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.

L’objectif de cette thèse est de proposer une solution complète basée sur la vision pour permettre la navigation autonome d’un vaisseau de poursuite (S/C) lors d’opérations de proximité dans l’espace de rendez-vous (RDV) avec une cible non coopérative en utilisant une caméra monoculaire visible.Le rendez-vous autonome est une capacité clé pour répondre aux principaux défis de l’ingénierie spatiale, tels que l’enlèvement actif des débris (ADR) et l’entretien en orbite(OOS). L’ADR vise à éliminer les débris spatiaux, dans les régions protégées en orbite basse, qui sont les plus susceptibles d’entraîner des collisions futures et d’alimenter le syndrome de Kessler, augmentant ainsi le risque pour les engins spatiaux opérationnels. L’OOS comprend des services d’inspection, d’entretien, de réparation, d’assemblage, de ravitaillement et de prolongation de la durée de vie des satellites ou structures en orbite.Lors d’un RDV autonome avec une cible non coopérative, c’est-`a-dire une cible qui n’aide pas / n’interagit pas le chasseur dans les opérations d’acquisition, de poursuite et de rendez-vous, le chasseur doit estimer l’état de la cible `a bord de manière autonome.Les opérations de rendez-vous autonomes nécessitent des mesures précises et actualisées de la pose relative (c’est-à-dire la position et l’attitude de la cible), et la combinaison de capteurs de caméra avec des algorithmes de poursuite peut constituer une solution rentable.La recherche a été divisée en trois études principales : le développement d’un algorithme permettant l’acquisition de la pose initiale (c’est-à-dire la détermination de la pose sans aucune connaissance préalable de cette pose aux instants précédents), le développement d’un algorithme de poursuite récursif (c’est-à-dire d’un algorithme qui exploite les informations sur l’état de la cible à l’instant précédent pour calculer la mise à jour de la pose à l’instant actuel), et le développement d’un filtre de navigation intégrant les mesures provenant de différents capteurs et/ou algorithmes, avec différents taux et délais.En ce qui concerne la phase d’acquisition de la pose, un nouvel algorithme de détection a été développé pour permettre une initialisation rapide de la pose. Une approche est proposée pour récupérer entièrement la pose de la cible en utilisant un ensemble d’invariants et de moments géométriques (c’est-à-dire des caractéristiques globales) calculés à partir des images de la silhouette de la cible. Les caractéristiques globales synthétisent le contenu de l’image dans un vecteur de quelques descripteurs qui changent de valeurs en fonction de la pose relative de la cible. Une base de données des caractéristiques globales est pré-calculée hors ligne en utilisant le modèle géométrique de la cible afin de couvrir tout l’espace de la solution. Au moment de l’exécution, les caractéristiques globales sont calculées sur l’image actuelle acquise et comparées avec la base de données. Différents ensembles de caractéristiques globales ont été comparés afin de sélectionner les plus performants,ce qui a permis d’obtenir un algorithme de détection robuste avec une faible charge de calcul.

Le 18 février 2021, l'astromobile de la NASA Perseverance se posera dans le cratère Jezero à la recherche de traces de vie passée. A son bord l'expérience franco-américaine SuperCam ne contient pas moins de quatre techniques spectroscopiques, une caméra haute résolution et un microphone. Ce microphone sera le premier à enregistrer des ondes acoustiques audibles à la surface de Mars entre 100 Hz et10 kHz. Il ouvrira un nouveau champ d'investigation qui fait l'objet de cette thèse. Les objectifs scientifiques de cette thèse s'organisent autour des sons qui seront audibles par ce microphone : les phénomènes atmosphériques dans l'environnement proche du véhicule et les bruits artificiels générés par SuperCam lui-même. Parmi ces derniers, la technique de la spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) ablate les roches et les sols martiens avec un laser impulsionnel, ce qui produit un signal acoustique lors de la détente de ce plasma. Ce manuscrit propose une étude amont qui vise à caractériser le support du microphone à la LIBS et sa contribution à la science atmosphérique. Ces deux thèmes sont explorés expérimentalement en reproduisant en laboratoire les conditions d'écoute que le microphone rencontrera sur Mars.Premièrement, un banc de mesure LIBS sous atmosphère martienne est utilisé pour comparer le signal acoustique issu de l'ablation de différents minéraux. Une étude métrologique a déterminé la sensibilité de l'énergie acoustique par rapport aux paramètres expérimentaux de la LIBS : elle est proportionnelle à la pression atmosphérique et à l'éclairement déposé sur la cible. Ces relations permettront de normaliser le signal acoustique entre toutes les cibles échantillonnées par la LIBS sur Mars. De plus il est remarqué que la décroissance de l'énergie acoustique au cours d'une séquence de tirs est linéairement reliée au volume de la cavité d'ablation et que le taux de décroissance est corrélé à la dureté de la roche. Volume d'ablation et dureté seront deux informations utilisées pour caractériser les cibles de SuperCam et en particulier étudier celles présentant des vernis d'altération en surface.D'autre part, une campagne de tests dans une soufflerie martienne est effectuée pour corréler les propriétés d'un écoulement de vent avec le signal acoustique induit par ce dernier sur le microphone. Il est démontré que le microphone peut déterminer la vitesse de l'écoulement en étudiant le contenu basse fréquence du spectre, mais aussi sa direction en regardant le contenu haute fréquence. Ces résultats nécessiteront une calibration in situ sur Mars avec la station météo de Perseverance, MEDA. Il est également montré que la synchronisation du microphone avec le laser permet une mesure originale de la vitesse du son et donc de la température atmosphérique proche de la surface.Enfin, cette validation des objectifs scientifiques du microphone s'accompagne d'un soutien au développement instrumental du microphone, avec la validation de ses performances, la définition des modes d'observation et la préparation des opérations de SuperCam à la surface de Mars.

La température des gaz chauds dans une chambre de combustion aéronautique atteint des valeurs supérieures à la température de fusion de ses parois. Ces dernières doivent donc être refroidies pour assurer le bon fonctionnement du moteur. La solution actuelle consiste à injecter de l’air froid au travers des parois par des milliers de perforations d’un diamètre inférieur au millimètre(refroidissement par multiperforation). Le nombre élevé de perforations dans une chambre rend une simulation numérique détaillée inenvisageable aujourd’hui, c’est pourquoi il est nécessaire d’utiliser des modèles thermiques de paroi multiperforée. Or, les études précédentes sur le sujet souffrent d’un manque de données expérimentales, en particulier dans le cas des motifs de perçage à dilution giratoire. Ainsi, l’objectif de cette thèse a été de développer un nouveau modèle thermique de paroi multiperforée, valable pour tout type de motif de perçage, en particulier pour ceux à dilution giratoire. Ce modèle s’est appuyé sur les essais SAPHIR (spécifiés par Safran et réalisés à l’ONERA). La reproduction numérique de ces essais par simulations RANS a permis de définir une méthodologie de calcul pour construire une base de données numérique dont l’exploitation a conduit au développement d’un nouveau modèle thermique de type homogène reposant sur les caractéristiques d’un film moyen. Par ailleurs, une simulation instationnaire LES a été menée avec le code YALES2, afin d’apporter des éléments de comparaison avec les simulations RANS. Cette simulation montre l’apport de la LES dans l’estimation de l’efficacité adiabatique en aval de la zone perforée.