Ce travail de thèse est consacré à l’étude des déformations d’interfaces liquides par l’action d’une onde laser continue. Nous démontrons que la diffusion élastique d'une onde laser dans un milieu turbide induit une force diffusive en volume qui donne naissance à des écoulements permanents au sein du fluide. Les contraintes visqueuses associées à ces écoulements, à l’approche d’une interface liquide molle, peuvent engendrer la déformation de celle-ci jusqu’à la déstabiliser et former un jet. Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale de ce nouveau couplage lumière-fluide complétée par des simulations numériques. Nous présentons également une étude des déformations et instabilité d'interfaces par la pression de radiation optique, due au contraste d’indice de réfraction entre les deux phases liquides en coexistence, dans des milieux transparents. Nous avons enfin analysé la combinaison de ces deux couplages dans les milieux turbides, force diffusive et pression de radiation participant différemment à la déformation d’interfaces liquides. Pour ce faire, nous avons eu recours à différents systèmes fluides turbides et transparents, ayant pour particularité principale de présenter une tension interfaciale extrêmement faible. / This thesis work is dedicated to liquid interface deformations from a continuous laser wave. We demonstrate that elastic scattering of the incident wave in turbid medium induces a scattering force density giving birth to permanent bulk flows in the fluid. Near a soft interface, viscous stresses associated to these flows can deform the interface up to instability and produce a liquid jet. In this manuscript, we report an experimental study dedicated to this new light-fluid coupling in combination with numerical simulations. We also study interface deformations and instability induced by radiation pressure, due to refractive index contrast between the two liquid phases in coexistence, in transparent fluids. We finally analyzed the combination of both couplings in turbid media, scattering force and radiation pressure which differently operate for the interface deformation. To do this, we used different turbid and transparent fluids systems, which have the main particularity to present very low interfacial tension.

This thesis provides insights to what is peculiar about a solar sail attitude and orbit control system and provides the assessment, in the form of a feasibility study, of the effectiveness of sail tip vanes as a control hardware to escape the Earth sphere of influence. The demonstrator aims to prove the technology for the Sunshade project, a constellation of solar sails located at the Lagrangian point L1 to obscure part of the solar radiation directed towards earth. Solar sailing poses a few fundamental challenges to spaceflight and it is a yet-to-be-proven branch of space engineering. Other tentative design exist but there is no standard to follow or off-the-shelf component that can be straightforward used. Moreover the scalability to the final project has to be accounted for in every step of the project.</p><p>The project is divided in a preliminary dimensioning, followed by a Simulink® based simulation which tests preliminary decisions. The simulation, performed on an orbit on the ecliptic plane, integrates models of Earth’s eclipse and environmental disturbance torques.  The escape time for a 100 m solar sail is found to be 1215 days, with a nonlinear PD control algorithm and sail tip vanes as the only control hardware. Attention is also posed on the consequence of a simplified sail film deformation in terms of centre of pressure to centre of mass off-set. / I detta examensarbete studeras vad som är speciellt med solsegels system för attityd- och bankontroll och ger en bedömning, i form av en möjlighetsstudie, av effektiviteten hos flöjlar som sätts på seglets hörn som kontrollhårdvara för att lämna jordens inflytelsesfär. Demonstratorn syftar till att bevisa tekniken för Sunshade-projektet, en konstellation av solsegel belägen vid lagrangepunkten L1 för att skugga en del av solstrålningen riktad mot jorden. Solsegling innebär några grundläggande utmaningar för rymdfärden och det är en ännu inte bevisad gren av rymdteknik. Annan preliminär design finns, men det finns ingen standard att följa eller standardkomponenter som enkelt kan användas. Dessutom måste skalbarheten till det slutliga projektet redovisas i varje steg i projektet.Projektet är uppdelat i en preliminär dimensionering, följt av en Simulink-baserad simulering som testar preliminära beslut. Simuleringen, utförd på en omloppsbana påekliptikan, integrerar modeller av jordens skugga och störningar av vridmoment från ett antal källor.Flykttiden för ett 100m solsegel blir 1215 dagar, med en icke-linjär PD kontrollalgoritm och segelhörnsflöjlar som den enda styrhårdvaran. Dessutom studeras förskjutningen av tryckcentrum i förhållande till masscentrum under en förenklad modell av segeldeformation.

