet ainsi de relier les enjeux de la conception avion à ceux de l’analyse de scénarios prospectifs pour l’aviation.Dans une première partie, des modèles d'estimation pour différents systèmes avion sont présentés dans le cadre d’un avion plus électrique. Des méthodes variées sont appliquées, par exemple basées sur l’utilisation de modèles énergétiques ou de modèles de régression. Les systèmes de conditionnement d’air et de protection contre le givre sont étudiés, tout comme les systèmes induits par l’électrification des avions (génération et distribution de puissance électrique, management thermique).Dans une deuxième partie, une architecture avion déployable à court terme est dimensionnée à travers une approche basée sur l’utilisation de la plateforme de conception avion FAST-OAD. Cette architecture intègre les systèmes décrits précédemment, dont les performances sont préalablement évaluées individuellement via des modèles spécifiques, ainsi que des améliorations propulsives et aéro-structurelles. Les caractéristiques de l'architecture complète sont alors analysées, notamment concernant ses impacts environnementaux à partir d'un module d'analyse de cycle de vie développé pour FAST-OAD.Dans une dernière partie, l'outil CAST développé dans cette thèse est présenté. Il permet de simuler et d'évaluer des scénarios prospectifs pour le transport aérien. Des modèles sont détaillés pour les différents leviers d’action permettant de réduire l'impact environnemental du transport aérien. Une attention particulière est portée sur l’introduction d’architectures plus efficaces dans la flotte. Pour évaluer la durabilité des scénarios, des méthodologies spécifiques sont proposées pour les enjeux climatiques et énergétiques, en s'appuyant par exemple sur la notion de budget carbone. Plusieurs applications montrent alors le bénéfice des nouvelles technologies mais aussi le besoin d’un arbitrage entre le niveau de trafic aérien et la part du budget carbone mondial allouée au secteur aérien.

L'accumulation de glace sur les avions est un problème bien identifié depuis le début des années 1900. Les solutions actuellement utilisées en vol (soufflage d'air chaud provenant des moteurs, tapis chauffants électrothermiques, boudins pneumatiques gonflables, bobines électromagnétiques) offrent une protection efficace mais nécessitent une puissance ou un besoin en maintenance important. De plus, dans le cadre d’avions plus électriques, les systèmes dépendant des moteurs thermiques sont susceptibles de devenir obsolètes, ouvrant ainsi la voie à de nouveaux systèmes électriques. Les systèmes de dégivrage électromécaniques se sont récemment avérés pertinents en termes de consommation d'énergie et de masse embarquée, ce qui explique le travail poursuivi dans cette thèse pour développer ce système.Cette thèse se concentre sur la conception de systèmes de dégivrage électromécaniques résonants basés sur de nouvelles structures ou architectures d'actionneurs. Le système de dégivrage électromécanique résonant étudié est basé sur des actionneurs piézoélectriques. Alimentés par un courant alternatif, les céramiques piézoélectriques vibrent en excitant la structure à une fréquence donnée. Lorsqu'elle correspond à une des fréquences naturelles de la structure, l'amplitude des vibrations augmente grâce au phénomène de résonance, générant des niveaux élevés de contraintes et de déformations, dépassant finalement la résistance mécanique de la glace. L'objectif est de développer un prototype qui pourrait démontrer une protection efficace contre le givre pour une faible puissance absorbée (moins de 10 kW/m²).Afin de concevoir un système de dégivrage électromécanique résonnant efficace et peu consommateur, de nombreuse thématiques ont été étudiés et sont donc développés dans ce manuscrit de thèse.En se basant sur la mécanique des fractures, les mécanismes de fissuration et détachement de la glace sont étudiés. Tout d'abord, des simples échantillons plaques sont utilisés pour faciliter les calculs et les expériences. En utilisant l'analyse modale par éléments finis et les outils d'analyse de fracture, les différents mécanismes de fracture de la glace sont identifiés et les conditions de déclenchement définies. Les mécanismes théoriques supposés sont confirmés par des vérifications expérimentales. Sur la base de ces connaissances, une campagne hybride numérique/expérimentale est menée pour mesurer avec précision les propriétés mécaniques de la glace atmosphérique. Enfin, les mécanismes de fissuration identifiés sont améliorés par le développement et l’utilisation d'un outil d'optimisation, modifiant la géométrie du substrat pour maximiser l'efficacité du dégivrage.Des applications plus réalistes sont ensuite étudiées. Tout d'abord, l'actionnement de la structure est amélioré en minimisant la durée du processus d’identification et d'excitation des modes. Ensuite, afin de faciliter la sélection des modes d'intérêt et l’identification des principales caractéristiques du système, des critères de conception sont définis en fonction de la puissance mécanique, de l'énergie ou de la force à fournir à la structure pour réaliser le dégivrage. En utilisant ces critères, les propriétés de la glace et les connaissances des mécanismes de fracture acquises grâce aux études préliminaires, un prototype NACA réaliste est usiné et instrumenté. Permettant ainsi d'effectuer des tests de vérification dans la soufflerie givrante de l'ICA.Enfin, les performances du prototype sont comparées aux systèmes existant de protection contre le givre. L'impact du système au niveau de l'avion est évalué en quantifiant la puissance requise, la traînée induite et la masse supplémentaire du système et de ses sous-systèmes. Cette approche permet de mettre en avant les avantages de la solution électromécanique développée dans cette thèse au niveau de la flotte aérienne.

