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.

Le refroidissement par impact constitue une des méthodes les plus efficaces pour extraire de la chaleur d'un matériau. C'est pourquoi l'utilisation de jets impactant une surface est largement répandue dans les systèmes industriels, que ce soit dans les domaines des transports, en électronique ou bien pour la fabrication de certains matériaux. Une bonne modélisation de la turbulence et des échanges de chaleur par impact de jet est donc nécessaire afin de dimensionner au mieux les systèmes. À ce titre, la modélisation au second ordre de la turbulence (RSM) est privilégiée dans cette étude car elle permet de capter la physique complexe de la région d'impact contrairement aux modèles au premier ordre. Toutefois, les mécanismes à l'origine de l'évolution des tensions de Reynolds dans cette zone restent mal connus et les prévisions aérothermiques surestiment largement le niveau de turbulence et les échanges de chaleur pariétaux. Cette thèse vise à contribuer à l'amélioration de cette prévision. Pour cela, une simulation des grandes échelles de la turbulence est réalisée afin de mettre en lumière les termes dominant le bilan des équations de transport des tensions de Reynolds dans la région d'impact. Il est ainsi montré que le terme de diffusion par la pression est responsable des flux d'énergie cinétique turbulente, en particulier loin de la paroi. Ce résultat nouveau remet notamment en cause les hypothèses classiques de la modélisation des flux diffusifs. Un équilibre entre les termes de pression (redistribution, diffusion par la pression), la convection et la production est également mis en évidence. Une correction simple imposant cet équilibre est alors proposée pour les modèles au second ordre à pondération elliptique. D'autre part, une modélisation de la diffusion par la pression est aussi proposée. Celle-ci est associée à une modification de la redistribution pariétale afin d'absorber le flux d'énergie qui en découle. La prise en compte du terme de diffusion par la pression permet de reproduire plus fidèlement les mécanismes physiques de la région d'impact, et ainsi d'améliorer de manière significative les prévisions aérothermiques.

Les capteurs satellitaires ne pouvant acquérir des images d'observation de la Terre à hautes résolutions spatiale et spectrale, une solution consiste à combiner une image panchromatique (PAN) à haute résolution spatiale avec une image hyperspectrale (HS) à haute résolution spectrale, pour générer une nouvelle image hautement résolue spatialement et spectralement. Ce procédé de fusion, appelé pansharpening HS, présente toutefois certaines limitations, parmi lesquelles la gestion des pixels HS mixtes, particulièrement présents en milieu urbain.Cette thèse a pour objectif de développer et valider une nouvelle méthode de pansharpening HS dans le domaine réflectif [0,4 - 2,5 µm] optimisant la reconstruction des pixels mixtes. Pour ce faire, une méthode de la littérature appelée Spatially Organized Spectral Unmixing (SOSU) a été choisie comme point de départ. Elle est basée sur des étapes de prétraitement de démélange spectral et de réorganisation spatiale des pixels mixtes, et une étape de fusion appelée Gain.Afin d'évaluer les méthodes de fusion, des jeux de données simulés présentant plusieurs niveaux de complexité spatiale et acquis par différents instruments ont été construits à partir de données aéroportées existantes. D'autre part, un protocole robuste d'évaluation de performances a été proposé. Il est basé sur le protocole de Wald et l'application de critères de qualité à différentes échelles spatiales et sur différents domaines spectraux, et il est complété par un produit à valeur ajoutée (cartes d'occupation des sols par classification supervisée).Des améliorations ont été apportées à SOSU pour l'adapter progressivement à des scènes de complexité spatiale élevée. Une nouvelle approche de réorganisation spatiale par analyse combinatoire a été proposée pour le traitement des milieux agricoles à péri-urbains. Des améliorations supplémentaires ont été apportées pour le traitement des milieux urbains, en modélisant notamment l'analyse combinatoire comme un problème d'optimisation, et ont conduit à la méthode Combinatorial OptimisatioN for 2D ORganisation (CONDOR). Les performances de cette méthode ont été évaluées et comparées à celles de méthodes de référence. Elles ont révélé des améliorations visuelles et numériques de la qualité de la reconstruction, et ont montré que la limitation la plus importante provient de la non-représentation du domaine SWIR [1,0 - 2,5 µm] dans l'image PAN en entrée de la fusion.Un nouveau choix d'instrumentation, reposant sur l'utilisation d'une seconde voie PAN dans le domaine SWIR II [2,0 - 2,5 µm], a ainsi été introduit pour dépasser cette limitation. Les méthodes Gain-2P et CONDOR-2P, extensions des méthodes Gain et CONDOR prenant en compte cette seconde voie PAN, ont été développées. L'analyse des résultats a révélé l'apport conséquent de ces deux méthodes étendues (jusqu'à 60 % et 45 % d'amélioration par rapport à leurs versions initiales sur des données respectivement péri-urbaines et urbaines), ainsi que l'amélioration de la qualité de l'image fusionnée avec CONDOR-2P par rapport à Gain-2P (jusqu'à 9 % d'amélioration).Enfin, une étude de sensibilité a été menée afin d'évaluer la robustesse des méthodes proposées vis-à-vis des défauts et caractéristiques instrumentaux (rapport de résolutions spatiales, déregistration, bruit et fonction de transfert de modulation), en choisissant des configurations représentatives des instruments satellitaires existants. Malgré la sensibilité de l'ensemble des méthodes aux différents paramètres, les analyses ont montré que CONDOR-2P obtient quasi-systématiquement la meilleure qualité de reconstruction, et se révèle particulièrement robuste vis-à-vis de l'augmentation du rapport de résolutions spatiales (10 % d'amélioration par rapport à Gain-2P pour une valeur de 8 en milieu péri-urbain).

