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.

La performance des réseaux sans fil où les utilisateurs partagent l'air comme moyen de communication est fortement limitée par le phénomène d'interférence électromagnétique. En effet, deux utilisateurs proches qui communiquent sur la même fréquence verront leurs ondes interférer, ce qui peut entraîner la perte de l'information transmise. Ainsi, il est indispensable de mettre en place des protocoles d'accès visant à limiter l'interférence en choisissant de manière efficace les utilisateurs autorisés à émettre à chaque instant. D'un point de vue scientifique, il s'agit d'un problème difficile qui a attiré l'attention de la communauté en informatique et probabilités appliquées depuis plus de 30 ans. Récemment, une nouvelle classe de protocoles d'accès - appelés protocoles CSMA adaptatifs - a émergé, et semble très prometteuse : par exemple, il a été montré que ces nouveaux protocoles possèdent une propriété très attrayante de stabilité maximale. Le but de ce projet est d'approfondir la connaissance que l'on a des protocoles CSMA adaptatifs dits QB (pour l'anglais "Queue-Based") qui à ce jour est encore extrêmement limitée. Concernant ces protocoles, le but de ce projet est de prouver des résultats théoriques permettant de comprendre le compromis réalisable entre débit et délai. Modèle probabiliste - d'un point de vue technique, il s'agit d'étudier le modèle suivant: chaque utilisateur du réseau est représenté par le nœud d'un graphe G, appelé graphe d'interférence, et tel que deux voisins du graphe ne peuvent être actifs simultanément. Des paquets à transmettre arrivent à chaque nœud au cours du temps, et le but est de choisir quels nœuds sont actifs à un moment donné. Le protocole CSMA-QB répond à cette question de la manière suivante : lorsqu'un nœud est actif, il se désactive à taux constant et lorsqu'il est inactif et qu'aucun de ses voisins ne le bloquent, alors il s'active à un taux qui dépend du nombre de paquets en attente de transmission via une fonction ψ appelée fonction d'activation. Le but général de la thèse est de comprendre l'influence de la topologie de G et du choix de ψ sur la performance du protocole. Pour cela, il s'agira d'étudier le temps de mélange de la dynamique de Glauber ainsi qu'un phénomène classique en théorie des probabilités, appelé phénomène de moyennisation stochastique, qui permettent une compréhension fine du comportement dynamique du réseau.

Le travail effectué au cours de cette thèse tente d’apporter des solutions algorithmiques à la problématique de reprise au décrochage d’un aéronef. A travers de nombreux exemples d’application sur des modèles aérodynamiques, le lecteur pourra appréhender les concepts abstraits présentés dans cette thèse. Alors que la capacité pour un aéronef à revenir à une situation nominale après une sortie du domaine de vol est un élément clé pour les systèmes de transport aérien du futur, les recherches menées dans ce cadre sont encore peu nombreuses. Pourtant,un tel dépassement conduit généralement à une perte de contrôle (dénommée LOC-I), que l’Association du Transport Aérien International (IATA) a classé dans la catégorie des « risques les plus élevés pour l’aviation ». Dans un premier temps, nous avons montré que les modèles polynomiaux habituellement utilisés en théorie des systèmes ne représentent pas fidèlement l’aérodynamique d’un modèle d’avion sur l’ensemble de son enveloppe de vol. Nous avons donc tout d’abord montré qu’un modèle polynomial par morceaux représente avec exactitude les coefficients aérodynamiques pour les angles d’attaque faibles et élevés. Nous avons alors pu étendre à cette classe de systèmes, récentes d’étude de bifurcation et d’analyse de stabilité qui utilisent des techniques de programmation semi-définie basées sur la positivité de polynômes (SOS); nous avons notamment appliqué ces résultats au modèle d’avion de transport générique dénommé GTM. Dans le même esprit, nous avons développé un modèle pour un petit aéronef à voilure fixe basé sur des simulations numériques en mécanique des fluides (CFD). Les coefficients dynamiques n’étant pas déterminés en CFD, nous avons identifié le coefficient d’amortissement du tangage en comparant l’analyse de bifurcation et les données de vol, ce qui nous a permis d’étudier à la fois la dynamique et la stabilité du vol en cas de fort décrochage.Des résultats antérieurs ont montré que les techniques SOS étaient prometteuses pour la certification des lois de commande pour des systèmes non-linéaires, cependant sans avoir été appliqués à l’ingénierie aéronautique. En adaptant ces techniques aux modèles polynomiaux par morceaux,nous avons montré qu’il est désormais possible de les utiliser d’une manière précise mais réalisable sur le plan calculatoire. Ensuite, nous avons synthétisé des lois de commandes linéaires et polynomiales pour la récupération d’un fort décrochage. En outre, nous sommes désormais en mesure d’estimer des régions d’attraction pour des modèles polynomiaux par morceaux; pour cela, nous avons proposé un algorithme amélioré pour l’analyse de stabilité locale des systèmes à commutation, tels que ceux qui sont définis par des splines, rendant ainsi notre travail disponible pour l’analyse et la certification futures de modèles d’avion très fidèles.La commande prédictive basée modèle (MPC) s’est avérée être une approche très efficace lorsque la dynamique du système est fortement non linéaire et soumise à des contraintes d’état qui rendent difficile la récupération après le décrochage. Cependant, pour des systèmes réalistes,il est nécessaire de prendre des précautions afin de prouver rigoureusement la stabilité en boucle fermée. En utilisant la technique SOS, nous avons ainsi montré la stabilité d’une stratégie de récupération d’un fort décrochage visant à minimiser la perte d’altitude. Nous avons aussi montré qu’une telle stratégie de commande permet la récupération d’une spirale infernale en utilisant le simulateur GTM.Les résultats de cette thèse sont donc prometteurs et fournissent de nouvelles approches théoriques pour la modélisation, l’analyse de stabilité et le contrôle de la dynamique des futurs aéronefs ainsi que pour le développement et la certification de systèmes de commande de vol visant a prévenir les accidents dus à la perte de contrôle.