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Ces travaux sont consacrés à l'étude de la déformation d'interfaces liquides planes par la pression de radiation acoustique. Deux configurations expérimentales sont étudiées, selon que la vitesse du son du liquide d'où vient l'onde est plus grande ou plus petite que la vitesse du son de la seconde phase liquide. Ces travaux de recherche fondamentale ont pour objectif de comprendre les différentes formes complexes observées : jets, déformations en forme de doigts, tétines. Cela est rendu possible par le développement d'un modèle de couplage entre la propagation de l'onde et la déformation de l'interface. Ce modèle est notamment utile pour la compréhension et la caractérisation de colonnes liquides à la fois créées et stabilisées par la pression de radiation acoustique. Pour chacune des études, un parallèle est fait entre les déformations d'interfaces par un faisceau ultrasonore focalisé et par un faisceau laser continu. / Acoustic radiation pressure allows us to remotely create and manipulate liquid objets. Using a highly focused transducer, which emitted field is studied, we can create large aspect ratio and complex liquid interface deformations. This fundamental research aims at understanding these various objects. For this purpose, we developed a theoretical model taking into account the coupling between the wave propagation and the deformation of the interface. This model allows us to predict the characteristics of liquid columns both formed and stabilized by the acoustic radiation pressure. A study of acoustic liquid jets is performed as well. Moreover, we characterize finger-shaped andpacifier-shaped objects as piles of acoustic waveguides. The acoustic wave creates a liquidobject self-adapted to its propagation. For each of these studies, we compare deformationsobtained via the acoustic radiation pressure and the electromagnetic radiation pressurefrom a continuous laser beam.

Multiple gravity assist (MGA) spacecraft trajectories can be difficult to find, an intractable problem to solve completely. However, these trajectories have enormous benefits for missions to challenging destinations such as outer planets and primitive bodies. Techniques are presented to aid in solving this problem with a global search tool and additional investigation into one particular proximity operations option is discussed. Explore is a global grid-search MGA trajectory pathsolving tool. An efficient sequential tree search eliminates v∞ discontinuities and prunes trajectories. Performance indices may be applied to further prune the search, with multiple objectives handled by allowing these indices to change between trajectory segments and by pruning with a Pareto-optimality ranking. The MGA search is extended to include deep space maneuvers (DSM), v∞ leveraging transfers (VILT) and low-thrust (LT) transfers. In addition, rendezvous or nπ sequences can patch the transfers together, enabling automatic augmentation of the MGA sequence. Details of VILT segments and nπ sequences are presented: A boundaryvalue problem (BVP) VILT formulation using a one-dimensional root-solve enables inclusion of an efficient class of maneuvers with runtime comparable to solving ballistic transfers. Importantly, the BVP VILT also allows the calculation of velocity-aligned apsidal maneuvers (VAM), including inter-body transfers and orbit insertion maneuvers. A method for automated inclusion of nπ transfers such as resonant returns and back-flip trajectories is introduced: a BVP is posed on the v∞ sphere and solved with one or more nπ transfers – which may additionally fulfill specified science objectives. The nπ sequence BVP is implemented within the broader search, combining nπ and other transfers in the same trajectory. To aid proximity operations around small bodies, analytical methods are used to investigate stability regions in the presence of significant solar radiation pressure (SRP) and body oblateness perturbations. The interactions of these perturbations allow for heliotropic orbits, a stable family of low-altitude orbits investigated in detail. A novel constrained double-averaging technique analytically determines inclined heliotropic orbits. This type of knowledge is uniquely valuable for small body missions where SRP and irregular body shape are very important and where target selection is often a part of the mission design.