Le bruit de choc du rotor est aujourd'hui une des principales sources de bruit des moteurs d'avions dans les conditions de décollage et de montée. Le contrôle et la réduction de cette source de bruit sont d'une importance primordiale pour les avionneurs pour se conformer aux réglementations internationales et améliorer le confort des passagers. Des outils de simulation haute fidélité sont nécessaires pour son étude, avec prise en compte de tous les effets géométriques et d'écoulement 3D ainsi que la modélisation des traitements acoustiques incorporés dans les parois de l'entrée d'air de nacelle. Les solveurs Euler et Navier-Stokes proposent des solutions pour calculer la propagation non linéaire des fluctuations de pression de forte amplitude des chocs créés par les rotors dans l'entrée d'air. Cependant, la modélisation des revêtements acoustiques dans ces solveurs reste un défi de l'acoustique numérique moderne, en raison de leur appartenance naturelle au domaine fréquentiel. Le présent travail se concentre sur la validation et l'extension de la condition limite d'impédance dans le domaine temporel (TDIBC) basée sur la Représentation Oscillo-Diffusive (ODR) et son implémentation dans un solveur CFD industriel. L'ODR s'est déjà avéré être un outil mathématique performant pour traduire l'opérateur d'impédance (ou de reflection) dans le domaine temporel.Un développement numérique dans un formalisme Navier-Stokes Characteristic Boundary Condition (NSCBC) a permis l'implémentation de ce modèle temporel dans le solveur Navier-Stokes à volumes finis elsA. Les validations de cette méthodologie sont réalisées par rapport à des données acoustiques issus de la littérature et de mesures expérimentales industrielles. Ils ont tous démontré que la nouvelle TDIBC est correctement implémentée dans le solveur CFD et prouvé son efficacité en termes de temps de calcul et stabilité numérique. Enfin, une application à la propagation et à l'atténuation des ondes de choc créées par les rotors dans une entrée d'air traiteé est proposée.