Dans l’optique de la conception et du développement d’un siège aéronautique et afin derespecter la règlementation sécuritaire en vigueur, la structure du siège développé doitpermettre une dissipation rapide de l’énergie perçue en cas de crash aérien (Fig. 1), ceci dansle but de protéger les passagers. La majorité des systèmes intégrés à la structure des sièges etpermettant cette absorption d’énergie (Fig. 2) est constituée de composants métalliques qui sedéforment plastiquement pour dissiper l’énergie due au crash. Actuellement, l’industrie et larecherche se tournent vers les matériaux composites pour substituer de tels systèmes.Cependant le comportement de ces matériaux lors de sollicitations mécaniques sévères estfortement différent des matériaux métalliques, notamment dû au fait que les mécanismesd’endommagement sont très distincts.Le but de cette étude portant sur des structures tubulaires composites est d’évaluer leurcapacité à dissiper l’énergie. A cette fin, différentes stratifications ont été testées encompression (Fig. 3 et 4) dans le but de déterminer leur comportement, comparer leurspropriétés et calculer leurs valeurs de SEA (absorption d'énergie spécifique, en kJ.kg-1)servant à évaluer leur aptitude à dissiper l’énergie engendrée en cas de crash. Ces dernièressont issues des courbes effort-déplacement obtenues lors des essais d’écrasement (Fig. 5). Lesdifférents essais de compression ont été instrumentés et suivis au moyen de caméras rapides etdes images post-essais ont été réalisées par tomographie pour comprendre les mécanismesd’endommagement mis en jeu (Fig. 4 et 6). Ces essais ont été réalisés à vitesse de chargementquasi-statique puis dynamique et selon diverses conditions limites. Les différents résultats decomportement en compression sont également utilisés dans le but de construire et enrichir unmodèle de calcul par éléments finis (Fig. 7 et 8) permettant de simuler la réponse de structurescomposites de différentes natures soumises au crash en intégrant la géométrie et lacomposition de la structure (Fig. 8).L’objectif de ce travail de recherche est ainsi d’évaluer l’énergie pouvant être dissipée par desstructures tubulaires composites, de comparer les absorptions induites par des structurescomposites de compositions différentes, et/ou bi-matériaux, et enfin de fournir un modèleéléments finis représentant le comportement de structures composites en compression jusqu’àl’endommagement et la ruine de la structure.Il a ainsi été établi qu’en chargement statique, un stratifié unidirectionnel orienté à 0° etstabilisé par des plis de tissus répond fortement aux attentes en terme de dissipation d’énergie,mais pas en sollicitation dynamique. Dans ce cas, une stratification à 90° semble plusadéquate. D’autre part, un confinement forcé vers l’intérieur est avantageux dans la plupartdes cas, réduisant le pic d’effort initial sans diminuer drastiquement la valeur de SEA.

