Cette étude fait partie d'un projet commun CNES-ONERA dédié à la recherche sur les ergols verts pour la propulsion spatiale. La plupart des systèmes de contrôle d’attitude et d’orbite utilisent la décomposition catalytique de l’hydrazine, ce qui entraîne des problèmes de lits catalytiques et des contraintes de manipulation de l’hydrazine. Le CNES a proposé une nouvelle famille de monergol vert à base de liquides ioniques énergétiques. Ces HPGM (High Performance Green Monopropellant) proposent un système propulsif plus performant et moins toxique. L’objectif final du projet est d’initier thermiquement la décomposition liquide ionique énergétique afin d’éliminer les catalyseurs. L’objectif de la thèse est de caractériser l’allumage et la combustion de ces produits innovants. Ce travail présente dans un premier temps une approche expérimentale pour observer la décomposition de HPGM à l’aide de deux montages expérimentaux. Un montage de goutte isolée a permis la détection d’une pression seuil d’allumage pour les monergols d’étude, mais également une première approximation de la vitesse de régression. La réalisation d’un second montage en gouttière a étendu la gamme de pression pour cette mesure, tout en réduisant l’incertitude. Finalement, un modèle numérique a été proposé pour représenter la vitesse de régression des monergols d’étude et leur combustion en spray.

Modélisation aérothermodynamique des écoulements hypersoniques d’arrière-corps de débris orbitaux

Grâce à ses avantages (sûreté, performances propulsives, manoeuvrabilité, bon marché et faible impact environnemental), la propulsion hybride, combinant un oxydant liquide et un combustible solide, offre une alternative pertinente aux systèmes de propulsion solide et liquide pour des missions de mise à poste de satellites.Les performances du moteur hybride sont pilotées par le processus de combustion dans lequel le comportement de la régression du combustible joue un rôle déterminant. Bien qu’essentielle, la recherche expérimentale est coûteuse et ne peut pas produire une description détaillée de ce processus. La simulation numérique peut en revanche fournir des données complémentaires sur l’écoulement et les transferts, non accessibles expérimentalement compte tenu des ambiances sévères. En particulier, le comportement de la régression du combustible est décrit par le modèle d’Interaction Gaz-Surface (IGS) basé sur les bilans des échanges de masse et d’énergie à la surface du combustible. Cette approche prend en compte le couplage physique entre la vitesse de régression et les processus aérothermochimiques de l’écoulement. L’objectif de la thèse est de développer et valider expérimentalement une modélisation numérique prenant en compte le modèle IGS afin d’obtenir une représentation réaliste de la balistique intérieure d’un moteur hybride. Selon l’analyse de sensibilité menée sur la modélisation mise en place, la correction, proposée par Wilcox, du modèle de turbulence Favre-RANS k-! SST pour le soufflage pariétal est essentielle afin de représenter convenablement la vitesse de régression du combustible.Une technique de restitution de la distribution spatiale et temporelle de la vitesse de régression expérimentale a également été développée pour définir une méthode de validation recouvrant complètement le comportement de la régression du combustible. Le processus de validation a montré la capacité de la modélisation à fournir des valeurs réalistes de la vitesse de régression du combustible bien que des limites aient été constatées lors de l’étude de son comportement

