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.

Le mouvement des ergols au sein des réservoirs, appelé ballottement, est à l’origine d’efforts perturbateurs qui nécessitent une attention particulière lors de la conception d’une mission ; ceci afin de ne pas entraîner de dégradation des performances en précision et stabilité de pointage, voire pour prévenir l’instabilité dans les pires cas. Après avoir présenté et analysé les méthodes habituelles pour l’atténuation des effets de ce phénomène, nous proposons une nouvelle solution méthodologique à la compensation des ballottements d’ergols pour l’amélioration du contrôle d’attitude des engins spatiaux. Nous développons alors une modélisation innovante du ballottement sous la forme de système LPV incertain dont l’identification repose sur des données de Mécanique des Fluides Numériques. En s’appuyant sur ce modèle nous élaborons une stratégie de pré-compensation basée sur un observateur LPV robuste dont la synthèse est effectuée via des techniques de synthèse H1 multi-modèles et par résolution de LMI. Les limites en couple et en moment cinétique des actionneurs sont ensuite prises en compte par l’implémentation alternative d’un filtre Direct Linear Anti-Windup statique et d’un Reference Governor. Lorsque le système est asservi par un contrôleur d’attitude pré-existant et satisfaisant hors-ballottement, notre stratégie de compensation est calculée indépendamment du contrôleur, s’interconnecte facilement avec le système et rétablit ses performances nominales en dépit du mouvement des ergols. L’ensemble de cette stratégie est rigoureusement testée et analysée sur un modèle de satellite test. Les résultats suggèrent qu’une telle modification du système de contrôle d’attitude permet une atténuation efficace des effets délétères du ballottement et pourrait contribuer à réduire la complexité et la masse des réservoirs, et à améliorer la disponibilité des missions spatiales

Le projet Deep Space Gateway (DSG) se présente comme l’une des plus prometteuses collaborations internationales de la prochaine décennie. Il inclut la mise en place d’un avant-poste spatial dans un environnement cislunaire, servant de relais pour des missions (habitées ou non) d’exploration. L’orbite cible pour la station sera une Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) située a proximité d’un point de Lagrange Terre-Lune (EML). Les activités opérationnelles de Rendez-vous et de Docking (RVD) sont de la plus haute importance afin de mener à bien l’assemblage de la station puis les diverses opérations de maintenance. Le module Orion sera en charge de ces opérations et devra également assurer les missions de ravitaillement et les vols habités au départ ou à destination de la DSG. La littérature au sujet des questions de RVD dans le problème à deux corps sur des Orbites terrestres ou lunaires basses quasi-circulaires (LEO et LLO respectivement) est très vaste et les cas d’application pratique ne manquent pas : citons par exemple les RVD manuels des missions Apollo. Cependant, la complexité dynamique des modèles a trois corps ou plus fait qu’à ce jour aucun RVD l n’a été réalisé dans des régions proches des points de Lagrange, où les modèles képlériens ne sont plus applicables. Malgré la présence de nombreuses publications sur les trajectoires et orbites a proximité des points de Lagrange et des transferts dans le domaine cislunaire, la communauté scientifique ne dispose à ce jour que de très peu de résultats sur les opérations de RVD dans les environnements non-képlériens. L’intérêt suscité par la mise en route du projet DSG et des premiers vols du module Orion a néanmoins vivement relancé l’intérêt de la communauté sur le sujet. L’ISAE-Supaéro a développé avec ses partenaires (parmi lesquels l’Agence Spatiale Européenne, et Airbus Defence and Space) des outils semi-analytiques de modélisation et de calcul d’orbites de type NRHO, DRO, Lyapunov, Halo et Lissajou à proximité des points de Lagrange dans le problème circulaire restreint a trois corps (CR3BP). Ceci constitue un solide point de départ pour étendre les stratégies de RVD aux environnements cislunaires avec prise en compte des contraintes matérielles et opérationnelles des missions à venir. Ce doctorat propose le développement d’outils théoriques et de méthodes numériques de mécanique orbitale permettant d’exploiter les spécificités de l’astrodynamique non-linéaire pour réaliser des opérations de RVD en milieu cislunaire. Il s’agira de définir les contraintes propres à ce nouveau cadre opérationnel et de proposer des modèles répondant aux attentes des agences spatiales internationales et de l’industrie pour préparer l’exploration spatiale de demain. Nous nous intéresserons à des opérations de RVD entre la DSG, cible du rendez-vous et placée sur une orbite NRHO autour de EML2, et des véhicules provenant d’orbites terrestres. Nous proposerons en particulier un design de système de Guidage, Navigation et Contrôle (GNC) qui s’appuiera sur les capacités technologiques actuelles et à venir des senseurs et actionneurs embarqués.

