Le transport aérien est à ce jour responsable de 2 à 3 % des émissions mondiales de CO2, ainsi que d'autres impacts climatiques et environnementaux. Les nouveaux concepts d'architectures pouvant contribuer à la réduction de l’impact environnemental de l'aviation suscitent donc un grand intérêt. L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement d’une approche holistique, allant de la modélisation et du dimensionnement de nouvelles architectures avion à la simulation de scénarios prospectifs durables pour le transport aérien. Cette approche permet ainsi de relier les enjeux de la conception avion à ceux de l’analyse de scénarios prospectifs pour l’aviation.Dans une première partie, des modèles d'estimation pour différents systèmes avion sont présentés dans le cadre d’un avion plus électrique. Des méthodes variées sont appliquées, par exemple basées sur l’utilisation de modèles énergétiques ou de modèles de régression. Les systèmes de conditionnement d’air et de protection contre le givre sont étudiés, tout comme les systèmes induits par l’électrification des avions (génération et distribution de puissance électrique, management thermique).Dans une deuxième partie, une architecture avion déployable à court terme est dimensionnée à travers une approche basée sur l’utilisation de la plateforme de conception avion FAST-OAD. Cette architecture intègre les systèmes décrits précédemment, dont les performances sont préalablement évaluées individuellement via des modèles spécifiques, ainsi que des améliorations propulsives et aéro-structurelles. Les caractéristiques de l'architecture complète sont alors analysées, notamment concernant ses impacts environnementaux à partir d'un module d'analyse de cycle de vie développé pour FAST-OAD.Dans une dernière partie, l'outil CAST développé dans cette thèse est présenté. Il permet de simuler et d'évaluer des scénarios prospectifs pour le transport aérien. Des modèles sont détaillés pour les différents leviers d’action permettant de réduire l'impact environnemental du transport aérien. Une attention particulière est portée sur l’introduction d’architectures plus efficaces dans la flotte. Pour évaluer la durabilité des scénarios, des méthodologies spécifiques sont proposées pour les enjeux climatiques et énergétiques, en s'appuyant par exemple sur la notion de budget carbone. Plusieurs applications montrent alors le bénéfice des nouvelles technologies mais aussi le besoin d’un arbitrage entre le niveau de trafic aérien et la part du budget carbone mondial allouée au secteur aérien.

L'accumulation de glace sur les avions est un problème bien identifié depuis le début des années 1900. Les solutions actuellement utilisées en vol (soufflage d'air chaud provenant des moteurs, tapis chauffants électrothermiques, boudins pneumatiques gonflables, bobines électromagnétiques) offrent une protection efficace mais nécessitent une puissance ou un besoin en maintenance important. De plus, dans le cadre d’avions plus électriques, les systèmes dépendant des moteurs thermiques sont susceptibles de devenir obsolètes, ouvrant ainsi la voie à de nouveaux systèmes électriques. Les systèmes de dégivrage électromécaniques se sont récemment avérés pertinents en termes de consommation d'énergie et de masse embarquée, ce qui explique le travail poursuivi dans cette thèse pour développer ce système.Cette thèse se concentre sur la conception de systèmes de dégivrage électromécaniques résonants basés sur de nouvelles structures ou architectures d'actionneurs. Le système de dégivrage électromécanique résonant étudié est basé sur des actionneurs piézoélectriques. Alimentés par un courant alternatif, les céramiques piézoélectriques vibrent en excitant la structure à une fréquence donnée. Lorsqu'elle correspond à une des fréquences naturelles de la structure, l'amplitude des vibrations augmente grâce au phénomène de résonance, générant des niveaux élevés de contraintes et de déformations, dépassant finalement la résistance mécanique de la glace. L'objectif est de développer un prototype qui pourrait démontrer une protection efficace contre le givre pour une faible puissance absorbée (moins de 10 kW/m²).Afin de concevoir un système de dégivrage électromécanique résonnant efficace et peu consommateur, de nombreuse thématiques ont été étudiés et sont donc développés dans ce manuscrit de thèse.En se basant sur la mécanique des fractures, les mécanismes de fissuration et détachement de la glace sont étudiés. Tout d'abord, des simples échantillons plaques sont utilisés pour faciliter les calculs et les expériences. En utilisant l'analyse modale par éléments finis et les outils d'analyse de fracture, les différents mécanismes de fracture de la glace sont identifiés et les conditions de déclenchement définies. Les mécanismes théoriques supposés sont confirmés par des vérifications expérimentales. Sur la base de ces connaissances, une campagne hybride numérique/expérimentale est menée pour mesurer avec précision les propriétés mécaniques de la glace