Les environnements radiatifs sont critiques pour l’intégrité des systèmes électroniques embarqués. Peuplés de particules plus ou moins énergétiques, ces environnements peuvent provoquer des dysfonctionnements qui, suivant les dommages occasionnés, peuvent être identifiés. Ce manuscrit porte ssentiellement sur les pannes non destructives, et plus particulièrement sur les SEU (Single Event Upset) dont les conséquences sont les basculements indésirables de certains points mémoires. Ce faisant, l’information initialement stockée peut être perdue. La thématique de la sensibilité des mémoires aux événements singuliers a pris naissance dans les années 70. Les premières erreurs observées ont été provoquées par des particules lourdes, associées à des pouvoirs ionisants élevés. Ces dernières, en traversant les dispositifs, engendrent des cascades électroniques particulièrement intenses. Aujourd’hui, les mémoires proposent des nœuds technologiques de l’ordre de la dizaine de nanomètres. Ainsi, sur les décennies qui nous séparent des premières observations des événements singuliers, les cellules mémoires ont vu leurs dimensions se comprimer drastiquement. D’un point de vue sensibilité, cela aurait pu aller dans le bon sens mais c’était sans compter sur la réduction des tensions d’alimentation qui s’est opérée dans le même temps. Ce manuscrit s’inscrit dans cette évolution et tâche d’analyser les conséquences qui ont alors émergées. Le transport des particules est une thématique commune à tant de sujets. Et la sensibilité des mémoires n’y échappe pas. D’autant que la contrition des composants nous impose maintenant une certaine rigueur : il nous revient de réaliser le transport des particules sur des échelles nanométriques. Ainsi, nous avons travaillé sur le développement et l’implémentation de nouveaux modèles physiques dans un code de transport, GEANT4. Ces travaux nous permettent de suivre les cascades électroniques jusqu’à des énergies très basses, une condition indispensable pour les autres études que nous avons menées. Des électrons aux protons, nous avons investigué l’ensemble des processus physiques potentiellement impliqués dans les déclenchements d’erreur. Plusieurs résultats inédits ont ainsi été obtenus et démontrés : le rôle des interactions Coulombiennes sur les sensibilités mesurés en environnements électrons, et celui, propre aux diffusions élastiques, dans le cas des environnements protons. Le comportement des mémoires sous ces deux types d’environnement, les dynamiques qu’ils imposent sur les courbes de sensibilité, nous ont, par la suite, guidés vers une méthode de calibration des paramètres de simulation. Cette dernière étude offre d’ailleurs un moyen de prédiction de la sensibilité des composants pour des environnements auxquels ils n’ont pas été testés. Enfin, ce manuscrit se conclura sur une dernière étude, plus proche du composant, où l’on regardera les transitoires générés par des faisceaux d’électrons sur un inverseur ultrascale

Les ceintures de radiation correspondent à la région de la magnétosphère dans laquelle se trouvent les particules de hautes énergies. Le couplage entre le vent solaire et la magnétosphère donne lieu à des variations des flux de particules sur plusieurs ordres de grandeurs. L’objectif de cette thèse est d’observer et caractériser ces variations de flux d’électrons au passage de différents types d’événements tels que les régions d’interaction en co-rotation (CIRs) et les éjections de masse coronale interplanétaires (ICMEs). Pour cela, nous avons traité et analysé les données de plusieurs types: paramètres du vent solaire, indices géomagnétiques et flux d’électrons dans les ceintures de radiation. Dans les trois premiers chapitres, nous rendons compte de la complexité de l’environnement spatial Terrestre et présentons les différentes données utilisées. Les travaux de thèse sont ensuite organisés en quatre chapitres. Premièrement, nous utilisons les mesures des satellites NOAA-POES afin de caractériser les flux d’électrons dans les ceintures. Nous étudions ensuite les différences de variations de flux causées par les CIRs et les ICMEs en fonction de l’énergie des électrons et du paramètre L*. Après avoir montré le fort lien entre les intensités d’orages magnétiques et les variations de flux, nous nous focalisons sur les ICMEs et la variabilité des orages qu’elles causent. Enfin, nous insistons sur l’importance des enchaînements d’événements. Après avoir quantifié la forte tendance qu’ont les ICMEs à former des séquences, nous réalisons une étude statistique sur les orages qu’elles causent, puis trois études de cas afin d’illustrer leurs effets sur les ceintures.

