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With the developments in space technology, the capabilities of spacecrafts have been increased considerably which in turn have entailed the development of more efficient spacecrafts in terms of cost, mass, size and power. One way to achieve such a development is the replacement of body mounted appendages with the deployable ones, which greatly reduces the size, mass and cost of the spacecraft especially when large appendages are considered. In order to obtain these deployable structures, deployment mechanisms and deployment mechanism drivers are used. A deployment mechanism is a combination of electrical and/or mechanical structures which hold the appendages in the stowed position before launch and deploys them after the launch with the power and commands supplied by the deployment mechanism driver. This necessary power of the deployment mechanism driver is produced by the Power Stage of the deployment mechanism driver and the necessary commands required by the deployment mechanism are supplied by the Control Stage of the deployment mechanism driver. In this thesis, the power stage of a deployment mechanism driver will be designed and implemented taking into account of the requirements for Low Earth Orbit Satellites such as temperature tolerance, reliability and radiation limits. In order to acquire a cost, mass and size efficient Power Stage, different deployment mechanism topologies will be studied and the most convenient one among these topologies will be chosen as the deployment mechanism driver load and the design will be performed accordingly.

The Alpha Magnetic Spectrometer is an International Space Station Experiment that features a unique nonlinear support system with no previous flight heritage. The experiment consists of multiple straps with piecewise-linear stiffness curves that support a cryogenic magnet in three-dimensional space inside of a vacuum chamber. The stiffness curves for each strap are essentially bilinear and switch between two distinct slopes at a specified displacement. This highly nonlinear support system poses many questions in regards to feasible computational methods of analysis and possible response behavior. This thesis develops a numerical model for a multi-bilinear-spring support system motivated by the Alpha Magnetic Spectrometer design. Methods of analysis applied to the single bilinear oscillator served as the foundation of the model developed in this thesis. The model is developed using MATLAB and proves to be more computationally efficient than ANSYS finite element software. Numerical simulations contained herein demonstrate the variety of response behaviors possible in a multi-bilinear-spring support system, thus aiding future endeavors which may use a support system similar to the Alpha Magnetic Spectrometer. Classic nonlinear responses, such as subharmonic and chaotic, were found to exist.

This thesis describes the design of a board-level testing platform for monitoring and driving a selected set of interfaces used in space applications. The requirements of these devices are based on the corresponding ECSS, IEEE, and TIA standards described in the theoretical part of this thesis. The designed testing device is controlled by the Xilinx Zynq-7000 system-on-chip and is connected to a control PC via an Ethernet connection. The hardware, designed on a schematic level is responsible for meeting the standards' requirements. The software part consists of a Python module for the control PC providing a set of functions to be used in the testing process and a C application for the embedded ARM processor that forwards the data through the AXI interface to the interface drivers in the programmable logic.