atmosphérique. Enfin, les mécanismes de fissuration identifiés sont améliorés par le développement et l’utilisation d'un outil d'optimisation, modifiant la géométrie du substrat pour maximiser l'efficacité du dégivrage.Des applications plus réalistes sont ensuite étudiées. Tout d'abord, l'actionnement de la structure est amélioré en minimisant la durée du processus d’identification et d'excitation des modes. Ensuite, afin de faciliter la sélection des modes d'intérêt et l’identification des principales caractéristiques du système, des critères de conception sont définis en fonction de la puissance mécanique, de l'énergie ou de la force à fournir à la structure pour réaliser le dégivrage. En utilisant ces critères, les propriétés de la glace et les connaissances des mécanismes de fracture acquises grâce aux études préliminaires, un prototype NACA réaliste est usiné et instrumenté. Permettant ainsi d'effectuer des tests de vérification dans la soufflerie givrante de l'ICA.Enfin, les performances du prototype sont comparées aux systèmes existant de protection contre le givre. L'impact du système au niveau de l'avion est évalué en quantifiant la puissance requise, la traînée induite et la masse supplémentaire du système et de ses sous-systèmes. Cette approche permet de mettre en avant les avantages de la solution électromécanique développée dans cette thèse au niveau de la flotte aérienne.

Dans le contexte des systèmes de télécommunication, la technologie photonique est apparue pour répondre à la demande de bande passante. Elle a depuis fait l'objet de recherches croissantes et a été incorporée dans des systèmes destinés au spatial. Grâce à cette technologie, il est possible d'ajouter de nouvelles fonctionnalités aux équipements traditionnels de communication par radiofréquence ou de les utiliser dans des terminaux laser pour la communication optique en espace libre. Ce travail de recherche porte sur l'utilisation de la technologie photonique dans le sous-système de communication par satellite. Il se concentre donc sur un sous-système utilisant les communications par radiofréquence (RF) et un autre utilisant les communications optiques en espace libre (FSO) pour un satellite fonctionnant sur une orbite terrestre basse (LEO). Le modulateur vectoriel micro-ondes basé sur la technologie photonique a été présenté et discuté pour le sous-système utilisant les communications RF afin de remplacer l'étage de modulation traditionnel d'une charge utile de transmission. Ce modulateur photonique utilise un arrangement de modulateur électro-optique Mach-Zehnder (MZM) pour mettre en œuvre la modulation numérique de la porteuse micro-onde. La dérive dans le temps de la polarisation en tension continue du MZM, entraînant une dégradation de la qualité du signal modulé, une solution innovante pour un contrôle automatique de la polarisation (ABC) a été proposée. Contrairement aux méthodes rapportées jusqu'à présent dans la littérature, ce contrôle automatique de la polarisation est basé sur l'analyse des signaux I/Q afin de générer des étapes de tension pour la polarisation du modulateur photonique. En tenant compte du fait que la liaison satellite fonctionne généralement dans les bandes S et X pour la transmission (TT&C) et la transmission d'images avec des schémas de modulation QPSK, 8PSK et 16QAM, l'ABC a été évalué par une technique de co-simulation. En conséquence, l'ABC a corrigé les trois schémas en quelques étapes. Pour le système FSO, une boucle à verrouillage de phase optique (OPLL) a été étudiée pour récupérer les données d'un signal optique modulé numériquement dans un récepteur à détection cohérente. Contrairement aux OPLL analogiques traditionnelles, une OPLL entièrement numérique a été mise en œuvre et soutenue par une technique de co-simulation. La motivation première était la possibilité d'utiliser un détecteur de phase numérique à la place du détecteur analogique pour fournir une erreur de phase. De plus, la caractéristique de gain du détecteur de phase numérique, indépendante du niveau du signal d'entrée, lui permet d'être utilisé dans des régimes d'évanouissement. L'OPLL numérique a été évaluée à l'aide de taux d'échantillonnage doubles sous un bruit gaussien additif et trois scénarios de turbulence atmosphérique qui induit un évanouissement de puissance sur le signal optique transmis. De plus, la propagation d'un signal optique modulé numériquement dans une trajectoire oblique de satellite LEO a été considérée avec un débit binaire de 20 Gbits/s et un schéma de modulation QPSK. Il a été démontré que les détecteurs de phase analogiques traditionnels ne sont pas adaptés aux systèmes en régime d'évanouissement. Par conséquent, le détecteur de phase numérique s'est avéré être une alternative à la mise en œuvre d'OPLL pour le récepteur de systèmes FSO utilisant la détection cohérente. Ansi, la technologie photonique a été analysée pour améliorer les charges utiles de satellites et augmenter la bande passante de futurs liens optiques de communications.

