Le réseau de surveillance spatiale des États-Unis suit en continu environ 23 000 objets spatiaux en orbite (RSO). L'exhaustivité de leur couverture de la population de RSO diminue progressivement avec la taille de l'objet et la réflectivité radar. Alors que la population de débris spatiaux proche du centimètre est mal représentée dans les catalogues, ces projectiles spatiaux peuvent causer de graves dommages aux satellites et aux engins spatiaux en plus d'être probablement beaucoup plus nombreuses que les gros débris. Ce projet de recherche se concentre sur la possibilité d'observation dans cette population de débris, en utilisant un système d'imagerie à champ large de haute sensibilité, avec une fréquence d'images rapide, dans le domaine du visible à partir d'une orbite terrestre basse. Le simulateur développé se concentre sur le scénario d'un satellite en orbite terrestre basse (LEO) et sa capacité à détecter les débris situés en LEO également. Dans le simulateur Matlab, un simple modèle sphérique spéculaire/diffus est utilisé pour les débris afin de calculer la magnitude apparente de l'objet dans toutes situations Soleil-débris-observateur. Les vitesses et orbites relatives des satellites et des débris sont également prises en compte afin de déterminer la longueur de la trace laissée par les débris sur une séquence d'exposition donnée et le nombre de photons par pixel. Le moment exact, la position, la longueur et l'orientation de la séquence contiennent des informations sur l'orbite de l'objet. La génération des étoiles en arrière-plan adaptées à la haute sensibilité du capteur est également une partie importante du simulateur. Les étoiles affectent la limite de détection des débris traversant le champ de vue. Ce simulateur nous permet de modifier divers paramètres du capteur afin d'optimiser la conception de la caméra. La conclusion de ce travail contribue à l'effort global sur la connaissance de la situation spatiale (SSA) en évaluant l'impact de l'inclusion de l'imagerie optique embarquée dans les systèmes de détection. / The United States Space Surveillance Network catalogs around 23 000 resident space objects. The completeness of their coverage of the true RSO population decreases gradually with object size and radar reflectivity. While the population of centimeter level space debris is poorly represented in the catalogs these space bullets can cause severe damage to satellites and space-crafts in addition to being likely much more numerous than larger pieces. This research project focuses on the ability to peek into this debris population using space-based high sensitivity, fast frame rate, wide field visible imaging from low Earth orbit. The developed simulator focuses on the capacity to obtain their orbits trajectories where the satellite and the space debris are in LEO. In the Matlab simulator, a simple specular/diffuse sphere model is used for the debris in order to generate the object's apparent magnitude for any Sun-debris-observer arrangement. Satellite and debris relative velocities and orbits are also considered in order to determine the length of the streak left by the debris on any given exposure sequence and the number of photons per pixel. The exact timing, position, length and orientation of the streak contains information constraining the object's orbit. The generation of representative star backgrounds matched to the sensor high sensitivity is also an important part of the simulator since it affects the effective limiting sensitivity to faint transiting source. This simulator allows us to trade various sensor parameters in order to optimize the camera design. The conclusion from this work contribute to the global effort in SSA by assessing the impact of including space based optical imagery in the detection mix.