The first European commercial research facility aboard the ISS, Space Applications Services' ICF, provides a platform for standardized plug-and-play experiments called ICE Cubes. The ICE Cubes Service provides engineering and operational support for ICE Cubes missions. In order to facilitate rapid and affordable access to space, a programmatic choice was made to mainly use COTS components in Cube design. As part of a company-internal project to develop a generic ICE Cubes platform for biological experiments, a scientific requirements document was drawn up in cooperation with interested scientists. A decision was made to aim for an experiment size of 2U (200x100x100mm). The main scientific requirements are to accommodate six reaction chambers (referred to as "wells") of standardized size; to control the temperature at well level to remain in the nominal interval of (37 +- 1)C; to accommodate a combined volume of 230ml of fluids; to provide capability to image each of the wells; and to allow for freezing of the biological payload to -80C for return to ground. The development of a prototype design for this platform, dubbed BioCube, is the topic of this thesis. Technical requirements were derived, and a functional breakdown was defined. From this, the system was partitioned into five subsystems: Thermal, Imaging/Avionics, Structure, Software, and the biological Payload. The development of the biological system is considered beyond the scope of this thesis, and the development of the software beyond that required for prototyping is left for a later stage in the design process, as significant heritage exists from previous experiments. Using a rapid prototyping approach, a prototype design for this experiment has been developed. The proposed solution utilizes a (205x104x101)mm outer structure, manufactured from aluminium and closed with two lids on the small faces. Inside, the system is split into a 3D printed avionics compartment and a payload compartment, surrounded by an air gap serving as thermal insulation. The payload compartment structure consists of aluminium, closed on one face with a transparent material through which the samples can be imaged, and provides a sealed interface connector for exchange of power and data. Both the outer structure and the payload compartment are sealed at the interfaces using O-ring seals, providing a combined two levels of biosafety containment to the payload. Manual latches on one of the lids of the outer structure allow it to be opened and the payload compartment to be extracted.The system avionics are based on a Raspberry Pi Zero with USB & Ethernet Hub and Motor Control expansion boards. A 5W silicon heating pad attached to the inside of the payload compartment provides heating, and is controlled using a PWM signal from the motor control board.Two cameras arranged in parallel are used to image wells arranged in two rows, reducing the required motion. One axis motion is implemented using a leadscrew mechanism actuated by a DC motor, driven by the motor control board. Prototyping has been performed on nearly every part of the proposed design. The leadscrew assembly has been successfully tested, and tests on a thermal model have successfully demonstrated binary thermal control achieving the nominal temperature range. Some points regarding the design remain to be defined, and more thorough verification and validation of the design remains to be performed. / La première installation de recherche commerciale européenne à bord de l'ISS, l'ICF de Space Applications Services, fournit une plateforme pour des expériences standardisées prêtes à l'emploi appelées ICE Cubes. Le ICE Cubes Service fournit un soutien technique et opérationnel pour les missions ICE Cubes. Afin de faciliter un accès rapide et abordable à l'espace, un choix programmatique a été fait d'utiliser principalement les composants COTS dans la conception des expériences. Dans le cadre d'un projet interne à l'entreprise visant à développer une plateforme ICE Cubes générique pour les expériences biologiques, un document sur les exigences scientifiques a été rédigé en coopération avec les scientifiques intéressés et il a été décidé de viser une taille d'expérience de 2 U (200x100x100 mm). Les principales exigences scientifiques sont les suivantes : accueillir 6 chambres de réaction ("puits") de la taille des puits d'une plaque à 6 puits ; contrôler la température au niveau des puits pour qu'elle reste dans l'intervalle nominal de (37 +- 1)C ; accueillir un volume combiné de 230ml de fluides ; fournir la capacité d'imager chacun des puits; et permettre la congélation de la charge utile biologique à -80\,$^\circ$C pour le retour au sol. Le développement d'un prototype de plate-forme, baptisé BioCube, est le sujet de cette thèse. Les exigences techniques ont été dérivées, et un découpage fonctionnel a été défini. A partir de là, le système a été divisé en cinq sous-systèmes : Thermique, Imagerie/Avionique, Structure, Logiciel, et la charge utile biologique. Le développement du système biologique est considéré comme hors de portée de cette thèse, et le développement du logiciel au-delà de ce qui est nécessaire pour le prototypage est laissé pour une étape ultérieure dans le processus de conception, car il existe un héritage important des expériences précédentes. En utilisant une approche de prototypage rapide, une conception de prototype pour cette expérience a été développée. La solution proposée utilise une structure extérieure de (205x104x101)mm, fabriquée en aluminium et fermée par deux couvercles sur les petites faces. À l'intérieur, le système est divisé en un compartiment avionique imprimé en 3D et un compartiment de charge utile, entourés d'une lame d'air servant d'isolation thermique. Le compartiment de la charge utile est en aluminium, fermé sur une face par un matériau transparent, à travers lequel les échantillons peuvent être imagés, et fournit un connecteur d'interface scellé pour l'échange d'énergie et de données. La structure extérieure et le compartiment de la charge utile sont scellés aux interfaces à l'aide de joints toriques, offrant ainsi deux niveaux combinés de confinement de biosécurité à la charge utile. Des loquets manuels sur l'un des couvercles de la structure extérieure permettent de l'ouvrir et d'extraire le compartiment de la charge utile.L'avionique du système est basée sur un Raspberry Pi Zero avec des cartes d'extension USB & Ethernet Hub et Motor Control.Un coussin chauffant en silicone de 5W fixé à l'intérieur du compartiment de la charge utile, assure le chauffage et est contrôlé par un signal PWM provenant de la carte de contrôle du moteur.Deux caméras disposées en parallèle sont utilisées pour imager les puits disposés sur deux rangées, ce qui réduit le mouvement nécessaire. Le mouvement sur un axe est réalisé à l'aide d'un mécanisme de vis sans fin actionné par un moteur à courant continu, piloté par la carte de commande du moteur. Le prototypage a été effectué sur presque toutes les parties de la conception proposée. L'assemblage de la vis sans fin a été testé avec succès, et les tests sur un modèle thermique ont démontré avec succès que le contrôle thermique binaire atteint la plage de température nominale. Certains points concernant la conception restent à définir, et une vérification et une validation plus approfondies de la conception restent à effectuer.

