L’allégement des structures et la réduction des coûts font partie des préoccupations majeures du secteur des transports. Le développement de solutions multifonctionnelles est particulièrement efficace pour répondre à ces préoccupations. Une alternative aux solutions actuelles, orientées vers des fibres techniques classiques, nous a conduit à envisager l’utilisation de matériaux sandwichs à base de bois. Ces matériaux, à la fois efficaces en termes de réductions de CO2 et de recyclabilité, se sont avérés particulièrement performants aux regards des essais statiques et dynamiques réalisés lors de précédents travaux de recherche au laboratoire. Des matériaux sandwich avec âme bois et peaux en aluminium ou fibres de lin ont notamment été identifiés comme d’excellents candidats, capables de dissiper une quantité importante d’énergie et conservant après impact leur intégrité mécanique. Dans la suite de ces résultats prometteurs, nous avons fabriqué et caractérisé en statique et en dynamique des tubes. Les tubes n'ayant uniquement que du peuplier ont montré des niveaux d'énergie en statique et en dynamique très intéressant de l'ordre de 1 600J pour une SEA de 30J/g. Ces essais nous ont permis d'en savoir plus sur le comportement du bois au crash et quand à l'influence de l'orientation des placages de peuplier. Des tubes sandwichs avec une âme peuplier montrent également des résultats et un couplage des matériaux bois et composites) intéressants (60J/g). Enfin, des écrasements de tubes avec une âme en bouleau montrent également des capacités d'absorption d'énergie intéressantes (66J/g).

La contamination moléculaire des satellites est un phénomène de pollution des surfaces des satellites en orbite. Elle désigne la formation de dépôts de molécules indésirés qui peuvent modifier les propriétés des surfaces des composants qui en sont sensibles. Ces molécules sont issues des matériaux du satellite, de l’activité humaine et de la propulsion. Les performances des composants sensibles, généralement optiques ou thermiques, peuvent être dégradées jusqu’à entrainer une perte de fonctionnalité. La contamination moléculaire peut alors mettre en péril les objectifs de la mission spatiale. Pour garantir le succès de la mission, il est alors nécessaire de maîtriser les niveaux de contaminants. La quantification des dépôts moléculaires pendant la phase de conception repose sur des prédictions à l’échelle de la mission spatiale. Chaque molécule qui constitue les dépôts possède ses propres propriétés de dégazage, d’adsorption et de réémission. L’identification et la détermination de la contribution des molécules qui constituent un mélange, appelée séparation des espèces, est nécessaire pour pouvoir réaliser des prédictions fiables. Les techniques standards de caractérisation actuelles de la contamination, utilisées pour obtenir les paramètres numériques des modèles, se basent majoritairement sur des analyses thermogravimétriques de microbalances à quartz (ATG). Bien que les cinétiques de réémission des molécules soient différentes suivant leur nature chimique, elles sont thermiquement proches. La séparation obtenue par analyses thermogravimétriques est incomplète car les signaux des différentes espèces se chevauchent. Cela induit une incertitude sur les paramètres numériques, et peut entraîner des erreurs de plusieurs ordres de grandeurs sur les niveaux de contamination prédits. Pour résoudre ce problème, l’ONERA a développé une méthode de séparation basée sur le couplage in situ et en temps réel d’analyses thermogravimétriques et d’un spectromètre de masse (ATG/SM). Son objectif est d’obtenir avec plus de précision les contributions de chaque espèce dans le mélange, afin de réduire les incertitudes générées sur les paramètres numériques et les erreurs commises sur les prédictions des niveaux de contamination. Ces informations permettent également d’avoir un regard neuf sur la physique qui régit la contamination. Les travaux de la présente thèse s’inscrivent dans la continuité de cette démarche de développement de la méthode ATG/SM avec pour objectif de caractériser les molécules les moins volatiles, pourtant les plus dangereuses en orbite. La première mission ont consisté à augmenter les capacités de génération de données de spectrométrie de masse à haute température. Les travaux se sont ensuite orientés vers le développement de la régulation thermique du porte-échantillon et l’augmentation de la sensibilité du spectromètre de masse. Grâce au développement d’un nouveau traitement de données, cette étude a permis de réaliser une séparation complète du matériau spatial Scotchweld EC2216.