L'Internet des objets (ou IoT, pour Internet of Things) regroupe un ensemble de systèmes variés, tant par leurs contraintes que par leurs utilisations. Dans le cadre de cette thèse, nous allons nous intéresser aux LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), les réseaux sans fil à grande couverture à faible consommation énergétique, en se basant sur le standard NB-IoT. Ces réseaux ont pour but de connecter des objets ou terminaux qui partagent certaines caractéristiques précises. Leur autonomie est optimisée pour durer le plus longtemps possible, ils ont de faibles quantités de données à transmettre régulièrement, et il s'agit d'équipements bas couts. L'objectif de cette thèse est de concevoir et d'étudier l'hybridation d'un système terrestre LPWAN avec une constellation de satellites en orbite basse, dite LEO (Low Earth Orbit) afin de proposer une extension de couverture. Dans un premier temps, le système satellite proposé est décrit. Il repose sur un lien unidirectionnel des terminaux vers le satellite. En l'absence de lien du satellite vers les terminaux, le schéma d'accès retenu est l'Aloha Temps Fréquence, ou aléatoire en temps et en fréquence. Ce schéma, propice à l'utilisation de terminaux à faible cout, impose cependant la mise en place d'une stratégie de réception dédiée. En effet, il est nécessaire de compenser l'absence d'information sur la localisation temporelle et fréquentielle des messages, qui sont reçus à un niveau de bruit élevé par le satellite. De plus, l'utilisation de satellites défilants impose une forte variation des paramètres fréquentiels des transmissions, ce qui complexifie la démodulation des messages. Une chaine de réception est proposée et évaluée ; l'estimation des paramètres fréquentiels nécessite la mise en place de méthodes spécifiques. En outre, l'utilisation d'un schéma aléatoire rend possible la réception par le satellite de plusieurs messages au même instant. Le couplage d'un turbocodage, d'un codage à répétition et de telles collisions mène à l'apparition de phénomènes d'interférences particuliers. L'impact de ces collisions d'abord sur les symboles reçus (taux d'erreur binaire) puis sur la décodabilité du message entier (taux d'erreur paquet) est décrit.

Un nouveau matériau d’âme à base de fibres enchevêtrées et réticulées a été précédemment développé dans le but d’améliorer certaines propriétés des structures sandwichs dont l’amortissement vibratoire. Cependant, son comportement mécanique et vibratoire doit être optimisé afin de l’utiliser dans le domaine aérospatial. Plusieurs paramètres morphologiques entrent en jeu lors de sa fabrication. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique permettant de mieux comprendre le comportement de ce matériau enchevêtré réticulé. Le comportement d’un volume élémentaire représentatif de fibres de carbone enchevêtrées et non-réticulées est d’abord étudié en compression par éléments finis. La géométrie numérique du réseau de fibres s’appuie sur les données morphologiques du matériau réel. Les simulations numériques permettent de suivre, au cours de la compression confinée, l’évolution des différents paramètres, tels que la distribution des orientations des fibres, la distance entre contacts ou la fraction volumique. Ces résultats constituent une base robuste pour le développement du modèle numérique du matériau enchevêtré et réticulé qui est ensuite utilisé pour modéliser le comportement mécanique en cisaillement, et en particulier pour simuler et expliquer les boucles d’hystérésis observées expérimentalement. A la fin de ce travail, une étude numérique est proposée afin de décrire l’influence des différents paramètres morphologiques sur la rigidité en compression et en cisaillement du matériau enchevêtré réticulé.

L’efficacité des méthodes d’optimisation modernes, associée à l’augmentation des ressources informatiques, a conduit à la possibilité d’utiliser ces algorithmes d’optimisation en temps réel agissant dans des rôles critiques. Cependant, cela ne peut se produire sans porter une certaine attention à la validité de ces algorithmes. Ce doctorat traite de la vérification formelle des algorithmes d'optimisation convexe lors qu'ils sont utilisés pour la guidance de systèmes dynamiques. En outre, nous démontrons comment les preuves théoriques des algorithmes d'optimisation en temps réel peuvent être utilisées pour décrire les propriétés fonctionnelles au niveau du code, les rendant ainsi accessibles à la communauté des méthodes formelles.

Les longueurs d’onde optiques sont une alternative aux liens radio-fréquences pour les transmissions satellite-sol du futur. Elles sont envisagées pour les futurs systèmes de télémesure satellitaires (liens optiques descendants en provenance de satellites LEO) ou de communication (liens optiques bi-directionnels avec des satellites GEO). A sa traversée de l’atmosphère l’onde optique peut être profondément affectée par la turbulence atmosphérique. Elle subit des variations spatiales et temporelles d’amplitude et de phase. Les variations d’amplitudes se traduisent par des variations de la puissance lumineuse collectée (scintillations). Les perturbations de la phase affectent la distribution spatiale de la puissance au foyer du système de détection, qui n’est alors plus limitée par la diffraction. Des pertes peuvent en découler lors du couplage du flux incident à un détecteur optronique ou à une fibre optique monomode. Ces pertes se traduisent par des atténuations du signal reçu et donc par la perte d’informations. Pour s’en abstraire, les études de faisabilité les plus récentes mettent en avant l’utilisation de systèmes d’optique adaptative et de techniques numériques adaptées (codage/entrelacement). Pour limiter la complexité et le coût des systèmes de liens optiques, la définition des techniques de compensation des atténuations peut être menée conjointement. C’est l’objectif principal de cette thèse. Il s’agit d’investiguer les complémentarités des techniques de compensation physiques (optique adaptative) et numériques (entrelacement, codes correcteurs) pour disposer des éléments permettant de définir les systèmes de correction les mieux adaptés.