When entering a planet’s atmosphere, spacecraft induce a strong compression shock and must be protected from the resulting extreme heat flux by a thermal protection system made of either reusable or ablative materials. To characterise these materials, the harsh flow conditions of atmospheric entry are reproduced in plasma wind tunnels, where a jet of gas heated up to ionisation is directed at material samples for prolonged testing. Unfortunately, heated jets exhibit complex dynamic behaviours, resulting in oscillations that increase the uncertainties in the experiments.At sufficient Reynolds numbers, the dynamic behaviour of heated jets shifts from an amplifier to a self-sustained oscillator type via a Hopf bifurcation, if the centreline-to-ambient density ratio falls below a given threshold. This change is known in the literature to be related to the onset of absolute instabilities in the flow. However, this type of instability is usually studied for a simplified description of the gas, which is not suitable for the case of a plasma wind tunnel.This doctoral work investigates the nature of the instabilities responsible for the oscillations observed in a plasma jet, similar to the one in the VKI Plasmatron facility. The analysis is carried out by comparing results from different numerical methods, including linear stability analyses (both local and global) and direct numerical simulations. The thesis first describes the effect of high-temperature gas models on the stability of synthetic jets found in the literature, before analysing the case of Plasmatron.The analysis of synthetic jets with real-gas effects shows that the onset of the first dissociation reactions in the flow has a strong influence on the prevailing type of instability. Furthermore, if a sufficiently long region of absolute instability is present in the jet, the flow bifurcates to a periodic limit cycle, and steady state solutions become inadequate to describe the flow and its dynamic behaviour. In this case, a stability analysis of the time-averaged state can accurately reproduce the results of direct numerical simulations. In the case of Plasmatron, a large region of absolute instability is revealed in the plasma jet, suggesting that the observed oscillations are caused (in part) by a global non-linear mode and that the flow has entered a limit cycle. Trends of the absolute instability frequency with respect to the driving parameters of Plasmatron are in agreement with experimental observations.The present work confirms that global stability features of heated jet flows are very sensitive to subtle changes of the undisturbed or time-averaged state, which results from technological constraints in the case of Plasmatron. Furthermore, this thesis has shown the relevance of including high-temperature gas effects in the stability analysis of high-enthalpy jets. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Dans le cadre du projet d’avion plus électrique entamé depuis quelques années, l’objectif visé est le remplacement des énergies hydraulique et pneumatique par l’énergie électrique. Cette transition technologique drastique nécessite une augmentation de puissance électrique à bord des avions, qui se traduit par une élévation des niveaux de tension du réseau embarqué (+/- 270 VDC et 230 VAC). Dans ces conditions, les phénomènes de décharges électriques doivent être considérés, en particulier pour les systèmes présents dans les zones non pressurisées des appareils. Les travaux de thèse ont porté sur l’étude des décharges partielles dans des connecteurs aéronautiques aujourd’hui exploités et susceptibles d’être mis en oeuvre dans les nouvelles conditions de tension. Une modélisation électrostatique du connecteur a été effectuée dans le but de mettre en évidence les zones où règne un fort champ électrique pouvant être à l’origine de l’apparition de décharges partielles. L’influence de paramètres, tels que la géométrie des conducteurs, la pression et la température, a été examinée d’un point de vue théorique par adaptation de la courbe de Paschen. Des mesures expérimentales, effectuées dans différentes conditions d’alimentation électrique, de pression, de température et d’état de vieillissement des connecteurs, ont permis de déterminer les tensions seuil d’apparition des décharges partielles. Ces mesures ont également permis de localiser les décharges au sein du connecteur, et ainsi d’identifier les points faibles de la structure. Des solutions visant à repousser les seuils d’apparition de décharges partielles sont alors proposées. / The objective of the more electrical aircraft project is the replacement certain of the hydraulic and pneumatic systems by electrical ones. This drastic technological transition will require the increase of the onboard electrical power, which will result in the increase of voltage levels of the embedded networks. Current systems of 28 VDC and 115 VAC (400 Hz) are to be replaced by +/- 270 VDC and 230 VAC (360 to 1000 Hz). These new conditions of voltage levels will have a significant impact on the appearance of partial discharges that were almost absent up until present. Aeronautical grade electrical connectors being one of the major elements of embedded networks, the aim of this thesis is to study the conditions of occurrence of partial discharges in them. In this work, electrostatic modeling is carried out in order to identify the zones within the connectors where there is a strong electric field facilitating the appearance of partial discharges. Also presented are the results of experiments under both DC and AC voltage in which the ignition voltages of partial discharges and their location within the structure of the connector were studied.