Les méthodes de diagnostic par méthode lidar donnent des informations sur les paramètres optiques du milieu (coefficients de diffusion et d’absorption). Ces grandeurs dépendent des propriétés de la lumière (longueur d’onde, polarisation) et sont ensuite utilisées pour remonter aux propriétés microscopiques du milieu comme la distribution en taille, la morphologie, l’indice optique ou la concentration en particules. Cependant, les techniques lidar actuelles présentent des limitations. Les sources laser utilisées sont limitées à quelques longueurs d’onde visible ou proche infrarouge et l’identification des propriétés microphysiques nécessite une connaissance a priori du milieu diffusant. Des hypothèses sont formulées pour contraindre les méthodes d’inversion et remonter aux informations d’intérêt sur des aérosols naturels et anthropiques (particules carbonées, poussières désertiques, cendres volcaniques, etc.). En outre, les lidars actuels considèrent des portées kilométriques alors que de nouveaux besoins existent à courte distance : réalisation de mesures in situ en sortie de tuyères, contrôle local de panaches industriels à haute résolution spatiale… Les sources laser supercontinuum s’étendent du visible à l’infrarouge et offrent de nouvelles possibilités de mesures des propriétés optiques des aérosols sur un large domaine spectral continu. Leur utilisation dans les systèmes lidars est envisagée pour identifier les propriétés optiques du milieu sur toute une gamme continue de longueurs d’onde. L’un des objectifs majeurs de cette thèse est de démontrer la viabilité des lidars supercontinuum pour la caractérisation spectrale de cibles surfaciques et volumiques à haute résolution spatiale. Le premier axe concerne l’étude numérique du système avec le développement du simulateur PERFALIS. Le second axe se concentre sur la conception instrumentale d’un lidar appelé COLIBRIS. Il a permis de réaliser des mesures lidar à courte portée et à haute résolution spatiale (submétrique). Une première version a été proposée en analyse monochromatique et une seconde avec une analyse hyperspectrale de la lumière rétrodiffusée. Enfin, une nouvelle méthode d’inversion lidar nommée ST-LIM a été développée pour identifier les propriétés optiques d’un panache sans hypothèse a priori sur le rapport lidar (paramètre optique caractérisant le milieu sondé). La comparaison de mesures expérimentales avec les résultats de simulations valide le simulateur lidar dans ses deux modes de fonctionnement (monochromatique et hyperspectral). Les résultats montrent qu’il est important de considérer la forme réelle des impulsions laser lors de l’interaction lumière-matière dans le cas de sondages de panaches de faible épaisseur à haute résolution spatiale. À l’avenir, le simulateur lidar pourra être utilisé pour dimensionner de nouveaux instruments lidar supercontinuum ou monochromatiques et d’étudier leurs performances pour des versions embarquables.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit propose une analyse expérimentale du dé-veloppement spatio-temporel d’une zone de mélange (air/hélium) initiée par instabilité deRichtmyer-Meshkov (IRM). Cette étude s’appuie sur la mise en oeuvre d’un tube à chocspositionné verticalement et sur le développement d’un nouveau protocole expérimental associéà un système innovant de génération de l’interface initiale entre les deux espèces gazeuses enprésence. Ce système est basé sur un dispositif d’obturation/ouverture composé d’un rideau rigiderétractable et d’une série volets mobiles. La caractérisation de l’interface initiale et de l’évolutionspatio-temporelle de la zone de mélange ainsi obtenue est effectuée en exploitant les résultats dedifférentes techniques de mesures telles que la visualisation strioscopique (Schlieren) résolue entemps, la tomoscopie plan laser (TPL) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Enpremier lieu, différentes campagnes de mesures visant à caractériser l’interface initiale ont permisde quantifier la répétabilité du système et de démontrer ses capacités à générer une interfacepériodique faiblement diffuse. Dans un second temps, une étude du mélange gazeux obtenu pourun jeu de paramètres expérimentaux donné, est proposée. L’analyse s’intéresse en particulieraux mécanismes d’initiation et de transition a la turbulence de la zone de mélange produite parl’IRM. L’interaction entre cette zone de mélange en cours de développement et le choc réfléchisur l’extrémité supérieure du tube (phénomène de rechoc) est également étudiée dans l’optique deconfirmer la transition turbulente de la zone de mélange.

