Avec le développement des réfrigérateurs cryogéniques mécaniques et des capteurs de plus en plus sensibles, l’emploi d’un volant thermique (Energy Storage Unit ou ESU) doit permettre de stopper temporairement le cryoréfrigérateur et de fonctionner en l’absence de vibration. L'utilisation d'un ESU limite également la nécessité de surdimensionner le système cryogénique pour absorber les éventuelles surcharges thermiques transitoires; ce qui est particulièrement utile pour les applications spatiales. Dans tous les cas, la dérive en température doit rester limitée pour garantir la bonne performance du détecteur. Dans cette thèse, des ESUs basés sur la chaleur latente associée au changement de phase liquide-vapeur ont été étudiés. Afin de limiter la dérive en température, tout en maintenant un volume réduit pour la cellule à basse température, une solution possible consiste à séparer l'ESU en deux volumes: une cellule à basse température reliée au doigt froid du cryoréfrigérateur à travers un interrupteur thermique et un volume d'expansion à la température ambiante permettant de réduire l’augmentation de température liée à l'évaporation du liquide. Pour diminuer encore la dérive en température, une nouvelle amélioration a été testée avec de l'azote: elle consiste en la mise en place d'une vanne commandée entre les deux volumes permettant de contrôler la pression de la cellule froide (remplie d’azote liquide-vapeur). De plus, un matériau poreux a été introduit à l'intérieur de la cellule pour rendre l'ESU indépendant de la gravité et donc approprié aux applications spatiales. Dans ce cas, les expériences révèlent des résultats inattendus concernant le stockage d'énergie et la différence de température entre le liquide et les parois. Pour caractériser l'influence des milieux poreux sur les transferts thermiques d’un volant thermique liquide-vapeur chauffé, une cellule dédiée avec des parois latérales non conductrices a été construite et testée avec de l'hélium diphasique liquide-vapeur. Après caractérisation complète de cette cellule en dehors des conditions de saturation (conduction, convection), des expériences ont été effectuées avec ou sans milieu poreux, en chauffant la cellule en haut ou en bas de la cellule et pour différents flux de chaleur et températures de saturation. En parallèle, un modèle décrivant la réponse thermique d'une cellule contenant liquide et vapeur avec un milieu poreux chauffée en haut (contre la gravité) a été mis en œuvre. L'ensemble des données a ensuite été utilisé comme référence pour ce modèle qui repose sur un équilibre de trois forces: la force de capillarité, la force de gravité et la perte de pression induite par l'écoulement du liquide. / With the development of mechanical coolers and very sensible cryogenic sensors, it could be interesting to use Energy Storage Units (ESU) and turn off the cryocooler to operate in a free micro vibration environment. An ESU would also avoid cryogenic systems oversized to attenuate temperature fluctuations due to thermal load variations which is useful particularly for space applications. In both cases, the temperature drift must remain limited to keep good detector performances. In this thesis, ESUs based on the high latent heat associated to liquid-vapor phase change to store energy have been studied. To limit temperature drifts while keeping small size cell at low temperature, a potential solution consists in splitting the ESU in two volumes: a low temperature cell coupled to a cryocooler cold finger through a thermal heat switch and an expansion volume at room temperature to reduce the temperature increase occurring during liquid evaporation. To obtain a vanishing temperature drift, a new improvement has been tested using two-phase nitrogen: a controlled valve was inserted between the two volumes in order to control the cold cell pressure. In addition, a porous material was used inside the cell to turn the ESU gravity independent and suitable for space applications. In this case, experiments reveal not fully understood results concerning both energy storage and liquid-wall temperature difference. To capture the thermal influence of the porous media, a dedicated cell with poorly conductive lateral wall was built and operated with two-phase helium. After its characterization outside the saturation conditions (conduction, convection), experiments were performed, with and without porous media, heating at the top or the bottom of the cell with various heat fluxes and for different saturation temperatures. In parallel, a model describing the thermal response for a cell containing liquid and vapor with a porous media heated at the top (“against gravity”) was developed. The experimental data were then used as a benchmark for this model based on a balance of three forces: capillarity force, gravity force and pressure drop induced by the liquid flow. / O desenvolvimento de criorrefrigeradores e de sensores cada vez mais sensíveis, tornainteressante usar unidades de armazenamento de energia (Energy Storage Unit-ESU) e desligaro criorrefrigerador para funcionar num ambiente sem vibrações. Em particular para asaplicações espaciais, seria também útil, utilizar um ESU para evitar sistemas criogénicossobredimensionados para atenuar as flutuações de temperaturas devidas às variações de cargatérmica. Em ambos os casos, a deriva de temperatura deve manter-se limitada para manter obom desempenho dos detectores.Nesta tese, ESUs utilizando o calor latente associado à mudança líquido-vapor comoreservatório de energia foram estudados. A fim de limitar a deriva de temperatura, enquanto semantém de tamanho reduzido a célula a baixa temperatura, uma solução possível consiste emdividir o ESU em dois volumes: uma célula a baixa temperatura acoplada ao dedo frio docriorrefrigerador mediante um interruptor térmico conectado a um volume de expansão àtemperatura ambiente para reduzir o aumento de temperatura que ocorre durante a evaporaçãodo líquido. Para diminuir ainda mais a deriva de temperatura, foi testado uma nova ideia queconsiste na introdução de uma válvula entre os dois volumes a fim de controlar a pressão nacélula. Para tornar o ESU independente da gravidade e assim adaptado às aplicações espaciais,os efeitos da capilaridade foram utilizados usando um material poroso na célula. Neste caso, asexperiências revelam resultados inesperados referentes ao armazenamento de energia e àdiferença de temperatura entre o líquido e as paredes.Para descrever as modificações térmicas devidas ao meio poroso, uma célula comparedes laterais pouco condutoras foi construída e testada com hélio. Após uma caracterizaçãocompleta fora das condições de saturação (condução, convecção), esta célula foi utilizada paraexperiências com e sem meio poroso, aquecida na parte superior ou na parte inferior comdiferentes fluxos de calor e para várias temperaturas de saturação. Em paralelo, um modelo quedescreve a resposta térmica de uma célula contendo líquido e gás num meio poroso aquecido naparte superior (“contra a gravidade”) foi desenvolvido. Os resultados obtidos foram utilizadoscomo referência ao modelo que se baseia no equilíbrio de três forças: a força de capilaridade, aforça da gravidade e perda de carga induzida pelo escoamento do líquido.