Cette thèse se propose d’étudier les rapports science-industrie à partir de l’intégration d’un laboratoire de mécanique et technologie (le LMT-Cachan) dans les processus industriels, et notamment, dans l’industrie aéronautique. Les recherches menées au sein du LMT-Cachan partent de défis industriels pour introduirede nouvelles formes d’intégration science-industrie, rompant ainsi le modèle linéaire de « découverte scientifique-industrialisation ». Sur la base d’un travail ethnographique, nous avons conduit des entretiens avec les membres du laboratoire et leurs interlocuteurs industriels du secteur aéronautique. Nous avons aussi participéà des réunions de projets collaboratifs et nous avons notamment séjourné au laboratoire pendant un an. Notre travail commence avec la question de l’histoire du laboratoire au sein de l’ENS de Paris-Saclay (ENSPS). Depuis sa création, cette institution a été principalement une école de formation de professeurs des matièrestechniques. Ainsi, le développement de la recherche en mécanique sous l’impulsion de Jean Lemaître et de Pierre Ladevèze a marqué un nouveau tournant pour l’ENSPS. Ensuite nous abordons les coopérations entre les entreprises et le laboratoire pour rendre compte de dynamiques qui vont de l’exploration des nouveaux procédés et méthodes d’analyse des matériaux à leur exploitation industrielle. Le travail de recherche du LMT Cachan dans le contexte d’une industrie très régulée occupe une place centrale dans cette thèse. Nous nous interrogeons aussi sur le rôle du laboratoire dans le processus de certification des structures aéronautiques fabriquées à partir d’un matériau appelé composite. Il s’agit d’un type de matériau très important pour l’industrie (à cause des avantages qu’il présente par rapport à d’autres matériaux notamment les métaux) et pour le laboratoire. Le concours d’intérêts industriels et de recherche permettent d’avancer vers la création d’une zone de coopération entre les deux mondes. Finalement, nous avons observé que le développement de l’informatique a permis de « déchiffrer » ces matériaux, mais a aussi transformé la mécanique en tant que discipline. La maitrise des méthodes de la mécanique numérique a donné lieu à la constitution d’une sorte de culture, avec son langage, ses méthodes et ses objets. Cette culture de la mécanique numérique se distingue aussi par l’émergence d’un nouveau type de mécanicien, le metteur-en-code. / Based on the integration of a Laboratory of Mechanics and Technology (LMT-Cachan) in the industrial process, this thesis studies the science-industry relations on the field of computational mechanics oriented to the aeronautical applications. LMT-Cachan research projects find their roots in industrial challenges. Such projects introduce new forms of science-industry integration, breaking the linear model of "scientific discovery-industrialization". Through an ethnographical approach, we conducted semi-structured interviews with the members of the laboratory and their industrial partners in the aeronautical sector. We also observed collaborative project meetings and stayed in the laboratory for an entirely academic year. Our work begins with the question about the history of the laboratory within the ENS de Cachan. Since its foundation, the ENS of Cachan has mainly been a training school for teachers of technical subjects. Thus, the introduction of research in engineering sciences by Jean Lemaître and Pierre Ladevèze marked a new direction for this institution. Then we study the cooperation between companies and the laboratory to better understand the dynamics of the exploration of new engineering methods and their industrial exploitation. Scientific work in the context of a highlyregulated industry is a central aspect of this Thesis. We also wonder about the impact of the laboratory in the certification process of aeronautical structures made of a material called composite. It is a very important material for the industry (because of its mechanical proprieties compared with other materials, especially metals) and for the laboratory. The concurrence of industrial and research interests enable the creation of a zone of cooperation between the two worlds. Finally, we have observed that the development of computer science hasfacilitated the knowledge production about these materials but has also transformed mechanics as a discipline. The mastery of computational mechanics gave rise to a sort of culture, with its own language and objects. This culture of computational mechanics is also characterized by the emergence of a new type of agent, thecode-maker. This social actor presents the particularity of master both informatics and engineering sciences.