Les réseaux temps-réels, comme ceux spécifiés par IEEE Time-Sensitive Networking (TSN) et IETF Deterministic Networking (DetNet), fournissent aux applications critiques un service déterministe avec des bornes de latence garanties.Plusieurs mécanismes comme les ordonnanceurs et les régulateurs de trafic (TSN ATS, asynchronous traffic shaping) ont été développés et leurs effets sur les bornes de latences pire-cas ont été abondamment étudiés dans la littérature en utilisant la théorie du calcul réseau.Toutefois, les réseaux temps-réels doivent désormais aussi offrir une reconfiguration simplifiée avec des chemins alternatifs, un haut niveau de fiabilité et parfois un service de synchronisation du temps.Pour répondre à ces besoins, l'utilisation de topologies à plusieurs chemins a été encouragée pour faciliter la reconfiguration et des mécanismes de redondance et de synchronisation ont été développés pour fournir un haut niveau de fiabilité et une synchronisation du temps.Tandis que chacun de ces mécanismes dispose d'une théorie pour valider son efficacité dans son objectif respectif, la littérature n'a que peu étudié leurs effets secondaires sur les bornes de latences et leurs interactions avec les ordonnanceurs et les régulateurs de trafic.Dans cette thèse, nous utilisons la théorie du calcul réseau pour analyser les combinaisons de mécanismes et leurs effets sur les bornes de latences dans les réseaux temps-réel avec des topologies à plusieurs chemins.Nos principales contributions sur le plan théorique sont :1/ Nous développons un algorithme (FP-TFA) qui calcule des bornes de latence dans les réseaux dans lesquels la variété des chemins crée des dépendances cycliques.Nous proposons et analysons l'approche de déploiement partielle des régulateurs de trafic (soit par flux, soit avec TSN ATS) ainsi qu'un autre algorithme (LCAN) qui casse toutes les dépendances cycliques à coût minimal.2/ Nous analysons les effets des mécanismes de redondance sur les bornes de latence en modélisant leur comportement dans la théorie du calcul réseau.Nous analysons aussi leurs interactions avec les régulateurs de trafic.En particulier, nous observons que TSN ATS peut mener à des latences non bornées lorsqu'il est utilisé avec les mécanismes de redondances.3/ Nous proposons un modèle d'horloge qui décrit, au sein de la théorie du calcul réseau, les imperfections des horloges des réseaux synchronisés ou non.Nous montrons que l'usage de régulateurs de trafic avec des horloges imparfaites occasionne une pénalité dans les bornes de latence.Avec TSN ATS, cette pénalité n'est pas bornée, y compris dans les réseaux synchronisés avec une grande précision.Nous proposons deux méthodes (cascade et ADAM) pour adapter les paramètres des régulateurs et ainsi résoudre ce problème.Nous fournissons également des contributions d'intérêt pratique :a) l'outil modulaire xTFA, qui calcule des bornes de latences en utilisant les résultats de la thèse,b) un module pour simuler l'effet des horloges locales dans le simulateur à évènements discrets ns-3, etc) une application de nos résultats sur une étude de cas industrielle.