Depuis 1957, on estime que plus de 1600 tonnes de débris spatiaux ont pu parvenir à la surface de la Terre après avoir effectué une rentrée atmosphérique, représentant un risque pour les biens et les personnes au sol. L'estimation du risque à l'impact est devenue un enjeu majeur pour tous les acteurs du spatial, et en particulier pour le CNES depuis le vote en 2008 et la mise en application en 2021 de la Loi sur les Opérations Spatiales (LOS) qui impose des contraintes fortes sur les débris spatiaux.La simulation numérique « haute fidélité » de la rentrée atmosphérique des débris spatiaux tout au long de leur trajectoire ne peut être mise en œuvre du fait d’un coût de calcul trop important et hors de portée des calculateurs actuels. Des modèles analytiques ou modèles réduits sont donc utilisés. Actuellement, le couplage fort entre les phénomènes physiques de l'écoulement et le niveau de dégradation du matériau n'est pas pris en compte dans ces modèles. De plus, l'utilisation de matériaux composites rend complexe les simulations car leurs réactions de dégradation sont multiples et leurs propriétés thermophysiques ne sont pas totalement caractérisées. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre et modéliser les processus physiques dans les matériaux composites carbone/époxy et à leurs surfaces, pour une rentrée atmosphérique complète, tenant compte de la dégradation thermochimique, sur des géométries 3D représentatives des débris spatiaux.Pour atteindre cet objectif, un modèle de déplacement de maillage 3D des matériaux avec forte déformation a été développé et intégré dans le code matériau MoDeTheC de l’ONERA. Dans le même temps, le matériau composite carbone/époxy M55J/M18 fabriqué par Thales Alenia Space a été caractérisé avec les moyens d'essais de l’ONERA. Un modèle multi-constituants, permettant de rendre compte de l’évolution des propriétés du matériau en fonction de la température et de son niveau de dégradation, a été défini. L’utilisation de ces propriétés dans MoDeTheC, au sein du code de rentrée atmosphérique ARES (code intégrant les solveurs FAST, MUSIC, AtMoS et MoDeTheC), a permis de simuler la dégradation de réservoirs sphériques sur une trajectoire complète de rentrée. Enfin, pour quelques points de vol le long de ces trajectoires, les influences du soufflage et des réactions des gaz de pyrolyse sur le flux de chaleur convecto-diffusif ont été étudiées numériquement, avec le code Navier-Stokes CEDRE de l’ONERA.