L’avion de combat Rafale est l’aboutissement du programme d’armement le plus important jamais engagé par l’armée de l’air puisqu’il sera, à terme, l’unique avion de chasse en service dans les armées françaises. Par conséquent, il structurera les forces aériennes françaises au moins jusqu’en 2040. Le programme Rafale conjugue des enjeux opérationnels, politiques, industriels et financiers majeurs et constitue à ce titre la quintessence d’un programme d’armement majeur. Cette caractéristique fondamentale nécessite d’adopter une approche transverse afin d’appréhender le plus largement possible les différents enjeux relatifs à sa conduite. Le programme Rafale connaît une trajectoire singulière. Après une première phase de définition s’effectuant dans le cadre d’une coopération européenne, le besoin opérationnel est finalement revu et affiné dans un cadre uniquement national. Cette phase de maturation débouche sur le lancement d’un programme conjoint à l’armée de l’air et à la marine nationale dont la réalisation dans les années 1990 se heurte aux ajustements budgétaires post-guerre froide. Suite à sa mise en service opérationnel au milieu des années 2000, le Rafale est employé avec succès dans les opérations en Afghanistan et en Libye auxquelles la France participe. Parallèlement, l’avion français débute sa campagne d’exportation dont les enjeux sont particulièrement importants pour la politique de défense française. Celui-ci connaît une première consécration avec la décision indienne en janvier 2012 d’engager des négociations exclusives en vue d’acquérir le chasseur français. / The Rafale fighter is the outcome of the most ambitious armament program ever engaged by the French Air Force. Projected to be the only fighter serving in the French military in the coming decades, it will shape the French Air Forces until 2040. The Rafale program intertwines military, political, industrial and financial interests at the highest levels of the French government and represents the essence of a French major armament program. This essential feature requires a comprehensive approach in order to meet this broad array of interests. The Rafale program has had a specific trajectory. After an initial definition stage which took place in the context of European cooperation, the operational need was finally reviewed on a national basis. This phase resulted in the official launch of the Rafale program both for the French Air Force and the French Navy. During the 1990s, it faced a severe budget constraint which hampered development and production. Following its initial operating capability in the mid-2000s, the Rafale fighter was successfully employed in operations in Afghanistan and Libya. Simultaneously, the Rafale began its marketing campaign to win international bids. The Rafale realized its first achievement with India’s decision, in January 2012, to purchase the French fighter.

Ce mémoire de maîtrise présente le résultat de travaux de recherche réalisés pour la compagnie Pratt & Whitney Canada, via Stephen Caulfeild [1], en collaboration avec le CRIAQ [2], le département de Génie mécanique de l'Université Laval, via le Dr. Augustin Gakwaya [3] et le RDDC Valcartier, via le Dr. Dennis Nandlall [4]. Le travail concerne la modélisation et simulation du confinement des débris des pales d'un rotor de moteur d'avion dans un caisson constitué d'une structure en aluminium entourée d'un tissé de Kevlar. Pour réaliser ce projet, on a d'abord établi une procédure de simulation avec un modèle simple ayant une structure métallique. Ensuite, en conservant les mêmes paramètres, on a reproduit cette simulation avec la géométrie réelle. Puis, on a effectué de nombreuses simulations pour valider une nouvelle loi de comportement, implantée par Ali Shahkarami de UBC dans LS-DYNA [5]. Cette loi permet de représenter le comportement en déformation des tissés de Kevlar soumis à l'impact. Une fois cette étape complétée, on a alors modifié la structure métallique du modèle simple en une structure métal/composite et on a validé les paramètres à utiliser. Finalement, on a développé une méthodologie pour simuler le confinement des débris des pales d'un rotor de moteur d'avion dans un caisson hybride (i.e. constitué d'une structure d'aluminium entouré d'un tissé de Kevlar). Tout au long du mémoire, les fondements théoriques des logiciels employés et les hypothèses posées sont décrits. De plus, on a effectué des analyses implicites et explicites afin de bien les différentier et de représenter le phénomène de contraintes initiales induites dans les pales lors de leur mise en rotation. Les résultats obtenus montrent qu'en utilisant de façon judicieuse la simulation numérique, on peut assez