Chaque année, d'innombrables collisions se produisent entre des avions en vol et des oiseaux. L'impact aviaire, menace redoutée par les pilotes, concerne tant l'aviation civile que son pendant militaire. Les statistiques démontrent que, même si fort heureusement le nombre d'accidents graves reste limité, les incidents sont de plus en plus nombreux. Parmi les acteurs qui luttent contre ce danger, les constructeurs d'avions jouent un rôle prépondérant. Contraints par des réglementations internationales, ils s'attachent à produire des éléments de structure qui résistent à l'impact d'oiseaux. Dans la mise au point de leur produits, les avionneurs démontrent cette résistance à l'aide d'essais d'impact : on accélère un simulant d'oiseau jusqu'à la vitesse voulue -- de l'ordre de la vitesse de croisière nominale de l'avion -- et on le projette sur un aileron ou un morceau de fuselage. La présente thèse doctorale, co-dirigée par les professeurs Philippe Bouillard de l'ULB et Marc Pirlot de l'ERM, contribue doublement à l'amélioration de ces techniques d'essais dynamiques. D'une part, elle réalise la mise au point et la validation d'un lanceur pyrotechnique à double étage pour l'accélération du simulant d'oiseau. Un canon de calibre 20 mm est combiné avec un accélérateur de calibre 160 mm. La combustion d'un mélange de poudre propulsive contenu dans une douille adaptée génère les gaz à haute température et à haute pression nécessaires à l'accélération d'un simulant d'oiseau dûment confiné dans un conteneur de protection. Un dispositif de séparation arrête le conteneur afin que seul le simulant d'oiseau percute l'élément d'avion à l'essai. La solution pyrotechnique à double étage mise au point est validée par de nombreux tirs instrumentés en vitesse, en accélération et en pression ; elle se révèle conforme aux exigences de sécurité et de reproductibilité. Le lanceur pyrotechnique présente par rapport aux solutions pneumatiques, utilisées à notre connaissance dans tous les autres centres d'essais, des avantages indéniables de compacité ainsi que de rapidité et de souplesse de mise en oeuvre. D'autre part, la migration des alliages métalliques vers les matériaux composites est amorcée depuis plusieurs années déjà dans le monde de la construction aéronautique. Pour optimiser les structures, une connaissance des caractéristiques de ces matériaux est indispensable. Les modes de rupture font partie des caractéristiques encore mal connues. La mesure du déplacement hors-plan lors du tir sur panneaux plans est une des manières de quantifier le comportement du matériau sous l'action d'un impact. Cette mesure s'opère généralement de manière statique, après le tir. Une méthode de mesure dynamique a été mise au point, basée sur l'emploi de techniques de stéréoscopie par corrélation numérique d'images. Cette technique a été validée au moyen d'une méthode métrologique indépendante d'extensométrie laser. ABSTRACT Countless collisions occur each year between airplanes and birds. Bird strike is a concern to both civilian and militay aircraft. Statistics show that, although the number of serious accidents fortunately remains low, the number of incidents keeps increasing. Amongst the actors tackling this issue, aircraft manufacturers play an important role. In compliance with international regulations, they have to produce structural elements that withstand bird impact. During the development of their products, aircraft manufacturers have to demonstrate this resistance through bird impact trials : a bird surrogate is accelerated to the required velocity - often close to the nominal cruise speed of the aircraft - and launched onto a flap or a piece of fuselage. This PhD thesis has been co-supervised by Professor Philippe Bouillard (ULB) and Professor Marc Pirlot (ERM-KMS). Its contribution to the improvement of the aforementioned dynamic trials is twofold. One one hand, a two-stage pyrotechnical launcher for bird surrogates has been developed and assessed. A 20 mm caliber gun is connected to a 160 mm diameter launcher. The combustion of a propellant mixture in a cartridge case generates high pressure, high temperature gases which accelerate a bird surrogate protected by a cylindrical container. A stripper refrains the container from hitting the target pane. The pyrotechnical solution has been assessed through an important number of firings where pressure, velocity and acceleration have been measured. The solution has proven compliance with both the safety requirements and the repeatability specifications. Its advantages compared to the pneumatic solutions used, as far as we know, in all other test centres, include compactedness as well as flexibility and high firing rate. On the other hand, migration towards composite materials has been initiated years ago in the area of aeronautical constructions. To optimize structures, a thorough knowledge of these new materials is required. Failure modes belong to the still badly known features of carbon reinforced plastics. Measuring the out-of-plane deformation when firing on a flat pane is one way of quantifying the material's behaviour under impact. This measurement is most frequently made in a static way, after completion of the firing. A dynamic measuring method has been developed, based upon stereoscopic digital image correlation techniques. This technique has been validated by means of an independent laser extensometer measuring method.