Les ondes gravitationnelles sont des solutions aux équations gourvenant la dynamique de la gravitation prédite en 1918 à partir de la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. Elles représentent la propagation d'une oscillation de l'espace-temps induisant d'infimes variations de distance sur leur passage entre des masses libres. Depuis deux décennies, un réseau d'interféromètres de Michelson kilométriques a été développé et mis en opération à travers le monde afin de prouver l'existence des ondes gravitationnelles en détectant leur passage sur Terre. Leur signature est recherchée dans un canal de détection étalonné, obtenu à partir des mesures fournies par le détecteur et reconstruisant le signal absolu d'une onde gravitationnelle le traversant. La vérification de la procédure est nécessaire pour déceler d'éventuelles erreurs systématiques d'étalonnage biaisant l'exploitation du canal par les analyses des données. Depuis plusieurs années, une nouvelle technique d'étalonnage est développée à cette fin dans les différents interféromètres du réseau et repose sur la pression de radiation d'un laser modulé en puissance afin d'induire un déplacement étalonné de l'un de ses miroirs. Le dispositif, appelé étalonneur laser, permet de reproduire le passage d'une onde gravitationnelle connue et d'en vérifier la reconstruction dans le canal de détection. Le travail de cette thèse a concerné la mise en \oe uvre de cette technique pour l'interféromètre franco-italien Virgo afin de vérifier la reconstruction de son signal d'onde gravitationnelle. Le principe de fonctionnement de l'étalonneur laser installé sur le site est d'abord détaillé et son étalonnage est ensuite décrit avec les campagnes de mesures réalisées. Enfin, les vérifications faites durant les deux périodes de prises de données de Virgo qui se sont déroulées entre 2010 et 2011 seront présentées. Les résultats ont permis de valider la reconstruction du signal d'onde gravitationnelle de Virgo et ses incertitudes confirmant leur impact négligeable sur l'analyse des données. / Gravitational waves are solutions to equations governing the dynamics of gravitation predicted from Einstein's theory of General Relativity in 1918. Gravitational waves describe ripples of space-time producing weak variations of distance between free masses along their propagation. Over the past two decades, an international array of ground-based, kilometer-scale Michelson interferometers has been developed to detect gravitational waves going through Earth and is now in operation. The gravitational wave signature is sought in a calibrated stream obtained from detector output measurements and giving the absolute signal of a gravitational waves going through it. A check of the procedure is required to avoid potential systematic calibration errors leading to an incorrect data stream and bias in its use by data analysis. Since severals years, a new calibration technique is developed for that purpose for each network's interferometer and uses the radiation pressure of a power-modulated laser to induce calibrated displacements of their mirrors. The associated setup, called Photon Calibrator, allows to mimic a gravitational waves passing the detector in order to verify its reconstruction in the detection channel. The scope of this thesis is the implementation of this technique for the French-Italian interferometer Virgo to check its gravitational wave signal reconstruction procedure. The operating principle of the setup installed is first described and its calibration is then detailed with measurement campaigns performed. Finally verifications performed for the two Virgo Science runs performed between 2010 and 2011 are presented. The conclusion of this study allowed to the validate the Virgo gravitational wave signal reconstruction with its uncertainties and has confirmed their negligeable impact on data analysis.