L'utilisation de filtre mosaïque hyperspectral semble être la solution idéale pour alléger les imageurs spectraux utilisés lors des missions spatiales. Les contraintes liées à ce type d'utilisation imposent l'emploi de filtres interférentiels multicouches. Ces travaux ont pour but de trouver des solutions pour réaliser un filtre mosaïque hyperspectral avec des filtres interférentiels et non avec les résines colorées traditionnellement utilisées. Pour ce faire une étude théorique sur la simplification des designs des empilements interférentiels a été effectuée. Il en ressort que les empilements restent épais, ce qui complique leur structuration. Plusieurs méthodes de structurations ont été étudiées. En particulier le lift-off qui est la technique actuellement utilisé aujourd'hui et le lift-up. Cette dernière présente l'avantage de ne pas mettre en série le risque technologique associé à chaque réalisation de filtre. Un trade-off entre ces deux techniques a été fait ainsi que des réalisations expérimentales. Celles-ci ont ensuite été caractérisées par un banc de mesure développé dans ce but qui a permis de valider expérimentalement la technique utilisée. / Hyperspectral mosaic filter appears to be the perfect solution to lighten the spectral imagers used in space missions. Such applications require the use of multilayer interference filters. This work aims to find solutions to achieve hyperspectral mosaic filter with interference filters rather than the conventionally used coloured resins. In order to achieve this, a theoretical study on the simplification of multilayer designs was performed. It appears that the stacks are thicker, which makes them difficult to pattern. Several methods of patterning were studied, especially the lift-off technique which is traditionally used and the lift-up. The latter has the advantage to avoid adding the technological risk associated with each filter production. A trade-off between these two techniques was done as well as experimental productions. These were then characterized by a bench developed for this purpose which has experimentally validate the technique used.

The objective of this dissertation is to propose the cross-layer spectrum management architecture for white space applications that improves the performance the main functions of the spectrum management. In the proposed cross-layer architecture, white space network devices such as white space devices and the spectrum map server cooperate to support the extended spectrum map, the inter-cell transmit power adaptation (ITPA), and the frequency-domain coexistence beacon (FCB). Upon the cross-layer architecture, firstly, white space devices (WSDs) achieve a faster search and higher accuracy in spectrum sensing with the extended spectrum map, the extended DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), and the FCB. Secondly, WSDs achieve the precise selection of their operating channel in spectrum decision with the extended spectrum map and the ITPA. In spectrum sharing, thirdly, the collaboration- based spectrum sharing with the ITPA achieve more accommodation of WSDs by increasing the number of channels shared between WSDs. Finally, WSDs with the FCB and the extended spectrum achieve effective spectrum mobility by obtaining the occupancy-status of channels precisely.