Récemment, les industries aérospatiale et automobile sont de plus en plus intéressées par les tests virtuels, car ils accélèrent le processus de conception et ils réduisent les coûts. C’est particulièrement vrai dans le cas des industries spatiales où les maquettes sont très coûteuses car les fusées sont uniques ou produites en nombre limité. Ariane 5 (et 6 dans l'avenir) est un lanceur qui est fabriqué par CNES et Airbus DS. Pendant le lancement, la coiffe est détachée par des charges pyrotechniques quand la fusée est à une hauteur suffisante (généralement au-dessus de 100 km). Les vibrations générées par les explosions se propagent dans les coques de la fusée jusqu'à la charge utile qui peut être endommagé. Le test au sol età pleine échelle HSS3+ a été effectué par CNES et Airbus DS pour enquêter sur cette éventualité. Cette thèse développe un logiciel capable de simuler le test HSS3+ pour caractériser les efforts produits par les charges pyrotechniques et pour réduire dans l'avenir le nombre de tests réels nécessaires. La tâche est difficile car la bande de fréquence considérée est très large (jusqu'à moyenne fréquence), les efforts des explosions sont inconnus, la géométrie est complexe et la maquette est composé des coques composites et sandwich. Le logiciel appelé Transient Analysis for PYROtechnic Shocks in Shells (TAPYROSS) est basée sur la Théorie variationnelle des Rayons Complexes (TVRC) qui est une méthode de Trefftz spécifiquement développé pour analyser la moyenne fréquence. De nombreuses améliorations de la théorie et des performances ont été introduits pour étudier ce cas réel de complexité industriel. Le dernier chapitre est dédié aux comparaisons entre les données réelles et les simulations pour valider TAPYROSS et caractériser les efforts des explosions. / Recently, aerospace and automotive industries are increasingly interested in virtual testing since it speeds-up the design process and reduces costs. This is particularly true in case of space industries where specimens are very costly because rockets are unique or produced in limited number. Ariane 5 (and 6 in the future) is a heavy lift launch rocket manufactured by CNES and Airbus DS. During launch the protective fairing is severed from the rocket by pyrotechnic charges once sufficient altitude is reached (typically above 100 km). Shock vibrations propagate throughout rocket shell structure to the payload which can be damaged. The HSS3+ ground full-scale test was developed by CNES and Airbus DS to investigate such eventuality. This thesis develops a software capable of simulating the HSS3+ test to characterize explosion loads and to reduce the number of future required real tests. The task is difficult since the interesting frequency band is wide (up to mid-frequency), the explosion loads are unknown, the geometry is complex, and the specimen is composed of sandwich composite shells. The software called Transient Analysis for PYROtechnic Shocks in Shells (TAPYROSS) is based on the Variational Theory of Complex Rays (VTCR) which is a Trefftz method specifically developed to analyze the mid-frequency band. Many theory and performance improvements are introduced to address this real industrial test case. At the end, comparisons between real data and simulations validate TAPYROSS and characterize explosion loads.