Depuis le début de l’ère spatiale avec le lancement du satellite Spoutnik 1 en 1957, les ceintures de radiation terrestres n’ont cessé de faire l’objet d’études du fait de leur dangerosité pour les satellites mais aussi pour l’être humain. En effet, lors d’une forte activité solaire, l’injection de particules dans cet environnement radiatif peut induire des flux jusqu’à 1000 fois plus élevés que par temps calme. Par conséquent, il est important d’en comprendre la physique ainsi que la dynamique au cours de ce que l’on appelle un orage géomagnétique. Dans ce but, le Département Physique Instrumentation Environnement et Espace (DPhIEE) de l’ONERA développe depuis maintenant plus de 20 ans la famille de modèles Salammbô reproduisant de façon robuste et en trois dimensions la dynamique des particules piégées dans ces ceintures. Néanmoins, bien que précis au-delà d’environ 100 keV, la physique et les hypothèses prises en compte dans ce modèle restent insuffisantes en deçà. En effet, aux basses énergies, les ceintures de radiation ne peuvent plus être considérées comme homogènes autour de la Terre. L’objectif de cette thèse a donc été de prendre en compte une quatrième dimension, le temps magnétique local (MLT), afin de mieux reproduire l’évolution des structures fines lors d’un orage géomagnétique. La première partie s’est portée sur l’optimisation du schéma numérique. L’ajout d’une quatrième dimension induit, via l’apparition d’un terme d’advection, une forte diffusion numérique qu’il convient de limiter, tout en tenant compte du temps de calcul. L’équation statistique implémentée a alors été discrétisée selon un schéma de type Beam-Warming du second ordre couplé à un limiteur Superbee, garantissant une propagation satisfaisante de la distribution initiale. Une fois les problèmes numériques maitrisés, les différents mécanismes physiques pilotant la dynamique des particules piégées ont été implémentés dans le code, avec une attention toute particulière sur la dépendance en MLT de l’interaction onde-particule. La prise en compte des champs électriques magnétosphériques fut également nécessaire. En effet, ils constituent l’un des moteurs principaux du mouvement des particules de basses énergies. Le modèle Salammbô 4D a ensuite été validé par comparaison avec le modèle 3D déjà existant sur une simulation de l’orage magnétique de Mars 2015. Les résultats ont montré une bonne restitution de la dynamique des ceintures de radiation, avec en plus l’accès à la phase principale de l’orage. Cet évènement a ensuite été modélisé à plus basse énergie pour constater la dynamique asymétrique des électrons piégés avec le rôle prépondérant du champ électrique de convection. La comparaison avec les données du satellite THEMIS a montré une bonne modélisation des différents processus physiques, notamment celui de « dropout » par traversée de la magnétopause. Enfin, la mise en place d’une condition limite dynamique modulée par les paramètres du vent solaire et dépendante du MLT ouvre de nombreuses perspectives.

Ce mémoire de thèse traite des effets singuliers produits par les milieux radiatifs sur les capteurs d’images CMOS. Le travail se concentre sur les effets provoqués par les ions lourds sur les capteurs utilisant des pixels 3T à photodiode standard et des pixels 4T et 5T à photodiodes pincées. Dans un premier temps, l’étude se concentre sur l’environnement spatial et l’architecture des capteurs. La comparaison avec la littérature met en évidence les effets les plus critiques sur les capteurs : le SEL et les SET. Les capteurs testés expérimentalement valident les travaux théoriques. Les SET sont comparés aux simulations de l’outil de modélisation STARDUST, et montrent un bon accord pour toutes les puces et les ions. Il est expliqué pourquoi les SET sur les puces 3T sont insensibles aux variations de conception de la photodiode, et pourquoi l’utilisation d’un substrat épitaxié diminue grandement les SET. Une méthode de réduction des SET est implémentée avec succès sur les puces 4T et 5T, et le composant responsable du latchup est identifié. L’ensemble des mécanismes explorés permet de connaitre les paramètres importants pour durcir les imageurs.

Ces travaux de thèse sont le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire de Métrologie et Dosimétrie des Neutrons de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire et le Département d’Environnement Spatial de l’Office National d’Etudes et Recherches Aérospatiales. L’objectif était de caractériser et de mettre en service un système opérationnel de spectrométrie des neutrons, étendu au domaine des hautes énergies afin de mesurer de manière dynamique les variations de l’environnement radiatif naturel atmosphérique en altitude au sommet de l’Observatoire du Pic du Midi de Bigorre dans les Pyrénées. Pour ce faire, les réponses des différents détecteurs ont été calculées par simulations Monte Carlo avant d’être validées expérimentalement jusqu’au domaine des hautes énergies en champs neutroniques de référence. La méthode de reconstruction mathématique du spectre par déconvolution a été étudiée afin de quantifier les incertitudes systématiques. Ensuite, le système a été testé sous la roche au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel avant d’effectuer les premières mesures en altitude à +500 m et +1000 m. A la suite de ces expériences, le spectromètre a été installé en mai 2011 au sommet du Pic du Midi à +2885 m. La méthodologie d’analyse en continu des données recueillies a été développée. Des oscillations saisonnières du spectre dont l’amplitude dépend du domaine énergétique ont été mises en évidence. Des décroissances Forbush, caractéristiques d’éruptions solaires, ont également été observées à l’approche du 24ème cycle solaire. Des simulations Monte Carlo ont permis d’analyser ces résultats. Les données ont été valorisées grâce à des applications en dosimétrie personnelle et en fiabilité des composants électroniques vis-à-vis des radiations.