La logique temporelle linéaire du premier ordre (FOLTL) offre un cadre naturel pour la spécification de systèmes à états infinis mais n'est pas décidable (ni même semi-décidable). Dans cette thèse, nous cherchons à exploiter des fragments décidables de FOLTL pour vérifier, idéalement automatiquement, la correction de systèmes à états infinis. Notre approche s'appuie de manière centrale sur une variante de la propriété du modèle fini. Cette propriété d'un fragment d'une logique affirme que, pour toute formule du fragment, il est possible de calculer une borne telle que, si cette formule est satisfiable, alors elle l'est dans un modèle de taille inférieure ou égale à cette borne. La variante que nous considérons, appliquée à FOLTL, ne borne que le domaine du premier ordre, et pas l'horizon temporel. Ceci permet en pratique de réduire le problème de satisfiabilité de FOLTL à celui, décidable, de LTL. Nos travaux s'organisent en trois étapes. Dans un premier temps, nous exhibons divers fragments relativement expressifs de FOLTL possédant cette propriété. Toutefois, ces fragments seuls ne sont pas suffisant pour y spécifier des exemples réels de systèmes à états infinis. C’est pourquoi, dans un second temps, nous définissons trois transformations permettant d’abstraire des spécifications de systèmes à états infinis vers les fragments décrits précédemment ou existant déjà dans la littérature. Une de ces transformations est totalement automatique tandis que les deux autres requièrent une entrée de la part du spécifieur. Enfin, nous présentons dans un dernier temps l'implémentation et l'évaluation de ces méthodes. Pour ce faire, nous définissons un langage de spécification permettant la modélisation de système à états infinis et adapté à l'application de nos trois transformations. Un prototype permet, en exploitant nos résultats, de générer un problème de satisfisabilité LTL dont la résolution est déléguée à un model checker. Cette approche est ensuite évaluée sur un ensemble de spécifications de systèmes tirées de la littérature.

Dans un contexte de changement climatique, le secteur de l’aéronautique doit réduire ses émissions de CO2. Le gain technologique est l’un des leviers sur lequel peut jouer le secteur pour maitriser ses émissions. Les motoristes ont fortement été impactés par ces contraintes et doivent faire face à des défis importants. Pour remplir ces objectifs, une des pistes potentielles d’amélioration se situe en sommet de roue mobile de la turbine basse pression des turbofans double corps/doubles flux actuels. En effet, il est possible d’ajouter une pièce mécanique en tête de pale de rotor, appelée talon, afin de supprimer l’écoulement de jeu, générateur de pertes, qui prend naissance dans le jeu radial d’une configuration classique de pale. Cela a des conséquences bénéfiques sur le rendement des étages de turbines basse pression, mais ces aménagements entraînent l’apparition de nouveaux phénomènes physiques, eux aussi générateurs de pertes, dont il faut améliorer la compréhension. On retrouve dans la littérature deux principaux phénomènes générateurs de pertes associés à ces géométries. Le premier entraine des pertes de charge lorsque le fluide traverse le talon. Cette physique se déroule en dehors de la veine et n’est donc pas au cœur de l’étude menée au cours de cette thèse. Le second est l’interaction entre le débit dans la veine et celui sortant du talon. Les deux fluides ont des propriétés de vitesse différentes et cela engendre des pertes de mélange. Ce mécanisme est important car il modifie également les conditions d’alimentation des aubages en aval. On retrouve aussi, en marge mais bien présent, des interactions entre le fluide présent dans la veine et celui dans les cavités de la géométrie de talon.Ces conclusions sont principalement issues d’une analyse stationnaire du problème à l’aide de bancs d’essais ou de simulations numériques. Aussi, on ne retrouve que des études pour des points de fonctionnement adaptés. Cette thèse a pour objectifs d’apporter une analyse instationnaire de ces écoulements et d’observer le comportement de ces géométries à des conditions hors-adaptation qui sont susceptibles de modifier les différents mécanismes. Pour cela, deux configurations de turbine basse pression avec pales talonnées, de complexité différentes, ont été utilisées. Des calculs stationnaires et instationnaires ont été réalisés afin de comparer ces deux méthodes. De plus, les géométries réelles ont été comparées à des cas idéaux où le jeu en tête de pale de rotor est considéré comme nul. Cela permet d’isoler l’influence de l’effet technologique sur l’écoulement principal. Ces simulations numériques ont été réalisées à l’aide du code de calcul elsA développé par l’ONERA.Les résultats de ces simulations ont permis de retrouver certaines conclusions de la littérature comme le fait que pour une configuration mono-étage les prédictions de performance faite par un calcul stationnaire sont très proches de celles faites par un calcul instationnaire. Ce n’est plus forcément le cas pour une configuration multi-étage ou bien à des conditions de fonctionnement hors-adaptation comme observé au cours de ces travaux. D’autres résultats sont nouveaux pour la littérature associée à cette problématique. Notamment la mise en évidence d’instabilité dans les cavités du talon. Ces dernières étaient plus ou moins attendues car les géométries rencontrées sont semblables à celles des configurations de cavités de purge dans lesquelles des instabilités peuvent prendre naissance.