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L'information de base concernant la réponse des espèces saproxyliques aux propriétés des débris ligneux grossiers est nécessaire au raffinement des stratégies de conservation et d'aménagement basées sur l'approche du filtre brut en forêt boréale. Afin de vérifier si les besoins des insectes saproxyliques réflètent également ceux d'un plus large spectre d'espèces, nous avons mesuré l'utilisation des débris ligneux grossiers par les diptères saproxyliques, un groupe abondant mais peu étudié. Pour décrire les assemblages de diptères saproxyliques en forêt boréale mixte de l'est de l'Amérique du nord, des pièges d'émergence ont été installés sur des bûches de peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michaux; N=46) et d'épinettes noires (Picea mariana (Miller); N=47). La campagne d'échantillonnage s'est échelonnée sur deux étés de terrain (2006-2007) de mai à août. Nous avons mesuré les effets du diamètre, du stade de décomposition (densité) et de l'espèce de J'arbre hôte sur la composition et la structure des assemblages de diptères saproxyliques. Un total de 6753 individus ont été capturés pour un total de 227 taxa. Un peu plus de la majorité des taxa capturés se sont avérés relativement rares puisque 121 de ceux-ci (53%) n'ont été représentés que par un seul individu. De plus, 2119 individus (51 taxa) était présents dans au moins 5% des bûches échantillonnées. Les cinq familles les plus abondantes furent les suivantes: Sciaridae (1850 individus), Cecidomyidae (1539 individus), Ceratopogonidae (816 individus), Phoridae (801 individus) et Mycetophilidae (749 individus). Les Mycetophilidae constituèrent la plupart de la richesse avec un total de 178 taxa. La richesse spécifique et l'occurrence des espèces de diptères étaient négativement liées à la densité du bois chez l'épinette noire, indiquant que l'importance du bois mort s'accroît au cours du processus de décomposition pour la plupart des espèces. Les mycétophages et saprophages étaient les guildes les plus communes et leurs abondances étaient positivement associées au diamètre des bûches ainsi qu'à leur stade de décomposition, bien que la proportion de la variance expliquée par ces facteurs étaient modeste. De plus, la densité du bois influençait les assemblages d'espèces en général, mais seulement pour l'épinette noire. Lorsqu'ils sont analysés séparément des autres guildes, les assemblages de mycétophages répondaient aussi à la densité du bois de l'épinette noire, tandis que les saprophages répondaient à la densité du bois des deux espèces-hôtes. La prépondérance des espèces rares et agrégées suggère que les diptères saproxyliques qui émergent du bois mort sont fortement liés à certains microhabitats. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Biodiversité, débris ligneux grossiers, bois mort, diptères, saproxylique

Depuis le lancement du premier satellite Spoutnik 1 en 1957, l’environnement spatial est de plus en plus utilisé et le nombre de débris orbitaux se multiplie naturellement, soit par des explosions, des collisions ou tout simplement par les opérations normales des satellites. Au-delà d'un certain seuil, la densité des débris orbitaux risque de créer une réaction en chaîne incontrôlée : l’effet Kessler. L’élimination des débris orbitaux en basse altitude permettrait de limiter cette réaction et ainsi de préserver l’environnement spatial afin de pouvoir l’utiliser de façon sécuritaire. L’élimination des débris orbitaux est une opération complexe et coûteuse. Elle consiste à déplacer des objets spatiaux inactifs vers une orbite basse pour mener à leur désintégration dans la basse atmosphère terrestre. En utilisant les perturbations orbitales, il est possible de réduire le coût du carburant requis pour effectuer les manœuvres orbitales nécessaires à l’élimination de ces débris. L'objectif principal de cette étude consiste à développer une procédure et une stratégie de commande autonome afin de modifier l'orbite des satellites non opérationnels (débris) pour mener à leur désintégration naturelle tout en optimisant les facteurs carburant et temps. Pour ce faire, un modèle d’atmosphère basé sur le modèle de Jacchia (1977) est développé. Un modèle de la dynamique du satellite inclut aussi les perturbations principales, soit : traînée atmosphérique, non sphéricité et distribution non uniforme de la masse de la Terre. Ces modèles ainsi qu'un algorithme de commande optimale pour un propulseur électrique sont développés et le tout est validé par simulations numériques sur Matlab/Simulink. Au terme de cette étude, les conditions optimales dans lesquelles il faut laisser un débris afin qu'il se désintègre dans la basse atmosphère de la Terre en quelques semaines seront données (type d'orbite : altitude, inclinaison, etc.) ainsi que le coût en carburant pour une telle mission. Cette étude permettra de prouver qu'il est possible de réaliser des missions d'élimination des débris orbitaux tout en réduisant les coûts associés aux manœuvres orbitales par l'utilisation des perturbations naturelles de l'environnement.