Les protections de véhicules terrestres contre les impacts balistiques ont longtemps été issues d’une évolution incrémentale basée sur des approches empiriques. Une conception basée sur une optimisation numérique permet de réduire le nombre des essais et les coûts afférents tout en faisant varier librement les matériaux, menaces et contraintes (environnementales par exemple). Une méthodologie de corrélation expérience-simulation couplant un code de calcul par éléments finis à un module d’optimisation est ainsi proposée. La méthodologie en question inclut trois étapes : (i) la calibration et la vérification d’un modèle numérique (à prendre au sens large), (ii) la validation du modèle, et (iii) la recherche d'une configuration optimale de protection, en l'occurrence ici un empilement multimatériaux.Une importante campagne de tirs balistiques a été conduite au moyen de la plateforme d’impact STIMPACT de l’ICA et d’un banc d’épreuve pour étudier la réponse de protections balistiques types (à base de plaques en acier et alliages, de carreaux de céramiques, de panneaux de polymères renforcés) en faisant notamment varier le type de projectile (matériau, géométrie), la vitesse d’impact (de 100 à 830 m/s), et la structure d’empilements multimatériaux. Des informations quantitatives ont été obtenues en termes de vitesses limites de protection (VLP) et de courbes vitesse résiduelle en fonction de la vitesse incidente, et des informations qualitatives en termes de modes de ruine des différents éléments constituant la protection. Ces essais ont permis de tirer des tendances et d'alimenter la base de données utilisée pour la partie corrélation expérience-simulation. Les simulations numériques ont été menées au moyen du code commercial de calcul par éléments finis Abaqus/Explicit. Le comportement des différents matériaux est décrit par des modèles spécifiques ingénieurs rendant compte des effets de la déformation et de la vitesse de déformation, de l'endommagement et de la température, et dont les constantes sont selon le cas issues de la littérature ou déterminées dans l'étape de calibration/vérification conduite sur des configurations simples à modérément complexes. Une fois validé sur des configurations complexes, le modèle est intégré dans une boucle d’optimisation via le module ISIGHT afin de déterminer un jeu de paramètres de conception optimal qui minimise la masse d’un empilement multimatériaux tout en assurant sa fonction de protection balistique. La comparaison des premières optimisations numériques à des essais réels est encourageante quant à la capacité prédictive du modèle.

La capacité à effectuer des tâches complexes est emblématique du comportement humain. Elle est essentielle dans de nombreux aspects de la vie quotidienne, ce qui est particulièrement vrai dans les contextes où la sécurité des personnes dépend de cette capacité (par exemple, les pilotes de ligne) ou pour les personnes souffrant de troubles cognitifs. L'objectif de cette thèse était double : (1) développer des outils pour prédire la performance des tâches complexes chez les personnes en bonne santé à partir de données neurophysiologiques ; et (2) développer des protocoles pour améliorer la performance des tâches complexes chez les personnes en bonne santé ou les tâches de la vie quotidienne chez les patients atteints de lésions cérébrales.Pour atteindre ces objectifs, nous avons d'abord sélectionné une tâche qualifiée de complexe (Space Fortress) car elle était décrite comme impliquant des fonctions cognitives de haut niveau telles que les fonctions exécutives. Nous avons démontré que cette tâche possède de solides qualités psychométriques, étant hautement sensible, fiable et valide, ce qui en fait une tâche appropriée reposant sur les fonctions exécutives globales.Le premier axe de recherche de cette thèse a porté sur la prédiction de la performance à cette tâche à partir de mesures neurophysiologiques. En utilisant deux techniques différentes de neuroimagerie (spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge et électroencéphalographie), nous avons pu démontrer que l'activité cérébrale intrinsèque (c'est-à-dire à l'état de repos) du réseau fronto-pariétal pouvait prédire une partie de la performance globale à cette tâche. Une perspective majeure de ce travail est qu'il pourrait exister des marqueurs neuronaux intrinsèques de tâches plus complexes (par exemple, piloter un avion ou conduire). Dans le contexte de la neuroergonomie, de tels marqueurs pourraient être utilisés soit comme un outil prédictif à des fins de sélection, soit comme une opportunité d'élaborer un entraînement cognitif individualisé.Un deuxième axe de recherche de cette thèse s'est focalisé sur l'amélioration des performances par l'utilisation de la stimulation cérébrale non invasive couplée à un entraînement cognitif. Nos résultats montrent qu'un certain type de montage (stimulation transcrânienne haute définition à bruit aléatoire) favoriserait non pas la vitesse d'apprentissage, mais le maintien des performances à long terme. Des résultats similaires, qui restent à confirmer, ont été obtenus chez des patients dysexécutifs atteints de lésions cérébrales, avec une amélioration des performances dans certaines de leurs tâches quotidiennes (par exemple, planifier des courses, gérer une boîte mail, préparer une recette).Les résultats obtenus au cours de cette thèse pourraient conduire au développement de nouveaux programmes d'entraînement cognitif ciblé. De tels programmes pourraient permettre d'améliorer la qualité de l'entraînement et de la prise en charge de certaines personnes, qu'elles soient en bonne santé, confrontées à des situations complexes ou atteintes de lésions cérébrales, confrontées à des défis quotidiens.