Les méthodes aléatoires pour le calcul approché de décomposition aux valeur singulières/valeurs propres ont suscité beaucoup d’intérêt au cours des dernières décennies. Ces méthodes se sont avérées performantes, efficaces en termes de coût de calcul et particulièrement bien adaptées aux problèmes de grande taille. À cet égard, des recherches récentes ont proposé des applications de cesméthodes en assimilation de données, où la taille des problèmes est prohibitive pour un grand nombre d'approches classiques. Dans cette thèse, nous proposons trois contributions interconnectées aux méthodes aléatoires pour l'approximation de rang faible, l'extraction d’information spectrale et le préconditionnement en assimilation de données variationnelle.Premièrement, nous proposons une analyse générale de l'erreur d'approximation de rang faible aléatoire en norme de Frobenius et en norme spectrale. Cette généralisation étend les possibilités d'analyse à un plus grand nombre de méthodes aléatoires en autorisant des matrices de covariance générales et un vecteur de moyenne non nulle pour la matrice gaussienne d'échantillonnage. La particularisation de nos bornes à la méthode dite de Randomized Singular Value Decomposition (RSVD) montre que nous améliorons les bornes d'erreur de référence proposées par Halko, Martinsson et Tropp (2011).Ensuite, nous présentons des algorithmes aléatoires pour la résolution de problèmes aux valeurs propres spécifiques qui apparaissent notamment en assimilation de données. Les méthodes proposées sont polyvalentes et généralisent les contributions de Saibaba, Lee et Kitanidis (2016) et Daužickaité et al. (2021). Nous fournissons ensuite une analyse théorique de nos méthodes qui éclaire sur la sensibilité de l’erreur au nombre d'itérations de sous-espace, au nombre d'échantillons aléatoires et à la matrice de covariance pour la matrice gaussienne d'échantillonnage. Des illustrations numériques sur un problème d'assimilation de données confirment le potentiel de nos algorithmes.Enfin, nous proposons une classe de préconditionnement à mémoire limitée aléatoire dédiée à l'assimilation de données variationnelle. Nous proposons de tels préconditionnements pour deux méthodes de Krylov en particulier: une approche dite inverse-free dans l'espace primal introduite par Guröl (2013) et une méthode d'espace dual proposée par Gratton et Tshimanga (2009). La dimension réduite de l'espace dual rend cette dernière approche plus intéressante à la fois en termes de coût de calcul et de stockage. Les préconditionnements aléatoires proposés sont basés sur des expressions adaptées identifiées par Gürol (2013) pour lesquelles les calculs coûteux d’information spectrale exacte est remplacée par des approximations obtenues avec une procédure aléatoire. Des illustrations sur un problème d'assimilation de données variationnel quadridimensionnel de référence démontrent le potentiel de nos préconditionnements aléatoires, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes.

L’influence de la rugosité de surface sur la transition laminaire/turbulente d’une couche limite 2D incompressible est examinée de manière expérimentale en soufflerie. En particulier, l’effet de la rugosité sur la réceptivité, et surtout l’amplification des ondes de Tollmien-Schlichting (ondes T-S) est analysée. Une expérience dont la rugosité de surface peut être partiellement changée est conçue est usinant une plaque plane pour que trois inserts rectangulaires amovibles y soient placés. Ces inserts sont soit lisses (usinés en métal) soit rugueux, fabriqués par une imprimante 3D à stéréolithographie. La plupart des résultats sont obtenus par l’anémométrie à fil chaud.Si les premiers résultats ont permis de mettre en lumière un potentiel effet de la rugosité de surface sur la réceptivité des ondes de Tollmien-Schlichting, l’essentiel de ce manuscrit est consacré à l’étude de la suramplification de ces instabilités en présence de rugosité de surface. L’accent est dans un premier temps mis sur l’étude des phénomènes par lesquels la rugosité de surface suramplifie les ondes T-S. Aucune déformation du profil moyen n’est constatée mis à part une légère inflexion à proximité immédiate de la rugosité, mais les études effectuées montrent la limite de l’anémométrie à fil chaud pour les études dans les régions aussi proches de la paroi. La possibilité que la rugosité de surface génère des stries est étudiée et confirmée, mais dans certains cas seulement. Cette génération de stries semble en effet n'avoir lieu que lorsque la rugosité de surface possède les longueurs d’ondes adaptées, au sens de la théorie des perturbations optimales, pour déclencher ce type d’instabilités.L’avancée de la position de transition est ensuite étudiée de manière quantitative en fonction des paramètres de hauteur moyenne, de position et de longueur de la zone rugueuse. Des positions de transition obtenues dans les cas avec rugosité sont déduits des $Delta N$, représentant un surcroît d'amplification des ondes T-S. Pour une longueur de rugosité donnée, la hauteur moyenne adimensionnée par l’épaisseur de déplacement ($R_a/delta_1)$ semble être un paramètre majeur et l'évolution $Delta N$ induit par la rugosité en fonction de ce paramètre est proche d'une loi linéaire. Aucune influence de la position le long de la plaque plane n’est observée tant que la réceptivité n’est pas modifiée. La longueur de la zone rugueuse se révèle également être un paramètre fondamental, et donner lieu là encore à une évolution proche d'une loi linéaire de $Delta N$.Basées sur ces résultats expérimentaux, deux modélisations, dites par $Delta N$ et $Delta N$ réparti inspirées des modèles en $Delta N$ utilisés dans le cadre des rugosités 2D localisées ont été mises au point pour calculer le Delta N induit par une surface rugueuse. La première est une approche globale quand la seconde propose une formulation locale.