L’interaction entre une onde de choc oblique et une couche limite turbulente (IOCCL) est une situation fréquemment rencontrée dans le domaine des écoulements compressibles d’intérêt applicatif. L’IOCCL est le siège d’instationnarités à basse fréquence qui engendrent d’importantes fluctuations de pression pariétale et cette thèse s’intéresse à l’étude de dispositifs de contrôle passif de type micro-générateur de vortex (mVG) pour réduire, voire supprimer, ces effets indésirables de l’IOCCL. Des simulations numériques aux grandes échelles (LES) ont été réalisées en se basant sur une configuration expérimentale deWang et al. (2012) relative au contrôle de l’IOCCL par des micro-rampes, avec un nombre de Mach de M = 2.7 et un nombre de Reynolds de Re× = 3600. L’utilisation de ces dispositifs de contrôle se traduit par une réorganisation de la zone de recirculation en brisant l’homogénéité dans la direction transverse de l’écoulement, et en induisant un changement au niveau du mouvement du pied de choc réfléchi qui présente une zone d’excursion fortement impactée par le sillage des micro-rampes. Des simulations complémentaires portant sur trois nouvelles configurations de micro-rampes possédant des caractéristiques géométriques différentes de celle du cas de référence ont permis de dresser un bilan de l’efficacité de ces dispositifs sur le contrôle de l’IOCCL en confrontant l’effet de mVGs de taille réduite à celui de mVGs de taille plus conventionnelle.

Les structures aéronautiques peuvent être soumises à des sollicitations sévères telles que les collisions, les impacts de volatiles, etc … Sous l’effet de ces sollicitations rapides, qui du fait de leurs temps caractéristiques très courts limitent les transferts thermiques, le matériau peut dissiper l’énergie dans des zones de déformation localisée qui peuvent conduire à une ruine prématurée de la structure. Le travail de la thèse porte sur la définition d’une méthodologie expérimentale destinée à étudier les conditions de rupture de matériaux à haute résistance à vocation aéronautique consécutives à un endommagement dynamique. Ce travail comprend : •la mise au point d’essais rapides de cisaillement ; •des observations microstructurales des matériaux avant et après sollicitation ; •la simulation numérique des essais.

Cette thèse a pour but de découvrir la faisabilité et le potentiel de la récupération d'énergie à partir de rafales atmosphériques pour les micro et mini véhicules aériens sans pilote. L'atmosphère sert de grande source d'énergie pouvant être récoltée afin d'accroître la performance des petits UAV sous la forme d'une autonomie et d'une autonomie étendues. Il est bien connu que de nombreuses espèces d'oiseaux utilisent diverses techniques de vol pour obtenir des performances de vol étonnantes. Compte tenu du fait que les véhicules susmentionnés partagent la taille et la vitesse de vol avec des dépliants naturels, cette thèse peut être considérée comme une application des techniques de vol bio-inspirées pour les véhicules construits par l’homme. Cette étude de trois ans visait à établir une dérivation théorique des équations qui décrivent la dynamique de vol d'un aéronef en présence d'un environnement en rafales. La première réalisation a été la démonstration du mécanisme de récupération d'énergie et des paramètres d'influence à travers des simulations décrivant le vol en modèle de masse ponctuelle d'aéronef avec un contrôle optimisé de l'ascenseur en présence d'un profil de vent sinusoïdal et stochastique. La réalisation suivante est liée à un système sensoriel inspiré par la biologie qui utilise des mesures de pression des ailes pour estimer l’angle d’attaque local. Ce système particulier a été utilisé dans l’estimation du champ de vent, en tant que mécanisme décisif et protection contre le décrochage. Enfin, les dernières contributions sont liées à l’expérience et aux résultats obtenus lors d’essais en vol visant à prouver l’augmentation de l’état énergétique de l’avion lors des manœuvres de récupération d’énergie. La première campagne d'essais en vol a été réalisée avec un mini-UAV disponible dans le commerce équipé de sondes à trous multiples et d'un contrôleur conçu sur mesure. Cette campagne a démontré l’augmentation de l’état d’énergie dans un fort gradient de vent horizontal. La deuxième campagne d'essais en vol a été réalisée avec une aile volante équipée d'un système de détection de pression pour l'estimation du champ de vent. Cette campagne a également impliqué des économies supplémentaires sur la consommation d'énergie électrique lors des vols de récupération d'énergie.Cette thèse a pour but de découvrir la faisabilité et le potentiel de la récupération d'énergie à partir de rafales atmosphériques pour les micro et mini véhicules aériens sans pilote. L'atmosphère sert de grande source d'énergie