Le SGS (Système de Gestion de la Sécurité) est présenté dans l'aviation comme l'approche la plus prometteuse pour améliorer la sécurité. Pourtant, son efficacité perçue en tant qu'approche de management de la sécurité est mitigée. Cette thèse explore comment le SMS a été adopté dans l'aviation dans les années 2010, comme un changement radical dans le management de la sécurité et un moyen de réduire les occurrences d'accidents. Plus précisément, deux questions sont abordées : Comment le SGS de l'aviation tient-il ses promesses en matière de sécurité ? Comment le SGS a-t-il atterri dans l'aviation ?Sur la base d'une revue de littérature et d'une analyse des guides et outils pour le SGS produits par les autorités de l'aviation civile de trois régions représentatives, différentes philosophies du SGS sont mises en évidence : d'une approche basée sur la conformité, s'appuyant fortement sur une customisation minimale de documents génériques mis à disposition par les autorités, à une approche réflexive amenant les organisations aéronautiques à réfléchir sur leurs propres pratiques et à proposer leurs propres mesures pour gérer au mieux la sécurité.Une analyse critique de la manière dont le SGS tient ses promesses est alors effectuée. Elle passe en revue des raccourcis conceptuels (ex : confusion entre sécurité et SGS ; assimilation de la sécurité à la gestion des risques), les écueils méthodologiques, et les biais introduits par la mise en œuvre pratique du SGS.Pourtant, malgré ces limites, le SGS a été massivement adopté dans les industries à haut risque. Une recherche complémentaire s’imposait pour dépasser ce constat. Elle a été réalisée au moyen d'une approche socio-historique combinant l'analyse de traces écrites et l'interview de 18 ‘anciens’ du management de la sécurité déjà acteurs du domaine au moment de l'émergence et de la diffusion du SGS (fin des années 70 à 90 essentiellement). Cette analyse met en évidence les motivations des différents acteurs de la sécurité à changer d’approche de management de la sécurité, allant de l'amélioration de la performance globale, à des enjeux de responsabilité et de transparence. Elle souligne également le rôle du contexte global dans la convergence vers une approche de type SGS, en particulier : l'élan sociétal vers le New Public Management basé sur la gestion des risques et les audits généralisés ; la diffusion des systèmes de management de la qualité dans l’industrie. Enfin, l’histoire des idées autour du management de la sécurité est explorée. Elle souligne le rôle des communautés, en particulier des communautés de pratique au sein des industries, des communautés d'utilisateurs et des communautés scientifiques, ainsi que celui de certains individus et mécanismes qui ont favorisé la transversalité entre communautés. Au final, le SGS s'avère être l'émanation d'un contexte complexe mêlant de multiples aspects interdépendants.Ces constats conduisent à proposer trois voies à explorer, allant crescendo dans leur décalage avec les pratiques actuelles : 1/ Une extension du cadre, de l’horizon temporel et de la portée de l'analyse des risques, et des méthodes de travail plus inclusives dans le processus de gestion des risques ; 2/ Une extension de la définition de la sécurité au-delà de la gestion des risques reconnaissant l'incertitude, et le développement de capacités à faire face aux inévitables imprévus. Cela implique une flexibilité des modes d’action et de décision pour s’adapter aux situations et par suite, une évolution des modèles de gouvernance vers des modèles plus contextualisés et plus inclusifs ; 3/ Dépasser le périmètre de la sécurité pour mieux la manager, en appréhendant la complexité du contexte global et les multiples enjeux avec lesquels elle interagit. Par ailleurs, aborder la question des enjeux multiples sous un angle favorisant les synergies entre eux plutôt les tensions. Cela passe notamment par une révision des modes de gouvernance et structures organisationnelles.

Les systèmes multi-robots se multiplient dans notre quotidien, par exemple dans la robotique de service ou dans l’assistance industrielle ou agricole. Pour rendre ces systèmes autonomes et sûrs, il est indispensable d’embarquer des modules pour gérer automatiquement les pannes, c’est-à-dire la détection d’anomalies, l’évaluation des causes possibles et la décision d’une réaction appropriée (réessayer, remplacer l’action, remplacer un composant, etc). La thèse vise à développer des outils génériques pour construire un module de gestion automatique des pannes, pour analyser ce module et pour valider son comportement. La première ambition est de modéliser le système multi-robots, le raisonnement pour émettre un diagnostic et les propriétés de sûreté requises. Le travail portera ensuite sur les algorithmes pour construire le module de gestion des pannes et l’analyser. Finalement, les outils développés seront validés par l’application à différents scénarios multi-robots réels et simulés.