Chaque année, d'innombrables collisions se produisent entre des avions en vol et des oiseaux. L'impact aviaire, menace redoutée par les pilotes, concerne tant l'aviation civile que son pendant militaire. Les statistiques démontrent que, même si fort heureusement le nombre d'accidents graves reste limité, les incidents sont de plus en plus nombreux.<p>Parmi les acteurs qui luttent contre ce danger, les constructeurs d'avions jouent un rôle prépondérant. Contraints par des réglementations internationales, ils s'attachent à produire des éléments de structure qui résistent à l'impact d'oiseaux.<p>Dans la mise au point de leur produits, les avionneurs démontrent cette résistance à l'aide d'essais d'impact :on accélère un simulant d'oiseau jusqu'à la vitesse voulue -- de l'ordre de la vitesse de croisière nominale de l'avion -- et on le projette sur un aileron ou un morceau de fuselage. <p><p>La présente thèse doctorale, co-dirigée par les professeurs Philippe Bouillard de l'ULB et Marc Pirlot de l'ERM, contribue doublement à l'amélioration de ces techniques d'essais dynamiques.<p><p><p>D'une part, elle réalise la mise au point et la validation d'un lanceur pyrotechnique à double étage pour l'accélération du simulant d'oiseau. Un canon de calibre 20 mm est combiné avec un accélérateur de calibre 160 mm. La combustion d'un mélange de poudre propulsive contenu dans une douille adaptée génère les gaz à haute température et à haute pression nécessaires à l'accélération d'un simulant d'oiseau dûment confiné dans un conteneur de protection. Un dispositif de séparation arrête le conteneur afin que seul le simulant d'oiseau percute l'élément d'avion à l'essai. La solution pyrotechnique à double étage mise au point est validée par de nombreux tirs instrumentés en vitesse, en accélération et en pression ;elle se révèle conforme aux exigences de sécurité et de reproductibilité. Le lanceur pyrotechnique présente par rapport aux solutions pneumatiques, utilisées à notre connaissance dans tous les autres centres d'essais, des avantages indéniables de compacité ainsi que de rapidité et de souplesse de mise en oeuvre.<p><p><p>D'autre part, la migration des alliages métalliques vers les matériaux composites est amorcée depuis plusieurs années déjà dans le monde de la construction aéronautique. Pour optimiser les structures, une connaissance des caractéristiques de ces matériaux est indispensable. Les modes de rupture font partie des caractéristiques encore mal connues. La mesure du déplacement hors-plan lors du tir sur panneaux plans est une des manières de quantifier le comportement du matériau sous l'action d'un impact. Cette mesure s'opère généralement de manière statique, après le tir. Une méthode de mesure dynamique a été mise au point, basée sur l'emploi de techniques de stéréoscopie par corrélation numérique d'images. Cette technique a été validée au moyen d'une méthode métrologique indépendante d'extensométrie laser. <p><p><p>ABSTRACT<p><p>Countless collisions occur each year between airplanes and birds. Bird strike is a concern to both civilian and militay aircraft. Statistics show that, although the number of serious accidents fortunately remains low, the number of incidents keeps increasing.<p>Amongst the actors tackling this issue, aircraft manufacturers play an important role. In compliance with international regulations, they have to produce structural elements that withstand bird impact. During the development of their products, aircraft manufacturers have to demonstrate this resistance through bird impact trials :a bird surrogate is accelerated to the required velocity - often close to the nominal cruise speed of the aircraft - and launched onto a flap or a piece of fuselage.<p><p>This PhD thesis has been co-supervised by Professor Philippe Bouillard (ULB) and Professor Marc Pirlot (ERM-KMS). Its contribution to the improvement of the aforementioned dynamic trials is twofold.<p><p><p>One one hand, a two-stage pyrotechnical launcher for bird surrogates has been developed and assessed. A 20 mm caliber gun is connected to a 160 mm diameter launcher. The combustion of a propellant mixture in a cartridge case generates high pressure, high temperature gases which accelerate a bird surrogate protected by a cylindrical container. A stripper refrains the container from hitting the target pane. <p>The pyrotechnical solution has been assessed through an important number of firings where pressure, velocity and acceleration have been measured. The solution has proven compliance with both the safety requirements and the repeatability specifications. Its advantages compared to the pneumatic solutions used, as far as we know, in all other test centres, include compactedness as well as flexibility and high firing rate.<p><p><p>On the other hand, migration towards composite materials has been initiated years ago in the area of aeronautical constructions.<p>To optimize structures, a thorough knowledge of these new materials is required. Failure modes belong to the still badly known features of carbon reinforced plastics. Measuring the out-of-plane deformation when firing on a flat pane is one way of quantifying the material's behaviour under impact. This measurement is most frequently made in a static way, after completion of the firing. A dynamic measuring method has been developed, based upon stereoscopic digital image correlation techniques. This technique has been validated by means of an independent laser extensometer measuring method. <p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La technique de reconstruction de forme par lumière structurée (ou projection de motifs) permet d’acquérir la topographie d’une surface objet avec une précision et un échantillonnage de points dense, de manière strictement non invasive. Pour ces