Les événements récents au Japon sur les centrales nucléaires de Fukushima ont montré que des accidents conduisant à la fusion du cœur peuvent survenir bine plus souvent qu’on ne l’avait supposé et que leur impact sur l’environnement et la vie publique est considérable. Pour les réacteurs actuels, un des moyens principaux pour stopper la progression de l’accident est de tenter de refroidir le plus rapidement possible les matériaux en utiliser une injection d’eau de secours. Suivant l’instant de déclenchement de l'injection d'eau dans un cœur dégradé (appelée renoyage) les zones du cœur présentent des degrés de dégradation variables. Ceci conduit à des écoulements 3D double phase dans la cuve à cause des hétérogénéités de porosité et de forme des matériaux à refroidir. La modélisation de ces écoulements est primordiale pour les études de sûreté. A l’IRSN, une partie de ces études se fait grâce au code ICARE-CATHARE. Ce code de calcul est utilisé en Europe par des entreprises nucléaires et sert à calculer l’évolution d’un accident dans un réacteur, en se concentrant sur l’état du cœur et du circuit primaire. L’objectif de cette thèse a été de développer un modèle de renoyage 3D (implanté dans ICARE-CATHARE) capable de traiter les configurations du cœur dégradé lors d'un accident grave. Le modèle proposé est caractérisé par un traitement du déséquilibre thermique entre les phases solide, liquide et gazeuse. Il inclut aussi deux équations de quantité de mouvement (une pour chacune des phases fluides). Une des améliorations faites au cours de cette thèse a été de bien distinguer les lois de transfert de chaleur pour différents régimes d’ébullition. On a ainsi proposé un modèle combinant les situations d’ébullition nucléée et d’ébullition en film. Les calculs permettent de mettre en évidence certaines caractéristiques multidimensionnelles de l’écoulement lors du renoyage, en particulier lorsqu’un fort gradient de pression est engendré dans le milieu poreux par l’écoulement de vapeur. En parallèle, l’IRSN a lancé un programme expérimental (essais PRELUDE et PEARL) dont l’objectif est de permettre la validation du modèle sur un dispositif 2D représentatif du renoyage de particules à haute température. L’analyse des résultats expérimentaux a permis de vérifier certains choix faits pour les lois physiques du modèle macroscopique. Néanmoins, la validation reste très globale puisqu’on ne dispose pas de mesures locales. La validation quantitative sur les données expérimentales a montré que le modèle fournit des résultats satisfaisants. Le modèle est capable de prédire la vitesse de progression du renoyage dans le cœur, la production du vapeur (instantanée et cumulée) et le pic de pression pour différents diamètres de particules et différents débits d’injection testés. / The TMI-2 accident and recently Fukushima accident demonstrated that the nuclear safety philosophy has to cover accident sequences involving massive core melt in order to develop reliable mitigation strategies for both, existing and advanced reactors. Although severe accidents are low likelihood and might be caused only by multiple failures, accident management is implemented for controlling their course and mitigating their consequences. In case of severe accident, the fuel rods may be severely damaged and oxidized. Finally, they collapse and form a debris bed on core support plate. Removal of decay heat from a damaged core is a challenging issue because of the difficulty for water to penetrate inside a porous medium. The reflooding (injection of water into core) may be applied only if the availability of safety injection is recovered during accident. If the injection becomes available only in the late phase of accident, water will enter a core configuration that will differ from original rodbundle geometry and will resemble to the severe damaged core observed in TMI-2. The higher temperatures and smaller hydraulic diameters in a porous medium make the coolability more difficult than for intact fuel rods under typical loss of coolant accident conditions. The modeling of this kind of hydraulic and heat transfer is a one of key objectives of this. At IRSN, part of the studies is realized using an European thermo-hydraulic computer code for severe accident analysis ICARE-CATHARE. The objective of this thesis is to develop a 3D reflood model (implemented into ICARE-CATHARE) that is able to treat different configurations of degraded core in a case of severe accident. The proposed model is characterized by treating of non-equilibrium thermal between the solid, liquid and gas phase. It includes also two momentum balance equations. The model is based on a previouslydeveloped model but is improved in order to take into account intense boiling regimes (in particular nucleate boiling). Moreover, the criteria characterizing the transition between different flow regimes were completed. Currently, the French IRSN sets up two experimental facilities, PEARL and PRELUDE. The aim is to predict the consequences of the reflooding of a severely damaged reactor core where a large part of the core has collapsed and formed a debris bed e.g. particles with characteristic length-scale: 1 to 5mm. This means the prediction of debris coolability, front propagation and steam production during the quenching after the water injection. A series of experiments performed in 2010-2012 at the PRELUDE facility has provided a large amount of new data that are summarized. On the basis of those experimental results, the thermal hydraulic features of the quench front have been analyzed and the intensity of heat transfer regimes is estimated. A three-equation model for the twophase flow in a heat-generating porous medium was validated. The quantitative validation of model with experimental results was realized and showed that the model provides satisfactory results. The model is able to predict the quench front velocity in the core, steam production (instantaneous and cumulated) as well as the pressure increase during reflood for different particle diameters and different injection liquid flows.