Les travaux présentés dans ce mémoire traitent de la synthèse d'algorithmes de diagnostic de défauts simples et multiples. L'objectif vise à proposer une stratégie de diagnostic à minimum de redondance analytique en exploitant au mieux les informations de redondance matérielle éventuellement disponibles sur le système. Les développements proposés s'inscrivent dans une démarche de coopération et d'agrégation des méthodes de diagnostic et la construction optimale d'un diagnostic global en fonction des diagnostiqueurs locaux. Les travaux réalisés se veulent génériques dans le sens où ils mêlent à la fois les concepts et outils de deux communautés : ceux de la communauté FDI (Fault Detection and Isolation) et ceux de la communauté DX (Diagnosis) dont les bases méthodologiques sont issues des domaines informatiques et intelligence artificielle. Ainsi, le problème de détection (ainsi que le problème de localisation lorsque les contraintes structurelles le permettent) est résolu à l'aide des outils de la communauté FDI tandis que le problème de localisation est résolu à l'aide des concepts de la communauté DX, offrant ainsi une démarche méthodologique agrégée. La démarche méthodologique se décline en deux étapes principales. La première phase consiste en la construction d'une matrice de signatures mutuellement exclusive. Ainsi, le problème du nombre minimal de relations de redondance analytique (RRA), nécessaires pour établir un diagnostic sans ambiguïté, est abordé. Ce problème est formalisé comme un problème d'optimisation sous contraintes qui est efficacement résolu à l'aide d'un algorithme génétique. La deuxième étape concerne la génération des diagnostics. Ainsi, pour une situation observée, identifier les conflits revient à définir les RRAs non satisfaites par l'observation. Les diagnostics sont obtenus à l'aide d'un algorithme basé sur le concept de formules sous forme MNF (Maximal Normal Form). L'intérêt majeur dans cette approche est sa capacité à traiter le diagnostic des défauts simples et multiples ainsi que le diagnostic des plusieurs modes de fautes (i.e., le diagnostic des différents types de défauts) associés à chaque composant du système surveillé. De plus, il existe des preuves d'optimalité tant au niveau local (preuve de robustesse/sensibilité) qu'au niveau global (preuve de diagnostics minimaux). La méthodologie proposée est appliquée à la mission spatiale Mars Sample Return (MSR). Cette mission, entreprise conjointement entre l'administration nationale de l'aéronautique et de l'espace (NASA) et l'agence spatiale européenne (ESA), vise à ramener des échantillons martiens sur Terre pour des analyses. La phase critique de cette mission est la phase rendez-vous entre le conteneur d'échantillons et l'orbiteur. Les travaux de recherche traitent le problème de diagnostic des défauts capteurs présents sur la chaîne de mesure de l'orbiteur pendant la phase de rendez-vous de la mission. Les résultats, obtenus à l'aide du simulateur haute fidélité de Thalès Alenia Space, montrent la faisabilité et l'efficacité de la méthode. / The work presented in this thesis deals with the synthesis of algorithms for the diagnosis of simple and multiple faults. The main objective which is pursued is to design a fault diagnosis scheme by merging a minimum number of analytic redundancy with the available hardware redundancy. The main contribution of the proposed technique concerns the general architecture of the proposed diagnosis method. The originality of the research work is the combination of ideas and tools originated from two research communities : the FDI (Fault Detection and Isolation) community and the DX (Diagnosis) community whose foundations are derived from Computer Science and Artificial Intelligence fields. Hence, the fault detection problem (as well as the isolation task when structural constraints allow it) is solved by means of FDI techniques while the fault isolation problem is solved through the DX approaches, thus resulting in an aggregated methodology. The proposed method is divided in two steps. The first step deals with the construction of a mutually exclusive signature matrix. Hence, the problem of the minimal number of analytic redundancy relations (ARR), necessary for generating a diagnosis without any ambiguity, is treated. This problem is formalised as an optimized problem under constraints which is efficiently solved by means of a genetic algorithm. The second step concerns the generation of diagnoses. Thus, for an observed situation, the identification of conflicts results in the determination of the non satisfied ARRs for the given observation. The diagnoses are obtained by means an algorithm based on the concept of MNF (Maximal Normal Form) formulas. The main interest of this approach is its capacity to deal with the diagnosis of simple and multiple faults as well as the diagnosis of multi-modes faults (i.e., multiple types of faults) associated to each component of the system. Furthermore, it exists proofs on optimality both at a local level (proof of robustness/sensitivity) and at a global level (proof of minimal diagnoses). The proposed method is applied to the Mars Sample Return (MSR) mission. This spacecraft mission, undertaken jointly by the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the European Space Agency (ESA), aims at returning tangible samples from Mars atmosphere and ground to Earth for analysis. The critical phase of the mission is the rendezvous phase between the sample container vehicle and the orbiter spacecraft. The research work aims at realising sensor fault diagnosis on the orbiter during the rendezvous phase of the mission. Simulation results from the MSR high fidelity simulator, provided by Thalès Alenia Space, demonstrate the feasibility and the efficiency of the proposed approach.