raisons, elle fait depuis plusieurs années l’objet d’un fort intérêt. Les travaux présentés ici ont pour objectif d’adapter cette technique aux conditions sévères des expériences de physique des chocs : aspect monocoup, grande brièveté des phénomènes, diversité des échelles d’observation (de quelques millimètres au décimètre). Pour répondre à ces exigences, nous proposons de réaliser un dispositif autour d’un système d’imagerie rapide par éclairage laser nanoseconde, présentant des performances éprouvées et bien adaptées. La première partie des travaux s’intéresse à analyser les phénomènes prépondérants pour la qualité des images. Nous montrons quels sont les contributeurs principaux à la dégradation des signaux, et une technique efficace de lissage du speckle par fibrage est présentée. La deuxième partie donne une formulation projective de la reconstruction de forme ; celle-ci est rigoureuse, ne nécessitant pas de travailler dans l’approximation de faible perspective, ou de contraindre la géométrie de l’instrument. Un protocole d’étalonnage étendant la technique DLT (Direct Linear Transformation) aux systèmes à lumière structurée est proposé. Le modèle permet aussi, pour une expérience donnée, de prédire les performances de l’instrument par l’évaluation a priori des incertitudes de reconstruction. Nous montrons comment elles dépendent des paramètres du positionnement des sous-ensembles et de la forme-même de l’objet. Une démarche d’optimisation de la configuration de l’instrument pour une reconstruction donnée est introduite. La profondeur de champ limitant le champ objet minimal observable, la troisième partie propose de l’étendre par codage pupillaire : une démarche de conception originale est exposée. L’optimisation des composants est réalisée par algorithme génétique, sur la base de critères et de métriques définis dans l’espace de Fourier. Afin d’illustrer les performances de cette approche, un masque binaire annulaire a été conçu, réalisé et testé expérimentalement. Il corrige des défauts de mise au point très significatifs (Ψ≥±40 radians) sans impératif de filtrage de l’image. Nous montrons aussi que ce procédé donne accès à des composants tolérant des défauts de mise au point extrêmes (Ψ≈±100 radians , après filtrage). La dernière partie présente une validation expérimentale de l’instrument dans différents régimes, et à différentes échelles. Il a notamment été mis en œuvre sur l’installation LULI2000, où il a permis de mesurer dynamiquement la déformation et la fragmentation d’un matériau à base de carbone (champs millimétriques). Nous présentons également les mesures obtenues sous sollicitation pyrotechnique sur un revêtement de cuivre cylindrique de dimensions décimétriques. L’apparition et la croissance rapide de déformations radiales submillimétriques est mesurée à la surface du revêtement. / A Structured Light System (SLS) is an efficient means to measure a surface topography, as it features both high accuracy and dense spatial sampling in a strict non-invasive way. For these reasons, it became in the past years a technique of reference. The aim of the PhD is to bring this technique to the field of shock physics. Experiments involving shocks are indeed very specific: they only allow single-shot acquisition of extremely short phenomena occurring under a large range of spatial extensions (from a few mm to decimeters). In order to address these difficulties, we have envisioned the use of a well-known high-speed technique: pulsed laser illumination. The first part of the work deals with the evaluation of the key-parameters that have to be taken into account if one wants to get sharp acquisitions. The extensive study demonstrates that speckle effect and depth of field limitation are of particular importance. In this part, we provide an effective way to smooth speckle in nanosecond regime, leaving 14% of residual contrast. Second part introduces an original projective formulation for object-points reconstruction. This geometric approach is rigorous; it doesn’t involve any weak-perspective assumptions or geometric constraints (like camera-projector crossing of optical axis in object space). From this formulation, a calibration procedure is derived; we demonstrate that calibrating any structured-light system can be done by extending the Direct Linear Transformation (DLT) photogrammetric approach to SLS. Finally, we demonstrate that reconstruction uncertainties can be derived from the proposed model in an a priori manner; the accuracy of the reconstruction depends both on the configuration of the instrument and on the object shape itself. We finally introduce a procedure for optimizing the configuration of the instrument in order to lower the uncertainties for a given object. Since depth of field puts a limitation on the lowest measurable field extension, the third part focuses on extending it through pupil coding. We present an original way of designing phase components, based on criteria and metrics defined in Fourier space. The design of a binary annular phase mask is exhibited theoretically and experimentally. This one tolerates a defocus as high as Ψ≥±40 radians, without the need for image processing. We also demonstrate that masks designed with our method can restore extremely high defoci (Ψ≈±100 radians) after processing, hence extending depth of focus by amounts unseen yet. Finally, the fourth part exhibits experimental measurements obtained with the setup in different high-speed regimes and for different scales. It was embedded on LULI2000 high energy laser facility, and allowed measurements of the deformation and dynamic fragmentation of a sample of carbon. Finally, sub-millimetric deformations measured in ultra-high speed regime, on a cylinder of copper under pyrotechnic solicitation are presented.