Le contexte de ce travail repose sur l'étude des instabilités de combustion au sein des moteurs-fusées à propergols liquides. Cette étude se concentre sur les effets des champs acoustiques transverses de haute amplitude sur l'injection coaxiale en conditions non-réactives. La réponse acoustique du système d'injection est dépendante des propriétés locales du champ acoustique dans la cavité d'injection. La modification du processus d'atomisation, induit par le champ acoustique, a été analysée dans des configurations simples et multiinjection. Des expériences ont été menées pour des régimes d'atomisation de faibles et hauts nombres de Weber. Trois phénomènes ont été observés: un aplatissement du jet, une amélioration du processus d'atomisation et la déviation du système liquide. La combinaison de ces trois phénomènes en configuration multi-injection résulte en un phénomène de regroupement de gouttes. En présence de combustion, un tel regroupement pourraitmener à un dégagement de chaleur non-uniforme susceptible de déclencher ou d'entretenir des instabilités de combustion. Un modèle théorique basé sur les équations d'acoustique non-linéaire a été développé pour donner les expressions générales de pression de radiation et de forces de radiations résultantes appliqué aux objets sphériques et cylindriques en champ stationnaire ou progressif. Le modèle a été utilisé pour interpréter et quantifier les observations expérimentales en configurations liquide/gaz, trans-critique/super-critique et gaz/gaz, et a permis de montrer que le nombre de Helmholtz qui caractérise le champ acoustique, et le rapport de densité qui caractérise les deux milieux, sont deux paramètres cruciaux. Les principales conclusions montrent que le phénomène observé peut être interprété comme résultant de l'acoustique non-linéaire, dont le paramètre clé étant le ratio de densité. Cela exige que la couche séparant les deux milieux, vue comme une interface, ne doive pas être réduite uniquement à une interface liquide/gaz. / The context of this work relies to high frequency combustion instabilities in Liquid Rocket Engines (LRE). The present research focuses on the effects of high amplitude transverse acoustic fields on non-reactive coaxial injection. The acoustic response of injection domes is found to be dependent on the local properties of the acoustic field in the injection cavity. The modification of the atomization process, induced by the acoustic field, has been analyzed in single and multi-injection configurations. Experiments were performed from low to high Weber number atomization regimes. Three phenomena are observed: jet flattening, improvement of the atomization process and deviation. The combination of these phenomena in multi-injection configurations leads to a droplet clustering phenomenon. In the presence of combustion, such a clustering could lead to non-uniform heat release rate which can trigger or sustain combustion instabilities. A theoretical model based on non-linear acoustics has been developed, providing general expressions of radiation pressure and resulting radiation force, for spherical and cylindrical objects in standing and progressive wave field. The model has been successfully used to interpret and quantify experimental observations in liquid/gas, trans-critical/super-critical and gas/gas configurations and showed that the Helmholtz number α characterizing the acoustic field and the density ratio η characterizing the two media are two parameters of importance. The major conclusions are that the observed phenomena can be interpreted as resulting from non-linear acoustics, the key feature being the density ratio. It is claimed that the layer separating the two media, seen as an interface, does not need to be restricted only to a liquid/gas interface.

Les méthodes d'imagerie et de vélocimétrie ultrasonores ont prouvé leur efficacité pour étudier des matériaux divers. À haute intensité, il est connu que les ultrasons exercent des forces stationnaires dans les fluides newtoniens, par le biais d'effets non linéaires comme la pression de radiation acoustique. Néanmoins, ces effets n'ont encore jamais été exploités d'un point de vue fondamental dans le contexte de la physique des matériaux mous. L'objet de cette thèse est d'exploiter l'interaction d'ultrasons de puissance avec des matériaux bloqués afin de sonder activement, voire d'influencer leurs propriétés mécaniques. Nous proposons tout d'abord une méthode de microrhéologie active : la « mésorhéologie acoustique ». En analysant le mouvement d'un intrus sous l'effet de la pression de radiation acoustique, nous caractérisons localement la rhéologie du matériau étudié. Nous mettons cette technique en œuvre avec un fluide à seuil simple : un microgel de carbopol. Nous exploitons les résultats obtenus à la lumière d'une caractérisation rhéologique poussée du comportement de ce matériau en dessous de son seuil d'écoulement et proposons diverses pistes d'amélioration du dispositif.Ensuite, nous décrivons la mise en écoulement d'un empilement granulaire immergé par des ultrasons intenses focalisés et comparons les observations aux résultats de simulations de dynamique moléculaire. La transition de fluidification observée car l'injection d'énergie y est discontinue. Elle est intermittente et hystérétique, propriétés reproduites par des simulations numériques et dont un modèle phénoménologique simple permet de rendre compte.Enfin, en remplaçant le plan d'un rhéomètre classique par un transducteur ultrasonore, nous mesurons l'effet de vibrations à haute fréquence sur les propriétés