Afin d’anticiper de potentiels problèmes thermiques liés à l’éjection de gaz d’échappements à haute température par les moteurs hélicoptères, les industriels ont de plus en plus recours à la simulation numérique. La simulation de la trajectoire et du mélange des gaz d’échappement est cependant complexe et peu intuitive. Elle implique notamment de reproduire correctement les mécanismes physiques tridimensionnels et instationnaires résultant de l’interaction entre le jet chaud issu des moteurs et l’écoulement externe composé du vent relatif, du souffle rotor et d’un potentiel effet de sol. Le jet et l’écoulement externe n’étant généralement pas orientés selon les mêmes directions, l’écoulement résultant peut être assimilé à un écoulement de type jet débouchant. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse était de proposer des méthodologies de simulation permettant de restituer le mélange et la dynamique de l’écoulement pour des jets débouchants représentatifs d’une application hélicoptère(fort niveaux de température et jet décollé de la paroi). Dans un premier temps, une campagne d’essais a été réalisée dans la soufflerie F2 de l’ONERA. L’objectif était de constituer une base de données expérimentale détaillée pour des jets débouchants représentatifs d’une application hélicoptère. Cette base de données expérimentale a alors été utilisée afin d’évaluer la capacité de plusieurs modélisations RANS à restituer les aspects dynamique et thermique de ce type l’écoulement. L’utilisation de modélisations RANS plus avancées pour le flux de chaleur turbulent a également été étudié. D’autre part,des simulations aux échelles résolues SAS-SST et LES ont été conduites et comparées aux données expérimentales. L’analyse du flux de chaleur turbulent résolu a notamment permis d’évaluer la validité des modèles GDH et GGDH pour ce type d’écoulement. Finalement, une simulation SAS-SST a été réalisée sur une configuration industrielle basée sur une maquette d’hélicoptère.

De nos jours, les robots autonomes sont confrontés à des environnements complexes et incertains nécessitant la planification automatique des différentes tâches devant être accomplies pour mener à bien la mission. Dans cette thèse, nous essayons de résoudre des problèmes dans lesquels l’incertitude est modélisée comme un ensemble d’état initiaux possibles de l’environnement, et nous nousintéressons aux méthodes de planification hors-ligne (avant le départ de la mission), le calcul de plan en ligne entraînant un coût de calcul supplémentaire non négligeable pendant la mission. La planification contingente est une de ces méthodes. Celle-ci consiste à calculer un plan contingent traitant l’incertitude du problème tout en laissant la possibilité d’effectuer des décisions en ligne rapides et conditionnéespar des observations de l’environnement. La planification contingente semble particulièrement adaptée aux missions de robotique autonome du fait de la facilité d’embarquabilité des plans contingents, mais celle-ci présente néanmoins une complexité d’autant plus élevée que le nombre d’observations à réaliser est grand. De plus, la réalisation d’une observation en cours de mission peut être coûteuse pour l’agent devant la réaliser. Cette thèse consiste donc `a développer un planificateur contingent traitant des problèmes comportant de l’incertitude sous forme d’un ensemble d’états initiaux possibles en limitant le nombre d’observations du plan. Pour cela, nous avons proposé d’utiliser un planificateur conformant (dont le but est de calculer un plan menant au but du problème quel que soit l’état initial possible et sans réaliser d’observation) afin de calculer le plus de branches conformantes possibles dans le plancontingent. Si un plan conformant ne peut pas être calculé, l’approche se sert ensuite des informations retournées par le planificateur conformant pour sélectionner l’observation à réaliser. Une première approche a été développée puis améliorée au fil de la thèse afin d’aboutir à un planificateur contingent complet, dot´e d’une représentation compacte des états de croyance, et qui contrairement `a une grande partie des planificateurs contingents de la littérature, n’est pas limité aux problèmes de taille contingenteinférieure à un. Les résultats de la comparaison de notre approche avec les planificateurs contingents de la littérature indiquent que malgré un temps de calcul plus élevé que ces planificateurs sur une grande partie des problèmes étudiés, notre approche limite efficacement le nombre d’observations du plan, rendant les plans générés compétitifs en terme de taille et de profondeur.