pouvant être récoltée afin d'accroître la performance des petits UAV sous la forme d'une autonomie et d'une autonomie étendues. Il est bien connu que de nombreuses espèces d'oiseaux utilisent diverses techniques de vol pour obtenir des performances de vol étonnantes. Compte tenu du fait que les véhicules susmentionnés partagent la taille et la vitesse de vol avec des dépliants naturels, cette thèse peut être considérée comme une application des techniques de vol bio-inspirées pour les véhicules construits par l’homme. Cette étude de trois ans visait à établir une dérivation théorique des équations qui décrivent la dynamique de vol d'un aéronef en présence d'un environnement en rafales. La première réalisation a été la démonstration du mécanisme de récupération d'énergie et des paramètres d'influence à travers des simulations décrivant le vol en modèle de masse ponctuelle d'aéronef avec un contrôle optimisé de l'ascenseur en présence d'un profil de vent sinusoïdal et stochastique. La réalisation suivante est liée à un système sensoriel inspiré par la biologie qui utilise des mesures de pression des ailes pour estimer l’angle d’attaque local. Ce système particulier a été utilisé dans l’estimation du champ de vent, en tant que mécanisme décisif et protection contre le décrochage. Enfin, les dernières contributions sont liées à l’expérience et aux résultats obtenus lors d’essais en vol visant à prouver l’augmentation de l’état énergétique de l’avion lors des manœuvres de récupération d’énergie. La première campagne d'essais en vol a été réalisée avec un mini-UAV disponible dans le commerce équipé de sondes à trous multiples et d'un contrôleur conçu sur mesure. Cette campagne a démontré l’augmentation de l’état d’énergie dans un fort gradient de vent horizontal. La deuxième campagne d'essais en vol a été réalisée avec une aile volante équipée d'un système de détection de pression pour l'estimation du champ de vent. Cette campagne a également impliqué des économies supplémentaires sur la consommation d'énergie électrique lors des vols de récupération d'énergie.

Dans cette thèse, nous présentons des modèles appartenant au domaine de l’intelligence artificielle afin de prédire l’indice magnétique global am à partir des paramètres du vent solaire. Ceci est fait dans l’optique de fournir des modèles opérationnels basés sur les données enregistrées par le satellite ACE situé au point de Lagrange L1. L’indice am ne possède pas à l’heure actuelle de modèles de prédiction. Pour prédire cet indice, nous avons fait appel à des modèles non-linéaires que sont les réseaux de neurones, permettant de modéliser le comportement complexe et non-linéaire de la magnétosphère terrestre. Nous avons dans un premier temps travaillé sur le développement et l’optimisation des modèles de réseaux classiques comme le perceptron multi-couche. Ces modèles ont fait leurs preuves en météorologie spatiale pour prédire aussi bien des indices magnétiques spécifiques à des systèmes de courant comme l’indice Dst, caractéristique du courant annulaire, que des indices globaux comme l’indice Kp. Nous avons en particulier étudié un réseau temporel appelé Time Delay Neural Network (TDNN) et évalué sa capacité à prédire l’indice magnétique am à une heure, uniquement à partir des paramètres du vent solaire. Nous avons analysé la sensibilité des performances des réseaux de neurones en considérant d’une part les données fournies par la base OMNI au niveau de l’onde de choc, et d’autre part des données obtenues par le satellite ACE en L1. Après avoir étudié la capacité de ces réseaux à prédire am, nous avons développé un réseau de neurones encore jamais utilisé en météorologie spatiale, le réseau Long Short Term Mermory ou LSTM. Ce réseau possède une mémoire à court et à long terme, et comme le TDNN, fournit des prédictions de l’indice am uniquement à partir des paramètres du vent solaire. Nous l’avons optimisé afin de modéliser au mieux le comportement de la magnétosphère et avons ainsi obtenu de meilleures performances de prédiction de l'indice am par rapport à celles obtenues avec le TDNN. Nous avons souhaité continuer le développement et l’optimisation du LSTM en travaillant sur l’utilisation de fonctions de couplage en entrée de ce réseau de neurones, et sur le développement de réseaux multisorties pour prédire les indices magnétiques am sectoriels ou aσ, spécifiques à chaque secteur Temps Magnétique Local. Enfin, nous avons développé une nouvelle technique combinant réseau LSTM et processus gaussiens, afin de fournir une prédiction probabiliste jusqu’à six heures des indices magnétiques Dst et am. Cette méthode a été dans un premier temps développée pour l’indice magnétique Dst afin de pouvoir comparer les performances du modèle hybride à des modèles de référence, puis appliquée à l’indice magnétique am.