Le sismomètre SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) a été déposé à la surface de la planète Mars le 19 décembre 2018 dans le cadre de la mission NASA Discovery InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport). Ses objectifs sont d'explorer la structure interne et l'activité sismique de Mars.Dans cette thèse nous analysons les données transmisent par SEIS sous le prisme de l'interférométrie sismique. Cette technique tire parti des propriétés des champs diffus tels que la coda sismique ou le bruit ambiant pour reconstruire la réponse impulsionnelle du milieu par corrélation d'enregistrements sismiques. L'exceptionnelle sensibilité du sismomètre SEIS rend possible l'étude des caractéristiques du bruit ambiant martien, qui nous étaient inconnues jusqu'alors.En comparant des fonctions d'auto-corrélations de bruit et de coda d'événements sismiques martiens nous avons identifié deux régions du spectre où s'observe le bruit microsismique martien.Une amplification locale du sol autour de 2.4 Hz présente une structure spectrale que nous avons pu relier à la structure crustale de Mars. La réponse en réflexion reconstruite par auto-corrélation a permis de détecter deux interfaces crustales, à ~9 et ~24 km de profondeur, cohérentes avec les fonctions récepteur.Nous montrons également que les composantes horizontales du sismomètre contiennent la signature d'une variation saisonnière des vitesses sismiques dans leurs spectres à hautes fréquences (> 5 Hz). Ces variations, observées également dans la coda de multiplets sismiques hautes fréquences, ont pu être reliées à une réponse thermo-élastique de la subsurface sous l'effet des changements saisonnier du forçage thermique solaire. Cette observation fournie une opportunité de sonder les paramètres thermiques et élastiques de la subsurface martienne jusqu'à plus de 20 mètres de profondeur.

Le givrage est un des phénomènes atmosphériques les plus sévères pour les aéronefs et les moteurs. Les évolutions récentes des exigences réglementaires ont étendu le domaine atmosphérique aux cristaux de glace. Pour ces conditions les moteurs d’avion doivent démontrer un fonctionnement robuste en vol. Contrairement aux gouttes en surfusion rencontrées en givrage standard, l’accrétion des cristaux de glace se produit jusqu’à très haute altitude et à température positive à l’intérieur du moteur. Les mécanismes associés sont complexes car ils font intervenir des couplages forts entre les cristaux et les champs aérodynamiques dans l’écoulement ainsi qu’à la paroi. L'objectif de cette thèse est de développer et valider des moyens de simulation et d’analyse permettant de prédire les accrétions générées par l’ingestion en vol de ces cristaux. Il s’agira notamment de développer les modèles pour la croissance de glace en 3D en étendant les modèles d’impact aux parois chaudes, en implémentant un modèle d’accrétion dans un code de film d’eau en paroi, et en tenant compte des effets d’érosion et de détachement. Dans un second temps, ces développements seront implémentés dans la chaine de givrage de l’ONERA. Les améliorations seront validées sur des bases d’essais académiques et moteurs en atmosphère de cristaux de glace