mécaniques d'un gel colloïdal fragile de noir de carbone. Nous observons un effet significatif et potentiellement irréversible des ultrasons sur le module élastique et sur la mise en écoulement de ce système. Les vibrations semblent favoriser le glissement du gel aux parois mais il semble toutefois qu'elles induisent également des changements en volume dans l'échantillon. / Ultrasonic imaging and velocimetry has been proved to be very efficient methods to study various materials. At high intensity, ultrasonic waves are known to exert steady forces in newtonian fluid through nonlinear effects like the acoustic radiation pressure. However those effects have never been used in fundamental studies of the physics of soft materials. This thesis aims at exploiting the interaction between high intensity ultrasound and soft jammed materials to probe actively and even modify their mechanical properties.We first introduce an alternative technique for active microrheology we called « acoustic mesorheology ». By analyzing the motion of an intruder under the acoustic radiation pressure we characterize locally the rheology of the system under study. We test this technique on a simple yield stress fluid, namely a carbopol microgel. We compare the results with those obtained by standard rheology measurements of the behaviour of this gel under its yield stress.Then we describe the fluidization of an immersed granular packing by high intensity focused ultrasound. We compare our observations with the results of molecular dynamics simulations. The obtained fluidization is original as the injection of energy is discontinuous in time. It is hysteretic and intermittent and those properties are well captures by both simulations and a phenomenological model.Finally, we replace the plane of a standard cone-plate rheometer by an ultrasonic transducer. This allows us to characterize the effect of high frequency vibrations on the rheology of a fragile carbon black gel. We observe a significant and eventually irreversible effect of ultrasound on the elastic modulus and on the yielding of the system. Vibrations are shown to favor wall slip but seem to induce changes in the volume of the sample though.

L'existence des ondes gravitationnelles (OG) est l'une des prédictions les plus intéressantes de la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. La découverte expérimentale des OG serait donc un test important de la théorie elle-même et permettra d'ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation en particulier dans les régions de l'Univers inaccessible à l'observation électromagnétique. Les détecteurs interférométriques, comme Virgo, sont les dispositifs les plus prometteurs pour la détection d’OG. Actuellement, leur sensibilité n'est pas encore suffisante pour avoir un taux d'observation de quelques événements/an. Un intense programme expérimental pour l’améliorer est en cours. Particulièrement, les prochaines générations de détecteurs d'OG, aux basses fréquences, seront limitées par l'effet de la pression de radiation (PR) sur les miroirs suspendus. Ce phénomène, pas encore observé expérimentalement, est l'objet d'un champ de recherche très actif. Mon travail ici présenté vise à la construction d'un détecteur pour l'étude des effets quantiques de la PR dans les détecteurs d’OG: QuRaG. Il sera constitué d'un interféromètre de Michelson suspendu dont chaque bras sera une cavité Fabry-Pérot de très haute finesse, dans laquelle seulement le miroir de fond sera suspendu et sensible au bruit quantique de la PR. Durant ma thèse j'ai participé activement au R&D de tous les sous-systèmes de QuRaG. Par conséquent, le travail que j'ai fait porte sur divers aspects du projet dont les problématiques appartiennent à différents domaines de la physique. Mon travail présenté ici démontre que QuRaG sera réalisable et qu’il observera le bruit de la PR dans la bande de fréquences attendue. / The existence of gravitational waves (GW) is one of the most interesting predictions of the theory of general relativity of Einstein. The experimental discovery of GW would be an important test of the theory itself. In addition, the detection of GW will open a new window of observation especially in those regions of the Universe inaccessible to electromagnetic observations. Interferometers, as Virgo are the most promising devices for the detection of GW. Currently, the sensitivity of these detectors is not yet sufficient to have a detection rate of few events/year. Therefore, an intense experimental program to improve the sensitivity is underway. Specifically, the sensitivity of the next generations of GW detectors, at low frequencies, will be limited by the effect of the radiation pressure (RP) on the suspended mirrors. This phenomenon not yet observed experimentally in the ground based GW detectors band, is currently the subject of a very active research field. My work presented here aims at building a detector for studying quantum effects of RP in GW detectors: the QuRaG experiment. It will consist of a suspended Michelson interferometer where each arm will be a high finesse Fabry-Pérot cavity, in which only the end mirror will be further suspended and then sensitive to the RP noise. During my PhD I have actively participated to the R&D of all QuRaG subsystems. Therefore, the work that I have done deals with various aspects of the project whose related problems belong to different domains of physics. My work described in this manuscript demonstrates that QuRaG is realizable and that it will be able to observe the RP noise in the expected frequency range.