L'étude des interactions Soleil–Terre, en particulier par le biais du couplage entre le vent solaire et la magnétosphère, est au cœur des enjeux liés à la météorologie de l'espace. Nous nous intéressons à la question de la prédiction à quelques jours d'indices géomagnétiques, qui peuvent servir à piloter les modèles de ceintures de radiations terrestres. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses études ont montré que les réseaux de neurones artificiels permettaient de prédire ces indices de manière particulièrement performante, à partir des mesures du vent solaire proche de la Terre.Au cours de nos travaux nous proposons d'abord un nouveau modèle de prédiction de l'indice géomagnétique Dst, composé d'un réseau de neurones possédant des couches récurrentes. Ce nouveau modèle produit des prédictions probabilistes plus performantes que l'état de l'art actuel pour des horizons de prédiction inférieurs à 6 heures. Afin de rendre notre modèle plus utile opérationnellement, nous l'adaptons pour la prédiction du nouvel indice géomagnétique Ca, conçu pour mieux rendre compte de la géoefficacité des événements géomagnétiques du point de vue des ceintures de radiations électroniques. En menant une évaluation complète de notre modèle, nous montrons qu'il perd de son utilité dans un contexte opérationnel pour les horizons de prédiction supérieurs à quelques heures.Partant de ce constat, et face aux limites montrées par les modèles physiques de propagation du vent solaire actuels, nous étudions l'utilisation d'imagerie solaire pour prédire directement l'indice géomagnétique Kp de 2 à 7 jours en avance. Pour cela, nous construisons SERENADE, le premier modèle de prédiction d'un indice géomagnétique alimenté uniquement par des images du Soleil. Ce modèle est un réseau de neurones à l'architecture complexe combinant des couches de différentes natures. Nous montrons que notre modèle présente des performances au moins égalant celles des modèles empiriques simples (et pourtant actuellement les plus performants) de prédiction du maximum journalier de Kp. Nous mettons en évidence que celui-ci, bien qu'encore immature pour une utilisation en contexte opérationnel, est capable de rendre compte de la géoefficacité de certains événements solaires directement à partir de la seule imagerie solaire. En identifiant les limites de notre modèle et leurs causes, nos résultats ouvrent la voie à une modélisation par les données des interactions Soleil–Terre complétant les modèles physiques actuels.

L’industrie aérospatiale fait face à un nouveau défi : proposer de nouvelles fonctionnalités et de nouvelles missions autour de la Terre, dans le système Solaire et au-delà. Ces nouveautés ne se feront pas sans une amélioration de la performance à bord des satellites, notamment au niveau de l'architecture de communication. C’est la raison pour laquelle l’industrie aérospatiale envisage un changement radical de ses réseaux embarqués, passant du bus MIL-STD-1553 pour le trafic temps réel et Spacewire pour le trafic haut débit, à un réseau «unifié » reposant sur une technologie unique capable de transporter ces deux types de trafic. Au début de la thèse, IEEE Time Sensitive Networking (TSN), la technologie état de l’art d’Ethernet, a commencé à attirer l’attention de différents acteurs du spatial. De fait, le but de cette thèse a été de mettre en évidence l’adéquation de TSN avec les exigences de l’industrie aérospatiale.Afin de résoudre ce problème, nous avons commencé par identifier un ensemble de technologies – Ethernet, ARINC 664, TTEthernet, Time Sensitive Networking et Spacefibre – a priori capables de répondre aux besoins des futures missions. Nous avons ensuite proposé une comparaison qualitative de ces technologies en se basant sur leur compatibilité avec les futures exigences des satellites. Cette comparaison s’est organisée autour de deux thèmes : qualité de service (i.e. performance réseau et tolérance aux fautes) et gestion du temps. Elle nous amènera à sélectionner trois candidats : TTEthernet, Spacefibre et TSN. Tandis que TTEthernet et Spacefibre étaient déjà connus et commençaient même à être intégrés dans des architectures réseaux embarqués satellite au moment d’écrire ce document, Time Sensitive Networking était lui totalement nouveau pour l’industrie aérospatiale.Ainsi, après cette étape préliminaire, nous avons étudié en profondeur les très nombreux standards de TSN. Nous avons identifié IEEE 802.1Qbv dit Time Aware Shaper