L’histoire géologique récente de Mars reste peu étudiée, comparativement à l’histoire « primitive » de Mars (>3,5 Ga). Cependant, l’arrivée de nouvelles images haute résolution a permis d’identifier la présence de ravines à la surface de terrains très récents. Dans ce travail, nous nous sommes attaché à caractériser la morphologie des ravines et les processus qui les ont générés. Ces nouvelles observations relancent la question de la présence d’eau liquide actuellement à la surface de Mars que ce soit à l’état pur ou sous forme de mélange (saumure, coulée de débris...). Des simulations expérimentales en chambre froide à la pression atmosphérique de Mars et de la Terre ont été menées. Elles ont notamment permis de quantifier le rôle de la teneur en eau dans la couche active du pergélisol sur le mécanisme de formation des ravines et leur mobilité. Nous avons également décrit l’évolution saisonnière de petits réseaux ramifiés qui se sont développés chaque année au printemps durant la période 2007-2012. / The recent geological history of Mars remains poorly studied, in comparison to theearly history of Mars (>3,5 Ga). However, the acquisition of new high-resolution imagesallowed to identified the presence of gullies on the surface of recent landforms such asdunes. In this work, we focused on characterizing the morphology of gullies and theirprocess(es) of formation. These new observations revive the issue of the presence of liquid water present on the surface of Mars than either pure or as a mixture (brine, debris flow ...). Experimental simulations in a cold room at Martian and terrestrial atmospheric pressure have been conducted. In particular, they allowed us to quantify the role of water content in the active layer of the permafrost in order to better constrain the mechanism of formation of gullies and their motion. We also described the seasonal evolution of small branched networks developed at spring during the 2007-2012 period.

Afin de mieux estimer la survivabilité des débris spatiaux lorsqu’ils retombent sur Terre (masse finale et surface meurtrie), la base de données matériaux du code DEBRISK du CNES nécessite d’être alimentée en propriétés dans le domaine des hautes températures (oxydation et émissivité principalement). Ainsi, cette thèse a été réalisée au laboratoire PROMES-CNRS sur l’étude expérimentale de l’oxydation dans des conditions de rentrée atmosphérique (plasma d’air, haute température et basse pression) de quatre alliages métalliques les plus difficiles à détruire (Invar 36, TA6V, 316L et 304L). L’émissivité totale directionnelle a également été mesurée à haute température et l’émissivité totale hémisphérique a été calculée pour ces quatrematériaux, sur des surfaces non oxydées, sous vide secondaire, mais aussi, pré-oxydées sous plasma d’air et oxydées in situ sous air standard. Les résultats ont montré pour l’ensemble des matériaux, que l’oxydation à haute température sous environnement d’oxygène atomique, était peu significative vis-à-vis des faibles gains ou pertes de masse obtenus (dépendant de l’alliage) par rapport aux masses initiales. Par contre, l’oxydation crée une forte modification de la surface – composition et morphologie – ce qui entraine une importante augmentation d’un facteur 3 voire 4 (dépendant de l’alliage) de l’émissivité totale des matériaux oxydés par rapport à celle des échantillons vierges, cette augmentation pouvant fortement retarder le processus de fusion pendant une trajectoire et par conséquent le calcul de la masse finale et de la surface meurtrie. De plus, il a été observé que l’émissivité des oxydes formés sous plasma d’air était généralement 10% supérieure à celles des oxydes formés sous air standard, d’où l’intérêt de mesurer l’émissivité sur des surfaces préalablement oxydées sous plasma d’air, caractéristique des conditions de rentrée atmosphérique des débris spatiaux. Finalement, il apparait plus judicieux d’implémenter dans les codes de rentrée atmosphérique, l’influence de l’oxydation sous plasma d’air sur l’émissivité plutôt que les cinétiques d’oxydation obtenues. / To better assess the survivability of space debris when they fall at ground (final mass and casualty area), the DEBRISK tool from CNES needs to feed its material database with properties at high temperatures (oxidation and emissivity mainly). Thus, this thesis was