Dans les systèmes informatiques temps réel, les tâches logicielles sont contraintes par le temps. Pour garantir la sûreté du système critique controlé par le système temps réel, il est primordial d'estimer de manière sûre le pire temps d'exécution de chaque tâche. Les performances des processeurs actuels du commerce permettent de réduire en moyenne le temps d'exécution des tâches, mais la complexité des composants d'optimisation de la plateforme rendent difficile l'estimation du pire temps d'exécution. Il existe différentes approches d'estimation du pire temps d'exécution, souvent ségréguées et difficilement généralisables ou au prix de modèles coûteux. Les approches probabilistes basées mesures existantes sont vues comme étant rapides et simples à mettre en œuvre, mais souffrent d'un manque de systématisme et de confiance dans les estimations qu'elles fournissent. Les travaux de cette thèse étudient les conditions d'application de la théorie des valeurs extrêmes à une suite de mesures de temps d'exécution pour l'estimation du pire temps d'exécution probabiliste, et ont été implémentées dans l'outil diagxtrm. Les capacités et les limites de l'outil ont été étudiées grâce à diverses suites de mesures issues de systèmes temps réel différents. Enfin, des méthodes sont proposées pour déterminer les conditions de mesure propices à l'application de la théorie des valeurs extrêmes et donner davantage de confiance dans les estimations.

Cette thèse porte sur la caractérisation expérimentale et la simulation numérique d’une configuration de jet rond en impact peu rencontrée dans la littérature : un jet chauffé issu d’une conduite pleinement développée à un haut nombre de Reynolds (ReD = 60 000) impacte normalement une paroi située à trois diamètres en aval. Le premier volet de ce travail est dédié à la génération d’une base de donnée expérimentale à l’aide de plusieurs moyens de mesure, avec pour objectif de caractériser à la fois la dynamique et la thermique de l’écoulement. Les techniques complémentaires de vélocimétrie laser à franges (LDV) et vélocimétrie par image de particules (S-PIV) ont été mises à profit pour la caractérisation du champ de vitesse et du tenseur de Reynolds tandis que les champs de température moyenne et fluctuante ont été mesurés à l’aide d’un fil froid. Enfin, les échanges thermiques au niveau de la paroi ont été obtenus par la méthode inverse de thermographie en face arrière (ThEFA). En plus de fournir une base de donnée très complète nécessaire à la validation des simulations numériques, ces mesures ont également permis de mettre en évidence l’organisation à grande échelle de l’écoulement, avec la présence de grandes structures tourbillonnaires dont la fréquence de passage correspond au mode colonne du jet libre et qui s’approchent de la paroi d’impact aux alentours du second maximum observé dans la distribution des échanges pariétaux. Le second volet concerne les simulations numériques visant à reproduire la configuration expérimentale. Deux approches ont été évaluées : l’approche RANS pour quantifier la pertinence des modèles utilisés par les industriels et l’approche LES, plus coûteuse, mais donnant accès aux propriétés instationnaires et tridimensionnelles de l’écoulement. Les simulations RANS ont montré que les modèles reconnus comme les plus performants pour ce type de configuration sont incapables de prévoir correctement le niveau des échanges pariétaux. Ils sont, en revanche, bien reproduits par la simulation LES. Les données obtenues ont été mises à profit pour mieux comprendre les mécanismes liés à l’apparition du second maximum. Cette analyse a mis en avant le rôle des « points chauds ». Seuls certains d’entre eux ont pu être reliés à la présence de régions « décollées » tandis que la majorité est associée à des structures allongées dans la direction de l’écoulement.