fidèlement reproduire la physique des problèmes d'impact à très grande vitesse. Ceci comporte alors de nombreux avantages tels qu'une meilleure compréhension du problème et le remplacement de certains tests physiques par des simulations virtuelles réduisant d'autant les coûts des tests. / This master's thesis presents the research work done for Pratt & Whitney Canada, via Stephen Caulfeild [1], in collaboration with the CRIAQ [2], the Mechanical Engineering Department of Laval University, via Dr. Augustin Gakwaya [3] and DRDC Valcartier via Dr. Dennis Nandlall [4]. This thesis presents the results obtained for the following case study: the simulation of a fan blade containment problem with a hybrid aluminum/Kevlar fan case structure. To accomplish this project, a simulation methodology was first established with a simple metallic structure model. Using the same parameters, simulations with the real geometry were conducted. Then, numerical simulations were done with a new material model implemented by Ali Shahkarami from UBC in LS-DYNA [5]. This model was used to capture the deformation response of the Kevlar wrap under impact. After the successful results obtained with this material model, the metallic structure of the simple model was replaced with a new hybrid metal/composite structure and ail the parameters were validated using it. Finally, a methodology was created to simulate the fan blade containment with a hybrid fan case (aluminum structure with a Kevlar wrap). Throughout the thesis, the software theory and the assumptions made are described. Moreover, it is explained how to perform implicit and explicit analysis in order to be able to differentiate them and to assess fan blade prestressing. Prestressing was needed to accurately represent the deformation pattern and constraints induced in the blades by their rotation. The results show that with judicious use of numerical simulation it is possible to realistically simulate high velocity impact problems that capture the physics of the problem and as a results help in the understanding of the problem while saving tremendously experimental time.

L'objectif de réduction de la consommation en kérosène des avions passant par une plus grande efficacité des systèmes, la distribution électrique devient un moyen privilégié pour satisfaire les besoins. Dans ce cadre, la notion d'avion « plus électrique » implique de revoir les systèmes de distribution et d'étudier, notamment, le passage en haute tension continue(HVDC). Une description générale des systèmes embarqués sur les avions civils est donnée dans ce manuscrit ainsi qu'une description des avantages et inconvénients des différents vecteurs énergétiques permettant de mieux situer les gains envisageables lors du passage à l'électrification des systèmes. Cependant, la mise en place de la distribution HVDC peut entraîner de nouveaux problèmes, notamment de qualité et/ou d'instabilité. Afin de palier ces problèmes, une architecture est proposée dans laquelle les équipements sont reliés entre eux par des coeurs de distribution eux-mêmes liés par des organes de transferts de puissances pouvant maîtriser ces transferts: on parle alors de réseau maillé. Pour pouvoir réaliser ces transferts, deux types d'équipements électroniques de puissance sont proposés : le DCPFC (Direct Current Power Flow Controler) et le MAPFC (Mixed function for Actuation and Power Flow Control). Ces équipements imposent une gestion énergétique spécifique: il faut déterminer les modes de fonctionnement des équipements ainsi que les références des puissances à transférer. Pour cela, une modélisation du réseau sous forme de graphe est effectuée, ceci se traduisant par un algorithme générique permettant de déterminer les équations structurelles du réseau ainsi que deux algorithmes servant à contrôler des grandeurs distinctes: Les grandeurs discrètes sont contrôlées par un système expert détenant un ensemble de règles de fonctionnement ; Les grandeurs continues sont gérées par un algorithme de recherche de flot dans un graphe. Après la mise en place en simulation de l'ensemble du réseau maillé, un banc d'essai expérimental valide les principes décrits théoriquement et permet l'étude de différentes gestions énergétiques (tout autant qu'il permet de tester un équipement seul ou le réseau dans une configuration non-maillée). Finalement, une exploitation des concepts sur un réseau répondant aux normes aéronautiques est développée. Ceci posant notamment des problèmes aux niveaux de la conception des équipements mais également sur l'architecture actuelle des réseaux électriques (connexion du neutre des générateurs, protection des personnes, compatibilité électromagnétique, etc.).