Les ceintures de radiation provoquent des dégâts irréversibles sur les satellites les traversant, détériorant ainsi les instruments de mesure embarqués. Les étudier est utile au développement de matériaux adaptés et résistants. Depuis les années 90, l'ONERA-DESP étudie les ceintures de radiations des planètes magnétisées, telle que la Terre ou Jupiter, grâce au modèle Salammbô. Salammbô prend en compte les processus physiques de l'environnement radiatif pour recréer les populations d'électrons peuplant les ceintures. Dans cette étude, il s'agit de développer un modèle des ceintures de radiations internes de Saturne, basé sur les travaux précédents. Avant les années 2000, Pioneer 11 et Voyager 2 ne permettaient pas un développement suffisamment avancé d'un modèle de ceintures de radiations de Saturne. La mission Cassini apporte ensuite quantités d'observations et de données pour mener une étude plus approfondie de ces ceintures. Cette thèse débute par l'analyse de la magnétosphère interne de Saturne : anneaux, satellites, nuages de neutres...L'interaction des particules des ceintures de radiations avec ces différents paramètres se traduit par le calcul de coefficients de diffusion. Ces coefficients sont intégrés à l'équation de transport et permettent de comprendre les mécanismes perturbant la distribution des électrons au sein des ceintures de radiations. Les résultats obtenus sont comparés aux mesures faites par les sondes Pioneer 11, Voyager 2 et Cassini.

Lorsqu’un avion atterrit, la force principale nécessaire pour arrêter l’avion est obtenue par le freinage. Par une réduction de la vitesse de rotation des roues, les freins provoquent une vitesse de glissement entre les pneus et la piste. C’est cette différence de vitesse qui génère la force de freinage capable de stopper l’avion. La modélisation de cette force est essentielle pour l’estimation de la longueur de piste à l’atterrissage. Les modèles classiques utilisés par les avionneurs sont assez simplistes et dérivent expérimentalement des modèles de frictions les plus simples. De sorte que ces modèles sont dans l’incapacité d’estimer l’influence de paramètres clefs influençant la force de freinage. Il s’agit, en particulier de la pression des pneus, de la nature de la gomme, de la température ambiante et de celle de la gomme, de l’état de la piste, de sa texture, etc. L’objectif de la thèse a été de développer un modèle de contact pneu-piste capable d’estimer la force de freinage. C’est le « Brush Model » qui a servi de base à cette modélisation. En phase de freinage la zone de contact est constituée d’une première zone de déformation de la gomme qui crée une force résistante en suivant la loi de Hooke, puis d’une seconde zone de glissement dont la force de résistance suit la loi de Coulomb. Ce modèle a été amélioré grâce aux résultats de la mécanique des structures pour la loi de Hooke et grâce aux résultats de la tribologie pour la loi de Coulomb. Ces deux modélisations faisant appel aux données issues de la science des matériaux. L’ensemble de ces modélisations a été enrichi par une coopération avec plusieurs centres de recherches ayant fourni de nombreux résultats expérimentaux. Le modèle obtenu a ensuite été confronté avec des résultats d’essais en vol obtenus avec « Airbus Operations S.A.S ». La thèse a validé le prétraitement des données d’essais ainsi que le processus d’identification qui a permis de montrer l’accord du modèle avec les résultats expérimentaux obtenus lors des essais en vol. Cette modélisation donne des résultats très encourageants, elle permet une compréhension beaucoup plus approfondie des effets de l’environnement sur les forces de freinage. De sorte que cette thèse a permis d’améliorer très sensiblement la compréhension fondamentale des phénomènes en jeu lors du freinage, au contact entre le pneu et la piste. Chez Airbus, les résultats obtenus vont servir de base pour les travaux à venir sur ce thème.