Cette thèse vise à étendre l’approche port-Hamiltonienne (pH) à la mécanique des milieuxcontinus dans des dimensions géométriques plus élevées (en particulier on se focalise sur ladimension 2). Le formalisme pH, avec son fort caractère multi-physique, représente un cadreunifié pour modéliser, analyser et contrôler les systèmes de dimension finie et infinie. Malgrél’abondante littérature sur ce sujet, les problèmes d’élasticité en deux ou trois dimensionsgéométriques n’ont presque jamais été considérés. Dans ce travail de thèse la connexion entreproblèmes d’élasticité et systèmes distribués port-Hamiltoniens est établie. L’originalitéapportée réside dans trois contributions majeures. Tout d’abord, une nouvelle formulationpH des modèles de plaques et des phénomènes thermoélastiques couplés est présentée.L’utilisation du calcul tensoriel est obligatoire pour modéliser les milieux continus etl’introduction de variables tensorielles est nécessaire pour obtenir une description pH équivalentequi soit intrinsèque, c’est-à-dire indépendante des coordonnées choisies. Deuxièmement,une technique de discrétisation basée sur les éléments finis et capable de préserver la structuredu problème de la dimension infinie au niveau discret est développée et validée. Cetteméthodologie repose sur une formule d’intégration par parties abstraite et peut être appliquéeaux systèmes hyperboliques et paraboliques linéaires et non linéaires. Plusieurs éléments finispour les structures minces (poutres et plaques) sont proposés et testés. La discrétisation desproblèmes d’élasticité écrits en forme port-Hamiltonienne nécessite l’utilisation d’élémentsfinis non standards. Néanmoins, l’implémentation numérique est réalisée grâce à des bibliothèquesopen source bien établies, fournissant aux utilisateurs externes un outil facile àutiliser pour simuler des systèmes flexibles sous forme pH. Troisièmement, une nouvelle formulationpH de la dynamique multicorps flexible est dérivée. Cette reformulation, valablesous de petites hypothèses de déformations, inclut toutes sortes de modèles élastiques linéaireset exploite la modularité intrinsèque des systèmes pH.

L’utilisation des matériaux composites dans l’industrie aéronautique s’étant largement étendue, le dimensionnement de ces structures et de leur protection vis-à-vis de la foudre est devenu un enjeu majeur. Il est important de pouvoir développer des outils prédictifs permettant d’obtenir une conception de structure répondant aux critères de certification avec des temps et coûts de conception maitrisés. L’interaction de la foudre avec une structure composite est un phénomène multiphysique complexe, avec une difficulté ajoutée par la présence d’une protection métallique en surface et d’une couche de peinture. Dans ce contexte, cette étude a visé à développer la compréhension par rapport aux forces générées par la foudre et d’en évaluer ses conséquences quant à l’endommagement du composite. Dans cet objectif, le phénomène a d’abord été décomposé pour en étudier ses différentes parties et définir l’impact des interactions. Dans un premier temps,l’arc libre a été comparé au pied d’arc en interaction avec différents substrats permettant de définir un modèle de vaporisation de la protection foudre. Dans un second temps, la surpression générée par l’explosion de la protection en surface lors de la vaporisation a été évaluée pour définir des profils de pression spatio-temporels.Dans un troisième temps, une caractérisation mécanique de la peinture a été développée afin de quantifier son effet de confinement sur l’explosion de surface. A chaque étape, une théorie a été développée et analysée via des modèles numériques et des essais. Enfin, ces trois différentes briques ont été rassemblées dans un modèle mécanique simulant l’impact foudre sur une structure composite afin d’en prédire l’endommagement. De plus,une loi utilisateur a été développée pour appliquer ce chargement complexe ainsi qu’une loi d’endommagement. Ces modèles sont comparés aux résultats d’essai foudre en laboratoire afin d’en déterminer les limites de validité et leur capacité à prédire l'endommagement.

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.

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.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des machines autonomes embarquant des concepts éthiques dans leur raisonnement. Ce travail consiste à proposer un raisonnement formel se basant sur des concepts de philosophie morale qui permet à un agent artificiel de juger des décisions et de justifier ce jugement. Partant d’un modèle de situation composé d’états du monde, de faits, de décisions et d’événements, nous avons modélisé les cadres éthiques de l’éthique normative par des règles à respecter dans le but de juger une décision comme « acceptable » ou « inacceptable » du point de vue de chacun de ces cadres. À partir de ce formalisme, nous avons pu élaborer une définition de dilemme moral qui se fonde sur les définitions en langage naturel disponibles dans la littérature, dans le but de permettre à un agent artificiel d’identifier une situation comme un dilemme. L’ensemble de ces travaux de formalisation ont permis de mettre en évidence et d’identifier précisément les sources de subjectivité ainsi que les facteurs de sensibilité du modèle. Enfin, un dernier chapitre est consacré à une expérimentation réalisée dans le but d’étudier l’influence qu’un agent artificiel embarquant un raisonnement éthique peut avoir sur un opérateur humain. Cette expérimentation a mis en évidence une tendance générale des participants à ne pas être influencé par les suggestions de l’agent artificiel s’opposant à leur avis initial. Néanmoins, on observe que les personnes dont le raisonnement est plutôt déontologique ont tendance à être plus influencées que les personnes dont le raisonnement est plutôt conséquentialiste