Le but de cette thèse est de présenter des algorithmes basés vision pour permettre la navigation autonome de la sonde et la caractérisation d'un astéroïde inconnu avec une camera monoculaire pendant la phase d'approche.L'état de l'art de la navigation des sondes interplanétaires est basé sur un précis suivi radiométrique et des mesures optiques utilisés pour reconstruire la trajectoire relative par rapport à l'astéroïde. Dans le future proche le système de suivi radiométrique, le Deep Space Network (DSN), sera fortement surchargé puisque de plus en plus de missions sont conçues et seront opérées pour explorer le Système Solaire interne. La navigation autonome est une des solution envisagées afin de réduire la charge du DSN puisque ces algorithmes de navigation permettront à la sonde de se localiser pendant toutes les phases de la mission sans le support du sol.En outre, les caractéristiques des astéroïdes ne sont pas très bien connues avant l'arrivée car l'estimation avec observation à distance nécessite des hypothèses sur les propriétés du petit corps, comme l'albedo et la densité. Par conséquent il est nécessaire d'estimer pendant la mission les propriétés de l'astéroïde pour permettre une localisation précise et un retour scientifique maximale.La navigation autonome pourrait se mettre en place avec plusieurs senseurs mais les cameras sont normalement choisies car elles sont plus légères, plus compactes et nécessitent moins de puissance si comparées avec des autres senseurs, comme les LiDARs. Ce choix implique que les budgets de masse et de puissance du satellite ne sont pas fortement affectés pendant la phase de conception. Pour ces raisons, l'utilisation des cameras en combinaison avec des algorithmes de traitement d'image assure des bonnes performances de navigation avec des composants légers et rentables.Pendant l'approche à un petit corps la reconstruction de la forme et l'estimation de l'axe de rotation sont des étapes vitales. D'un côté, la forme permet d'avoir une première estimation du champ gravitationnel, avec l'hypothèse de densité constante. En plus, l'estimation de la forme permet d'utiliser les algorithme de navigation basée modèle. De l'autre côté, la connaissance de l'axe de rotation est centrale pour définir les repères de mission et pour estimer la localisation relative par rapport à l'astéroïde.La recherche poursuivie pendant ce doctorat a été divisée en trois sections:1. Premièrement, un algorithme d'estimation de forme basé silhouettes a été développé avec l'hypothèse de connaitre la localisation relative2. Deuxièmement, an algorithme pour reconstruire la forme de l'astéroïde et son axe de rotation a été conçu avec l'hypothèse de connaitre le facture d'échelle et d'avoir une estimation de la trajectoire inertielle3. Enfin, la quantification des incertitudes sur les harmoniques sphériques générées par une reconstruction de forme stochastique a été mise en place avec l'hypothèse d'avoir une densité constante et connue.

L’imagerie à haute-vitesse sans distorsions spatiales est devenue cruciale pour une large gamme d’applications comme la vision industrielle, la reconnaissance du mouvement et l’imagerie de la Terre depuis l’espace. La technologie d’imagerie CMOS a donc évolué vers une modalité de prise de vue appelée « snapshot », grâce au développement des Capteurs d’Image à Obturation Globale. Néanmoins, ce type d’imageurs présente une dégradation des performances due à une sensibilité à la lumière parasite non-négligeable du Nœud de Stockage, qui en limite l’exploitation. Bien que beaucoup de travaux aient été consacrés à la réduction de la Sensibilité à la Lumière Parasite, il existe des interrogations et des manquements relatifs à la caractérisation et la modélisation de cette figure de mérite.Ces travaux s’intéressent au développement d’un cadre pour la modélisation, la caractérisation et l’atténuation de la Sensibilité à la Lumière Parasite dans les imageurs CMOS à Obturation Globale.Le cadre se base sur le développement d’une métrique pour la caractérisation, d’une méthode de simulation et de différentes méthodes de correction en post-traitement dans le but de faire émerger des recommandations pour la conception et d'augmenter les performances des imageurs de manière efficace et peu coûteuse.