comme le standard TSN indispensable pour répondre aux exigences en performance réseau des futurs satellites. Nous avons par ailleurs discuté de l’intérêt d’autres standards TSN (i.e. IEEE 802.1Qci, 802.1CB, 802.1AS, 802.1Qbu) qui sont, avec Qbv, en voie d’être inclus dans un profil TSN dédié à l’industrie aérospatiale.Afin de valider la compatibilité de TSN, nous nous sommes intéressés à la génération de configurations TSN. Cette tâche n’est pas aisée car chaque configuration nécessite d’instancier un très grand nombre de paramètres. De fait, ces configurations sont presque toujours générées de manière automatique. Cette automatisation est un véritable levier dans l’industrialisation du TSN, à la fois dans les satellites, et d’autres domaines d’application. Ainsi, nous nous sommes concentrés sur la configuration automatique du standard Qbv afin d’adresser les besoins en performance, considérant que les fonctions de tolérances aux fautes pouvaient être reléguées au niveau applicatif. Alors que les stratégies automatiques reposant sur des émissions planifiées à date fixe dans tous les équipements du réseau étaient très répandues dans l’état de l’art, nous avons proposé une nouvelle stratégie de configuration intitulée Egress TT. En pratique, les configurations Egress TT reposent sur des émissions planifiées à date fixe seulement dans le dernier équipement du trajet de n’importe quel flot. Le délai d’un message entre sa source et le dernier équipement dans son trajet peut être variable. En effet, il dépend de l’instant auquel le message a été émis à sa source et aux potentiels ralentissements qu’il rencontrerait dans le réseau. Néanmoins, ce délai variable est absorbé par une planification des émissions bien choisie au dernier saut. Cette nouvelle stratégie propose un meilleur passage à l’échelle que les stratégies existantes. Elle permet aussi de réduire l’effort de développement nécessaire pour la mise à jour des logiciels applicatifs vers l’architecture réseau nouvelle génération.

Depuis 1957, on estime que plus de 1600 tonnes de débris spatiaux ont pu parvenir à la surface de la Terre après avoir effectué une rentrée atmosphérique, représentant un risque pour les biens et les personnes au sol. L'estimation du risque à l'impact est devenue un enjeu majeur pour tous les acteurs du spatial, et en particulier pour le CNES depuis le vote en 2008 et la mise en application en 2021 de la Loi sur les Opérations Spatiales (LOS) qui impose des contraintes fortes sur les débris spatiaux.La simulation numérique « haute fidélité » de la rentrée atmosphérique des débris spatiaux tout au long de leur trajectoire ne peut être mise en œuvre du fait d’un coût de calcul trop important et hors de portée des calculateurs actuels. Des modèles analytiques ou modèles réduits sont donc utilisés. Actuellement, le couplage fort entre les phénomènes physiques de l'écoulement et le niveau de dégradation du matériau n'est pas pris en compte dans ces modèles. De plus, l'utilisation de matériaux composites rend complexe les simulations car leurs réactions de dégradation sont multiples et leurs propriétés thermophysiques ne sont pas totalement caractérisées. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre et modéliser les processus physiques dans les matériaux composites carbone/époxy et à leurs surfaces, pour une rentrée atmosphérique complète, tenant compte de la dégradation thermochimique, sur des géométries 3D représentatives des débris spatiaux.Pour atteindre cet objectif, un modèle de déplacement de maillage 3D des matériaux avec forte déformation a été développé et intégré dans le code matériau MoDeTheC de l’ONERA. Dans le même temps, le matériau composite carbone/époxy M55J/M18 fabriqué par Thales Alenia Space a été caractérisé avec les moyens d'essais de l’ONERA. Un modèle multi-constituants, permettant de rendre compte de l’évolution des propriétés du matériau en fonction de la température et de son niveau de dégradation, a été défini. L’utilisation de ces propriétés dans MoDeTheC, au sein du code de rentrée atmosphérique ARES (code intégrant les solveurs FAST, MUSIC, AtMoS et MoDeTheC), a permis de simuler la dégradation de réservoirs sphériques sur une trajectoire complète de rentrée. Enfin, pour quelques points de vol le long de ces trajectoires, les influences du soufflage et des réactions des gaz de pyrolyse sur le flux de chaleur convecto-diffusif ont été étudiées numériquement, avec le code Navier-Stokes CEDRE de l’ONERA.