Les drones multirotor ont un énorme potentiel d'application dans le milieu industriel. Un exemple pertinent est celui de la société Donecle, la première au monde à développer des drones d'inspection visuelle pour la maintenance aéronautique. Les freins au déploiement à plus grande échelle de ces drones (pour inspecter tout type de structure, et en toute condition) sont d'abord législatifs et ensuite technologiques. En effet, les interactions entre le vent, les hélices et le corps du drone créent des perturbations complexes qui peuvent dégrader la précision du suivi de trajectoire au point de rendre le vol à proximité des avions risqué et donc non certifiable. Cette thèse financée par Donecle vise à augmenter la capacité des contrôleurs de ses drones à résister aux perturbations aérodynamiques.L'approche adoptée pour répondre à ce problème a été motivée par l'objectif pratique de la thèse : fournir des techniques de contrôle qui peuvent être rapidement déployées sur des drones industriels existants sans apporter de modifications matérielles. L'idée fut alors de partir des contrôleurs PID, qui fonctionnent très bien dans la plupart des cas, de comprendre leurs limites en termes de rejet des perturbations et de les surpasser en apportant progressivement de nouvelles briques algorithmiques qui s'adaptent bien au cas d'utilisation de Donecle : un drone en configuration contrarotative coaxiale, des vols à basse vitesse et une carte autopilote à mémoire limitée.Deux contributions principales sont proposées : D'une part, une nouvelle stratégie d'allocation des commandes moteurs (mixage) qui ne néglige pas les interférences entre les hélices coaxiales. D'autre part, la généralisation d'une technique de contrôle robuste au cas d'un contrôleur avec un observateur de perturbations (à savoir le contrôle actif de rejet des perturbations ADRC) pour garantir que les incertitudes sur les paramètres du système (variant dans des plages préétablies) ne causeront pas de dégradation des performances ou ne conduiront pas à l'instabilité. Cette amélioration de l'ADRC permet de rendre le même algorithme, avec le même réglage initial, capable de gérer les changements de configurations et de régimes de vol. Les essais expérimentaux ont accompagné toutes les phases de cette thèse et forment de ce fait une part importante des contributions. Ils ont notamment permis d'orienter notre choix vers certaines techniques de contrôle.

Au cours de la dernière décennie, il a été démontré que des absorbeurs dits non-linéaires peuvent apporter des bénéfices importants en termes d'atténuation de vibrations et de tenue aux chocs, le tout pour une masse ajoutée très faible. A la différence des absorbeurs déjà existants dans l'industrie, ces dispositifs font intervenir une dynamique fortement non-linéaire, ce qui implique de mettre au point des démarches originales de modélisation et de conception. Différents travaux ont été menés sur cette thématique à l’ONERA en collaboration avec l’ISAE et ont montré l’intérêt de ce concept au cours d'une thèse. Une poursuite envisagée consiste à concevoir un NES qui allierait à la mécanique une physique d'une autre nature (magnétique, piézoélectrique,…) afin d'accroître les performances en termes d'atténuation vibratoire et d'ajout de masse faible. Au cours de cette thèse, le candidat étudiera les différentes technologies multiphysiques possibles et comment elles pourraient s’intégrer aux concepts de NES déjà étudiés. L’objectif de la thèse sera de répondre à ces différentes enjeux en s’appuyant sur une démarche conjointe théorique et expérimentale, ce qui comprendra notamment la réalisation d’un démonstrateur.