Le but est de comprendre le phénomène de givrage. Dans certains cas le dépôt de givre est fortement discontinu et a la forme des queues de homard. Le mécanisme de la formation de ce type de givre est multiphysique. Les études expérimentales menées par la NASA sur des NACA et par l'ONERA sur un cylindre permettent de comprendre de façon microscopique le givre en queue de homard. Ces études ont permis de visualiser, d'analyser et de proposer un modèle microphysique de l'accrétion. Elles ont montré que la géométrie joue un rôle dans ce type de formation car elle affecte les directions de ruissellement. Plusieurs approches microphysiques sont proposées consistant à reproduire d'une façon qualitative la variation du coefficient d'échange à la surface du cylindre recouvert de givre. Ces tests de simulation ont aboutis à des résultats bien que qualitatif, très encourageant pour la suite. En effet, des discontinuités visibles s'apparentent aux queues de homard observées expérimentalement.

L'agrégation d'activités pour l'identification de catégories de comportements est un enjeu majeur de tous les systèmes socio-techniques complexes actuels. La question clé consiste à réaliser une synthèse de façons de faire (ou praxies) intégrant la variabilité des opérateurs humains impliqués. Dans un cadre aéronautique, l'agrégation d'activités de pilotage vise à accélérer la détermination de procédures améliorant la sécurité des vols et l'efficacité des missions ; elle repose sur les données objectives des paramètres enregistrés des phases de vol significatives et se structure grâce à une interprétation experte. Un modèle d’Agrégation Supervisée : - décomposition, - maïeutique, - reconstruction, est ainsi établi dans cette thèse. Le cœur en est la 2e étape qui généralise et enrichit le concept de « moyenne » classique des approches probabilistes : une base d'apprentissage, constituée d'activités déterminées et caractérisées par l'interprétation experte, est utilisée pour identifier les motifs significatifs de paramètres enregistrés, c'est à dire les praxies qui agrègent donc les éléments essentiels des activités. Ceux-ci sont choisis au sein d'un ensemble de motifs paramétrables génériques, dont les divers seuils sont ajustés de manière incrémentale. Les motifs sont alors évalués selon les deux critères intrinsèques de cohérence et de pertinence de leurs seuils, ainsi que le critère extrinsèque de la conformité des résultats obtenus par leur utilisation aux vols de la base d'apprentissage. Peuvent à ce niveau se faire jour des groupements parmi les éléments de la base d'apprentissage, selon les motifs rendant compte des activités particulières. L'expertise doit également être généralisable pour permettre l'étude de plusieurs points-clé dans cette étape maïeutique.Ce modèle générique définit une activité comme une structure formelle de praxies, et ouvre la voie à un enrichissement de la 3e étape intégrant la multiplicité des rôles des opérateurs. / Aggregating activities in order to identify categories of behaviour is a major topic of actual complex socio-technical systems. The key issue lies in incorporating the variability of implied human operators in the synthesis of ways of doing (or praxis). Aggregation of piloting activities is directed to allow a faster and more secure determination of procedures enhancing flight security and mission efficiency; it is based on the objective data of flight parameters recorded during significant flight phases, and is carried under thorough expert interpretation.A Supervised Aggregation model, consisting in the 3 steps of 1) decomposition, 2) maieutics, and 3) reconstruction, is thus devised in the present PhD. At the heart of this aggregation process, the 2nd maieutic step generalizes and enriches the usual concept of ''mean'', deeply related to probabilistic approaches: a set of activities analyzed and characterized by the expert, the learning basis, is related to significant patterns in the lot of recorded flight parameter values, in other words the praxis resulting of the aggregation of the activities. The patterns are selected from a collection of customizable generic patterns, whose thresholds are incrementally adjusted using the learning basis. The obtained patterns are then assessed according to the three criteria of 1) coherence and 2) likelihood of the thresholds, as well as the 3) conformity of these patterns used on the learning basis. At this stage, groups among the studied behaviours might emerge, gathering those for which an activity would be depicted by similar patterns. Expert-knowledge must be generalized in order to perform the joint analysis of several key points in this maieutic step.This generic model defines an activity as a formal structure of praxis, paving the way towards the further developments of the process, through the enrichment of the 3rd step, incorporating the multiplicity of operating roles.