conducted at the PROMES-CNRS laboratory on the experimental study of oxidation in atmospheric re-entry conditions (air plasma, high temperature and low pressure) for four metallic alloys which are the most difficult to destroy (Invar 36, TA6V, 316L and 304L).The total directional emissivity was measured at high temperature for all the materials and the totalhemispherical emissivity calculated, on non-oxidized samples, in high vacuum, but also, on pre-oxidized samples under air plasma and on in situ oxidized ones in standard air. The experimental results have shown for all the materials that the oxidation at high temperature under air plasma was not significant, due to the obtaining of small mass gains or losses (depending of the alloy) compared to the initial masses. However, oxidation creates a huge modification of the surface – composition and morphology – that leads to a significant increase of the total emissivity of oxidized materials compared to the one of virgin samples by a factor 3 or even 4 (depending on the alloy) that can strongly delay the melting process during a trajectory andconsequently the calculation of the final mass and the casualty area. Moreover, it was observed that the emissivity of oxides formed under air plasma was generally 10% higher than those formed in air standard, hence the interest to perform emissivity measurements on pre-oxidized samples under air plasma conditions, representative of the atmospheric re-entry conditions of space debris. Finally, it would be more judicious to implement in the atmospheric reentry tools, the influence of the oxidation under air plasma on the emissivity rather than the kinetics of oxidation obtained.

Les risques liés aux débris spatiaux sont à présent considérés comme critiques par les gouvernements et les agences spa-tiales internationales. Durant la dernière décennie les agences spatiales ont développé des logiciels pour simuler la rentrée atmosphérique des satellites et des stations orbitales afin de déterminer les risques et possibles dommages au sol. Néan-moins les outils actuels fournissent des résultats déterministes alors que les modèles employés utilisent des valeurs de paramètres qui sont mal connues. De plus les résultats obtenus dépendent fortement des hypothèses qui sont faites. Une solution pour obtenir des résultats pertinents et exploitables est de prendre en considération les incertitudes que l’on a sur les différents paramètres de la modélisation afin d’effectuer des analyses de type Monte-Carlo. Mais une telle étude est particulièrement gourmande en temps de calcul à cause du grand espace des paramètres à explorer (ce qui nécessite des centaines de milliers de simulations numériques). Dans le cadre de ces travaux de thèse nous proposons un nouveau logiciel de simulation numérique de rentrée atmosphérique de satellite, permettant de façon native de prendre en consi-dération les incertitudes sur les différents paramètres de modélisations pour effectuer des analyses statistiques. Afin de maitriser les temps de calculs cet outil tire avantage de la méthode de Taguchi pour réduire le nombre de paramètres à étudier et aussi des accélérateurs de calculs de type Graphics Processing Units (GPUs) et Intel Xeon Phi. / The risk of space debris is now perceived as primordial by government and international space agencies. Since the last decade, international space agencies have developed tools to simulate the re-entry of satellites and orbital stations in order to assess casualty risk on the ground. Nevertheless , all current tools provide deterministic solutions, though models include various parameters that are not well known. Therefore, the provided results are strongly dependent on the as-sumptions made. One solution to obtain relevant and exploitable results is to include uncertainties around those parame-ters in order to perform Monte-Carlo analysis. But such a study is very time consuming due to the large parameter space to explore (that necessitate hundreds of thousands simulations). As part of this thesis work we propose a new satellite atmospheric reentry simulation to perform statistical analysis. To master computing time this tool takes advantage of Taguchi method to restrain the amount of parameter to study and also takes advantage of computing accelerators like Graphic Processing Units (GPUs) and Intel Xeon Phi.

L'histoire géologique récente de Mars reste peu étudiée, comparativement à l'histoire " primitive " de Mars (>3,5 Ga). Cependant, l'arrivée de nouvelles images haute résolution a permis d'identifier la présence de ravines à la surface de terrains très récents. Dans ce travail, nous nous sommes attaché à caractériser la morphologie des ravines et les processus qui les ont générés. Ces nouvelles observations relancent la question de la présence d'eau liquide actuellement à la surface de Mars que ce soit à l'état pur ou sous forme de mélange (saumure, coulée de débris...). Des simulations expérimentales en chambre froide à la pression atmosphérique de Mars et de la Terre ont été menées. Elles ont notamment permis de quantifier le rôle de la teneur en eau dans la couche active du pergélisol sur le mécanisme de formation des ravines et leur mobilité. Nous avons également décrit l'évolution saisonnière de petits réseaux ramifiés qui se sont développés chaque année au printemps durant la période 2007-2012.

La modification des attributs forestiers et des composantes structurales tel les débris ligneux grossiers lors des activités de récolte forestière peut entraîner la disparition des espèces qui leur sont associées. En effet, une part importante de la biodiversité des écosystèmes boréaux est associée aux débris ligneux grossiers (arthropodes, champignons, bactéries, micro-mammifères et végétaux). De par leur grande sensibilité aux modifications environnementales (ensoleillement, température de l'air, nombre de débris ligneux grossiers), les bryophytes sont de bons indicateurs de ces changements. On désigne épixylique une bryophyte dont le substrat de prédilection est le bois en décomposition. Celles-ci peuvent donc être utilisées pour évaluer la disponibilité et la qualité des débris ligneux grossiers. Trois niveaux de perturbation (reflétant un gradient d'impact des activités forestières) sont utilisés pour observer la réponse des épixyliques : un témoin non perturbé, une coupe adaptée avec maintien du couvert (CAMC) et une coupe totale. L'objectif de cette étude est de voir si la coupe avec maintien du couvert pourrait maintenir une riche communauté d'épixyliques. Cette technique de récolte pourrait atténuer les changements environnementaux, notamment la destruction des débris ligneux grossiers. Les hypothèses sont : 1) les caractéristiques des débris ligneux grossiers sont corrélées avec le gradient de sévérité des traitements; 2) l'ouverture de la canopée et la température ambiante au niveau du débris ligneux grossiers sont plus élevées après la récolte et corrélées avec le gradient; 3) ces changements entrainent des différences dans la communauté des bryophytes le long du gradient. Au total, 225 débris ligneux grossiers distribués dans 45 parcelles permanentes (appartenant au dispositif du RECPA) ont été sondés pour évaluer leurs caractéristiques ainsi que pour procéder à l'inventaire des bryophytes. Les résultats de la sélection de modèles montrent que le traitement n'affecte pas directement la richesse des épixyliques, mais plutôt agit sur trois facteurs qui en retour affectent la richesse des épixyliques : l'ouverture de la canopée, le diamètre moyen et la classe de décomposition. Les habitats peu ouverts présentant de gros débris ligneux grossiers bien décomposés ont ainsi montré une richesse spécifique supérieure. Le fait que la majorité des épixyliques furent retrouvées plus communément au sol que sur les débris ligneux grossiers était inattendu. Les conclusions de cette étude démontrent que la coupe adaptée avec maintien du couvert offre le microclimat et une disponibilité de débris ligneux grossiers de qualité plus propice à la colonisation par les épixyliques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Bryophytes épixyliques, débris ligneux grossiers, épinette noire, paludification, aménagement écosystémique