La démarche actuelle des industries aérospatiales est de diminuer le coût de lancement des engins spatiaux par une réduction de la masse des composants. Dans l’optique de cette démarche, de nouveaux matériaux sont élaborés et permettent de satisfaire aux exigences de densification, de dissipation thermique et de réduction de masse des équipements électroniques embarqués dans les satellites. Cette thèse est une contribution à l’étude de deux de ces matériaux, l’AlSi CE9F et une nuance d’alumine cofrittée à température, destinés à réaliser des boitiers hybrides de protections de composants électroniques, initialement conçus en Kovar. Les objectifs sont d’affiner les connaissances sur propriétés mécaniques des deux matériaux et de mettre en place des règles de conceptions propres à leurs comportements mécaniques. En effet, l’AlSi CE9F et l’alumine ont un comportement à rupture fragile. La détermination de leurs résistances à la rupture est alors réalisée dans le cadre de la théorie de Weibull. Des séries d’essais de flexion quatre points et trois points sont effectués. Elles permettent d’identifier les paramètres de Weibull des deux matériaux à température ambiante et de mettre en évidence les effets de volume. L’étude expérimentale est poursuivie sur l’AlSi CE9F afin de déterminer l’influence de la température sur ses propriétés mécaniques à travers deux approches. La première s’intéresse à une variation monotone de la température et la seconde à des cycles thermiques entre -50 et 125°C. Si la première étude ne montre qu’une faible évolution du module d’élasticité, la seconde démontre que les cycles thermiques contribuent à l’amélioration de la résistance à la rupture de l’AlSi CE9F. Cette augmentation de la contrainte à la rupture se traduit également par une évolution de sa microstructure. Dans un second temps, un modèle de Weibull est numériquement mis en place à partir des paramètres identifiés et du critère de la contrainte équivalente de Freudenthal. Ce critère est analysé et validé à travers l’étude de trois éprouvettes en AlSi CE9F à chargements complexes. Le modèle validé est enfin utilisé pour décrire le comportement mécanique de deux composants dans différentes configurations de sollicitation, réalisés respectivement en alumine HTCC et en AlSi CE9F. Une méthodologie de dimensionnement est alors mise en place et permettra de disposer de nouvelles règles de conception équivalentes à celles existant sur les matériaux classiques. / The aerospace companies currently want to decrease the price of spacecraft launching with a reduction of the mass components. New materials were recently developed to satisfy the rising requirements of thermal dissipation, densification and weight decrease of on-board electronic equipment intended to satellite. This thesis is a contribution to the characterization of two of these innovative materials: AlSi CE9F and a grade of alumina HTCC. These materials are designed to manufacture hybrid boxes for computing chips, originally made in Kovar. The objectives are to improve the mechanical properties knowledge of these materials and to develop a know-how design specific to their mechanical behaviours. Indeed, AlSi CE9F and alumina have brittle fracture behaviour. The strength analysis is also realized in connection with the Weibull theory. The Weibull’s parameters are identified from the four points and three points bending strength and the volume effects are highlighted. The experimental study is completed by the analysis of the temperature influence on the mechanical properties of AlSi CE9F through two approaches. The first one considers a monotonic variation of temperature and shows a minor evolution of the elastic modulus. The second one proves that thermal cycles between -50 and 125°C improve the strength value of AlSi CE9F. This increase is also reflected by an evolution of its microstructure. Secondly, a Weibull’s model is numerically established based on identified parameters and the Freudenthal’s equivalent stress criterion. The Freudenthal’s criterion is analysed and confirmed through the study of complex loading samples made in AlSi CE9F. The confirmed model is finally used to describe the mechanical behaviours of two components respectively made in AlSi CE9F and alumina HTCC, thoroughly in several loading configurations. A design methodology is developed and will bring new rules in modelling and design, closed to those existing in conventional materials.

Les fibres dopées aux terres rares (REDFs) représentent un composant clef dans la fabrication de sources laser et d’amplificateurs optiques (REDFAs). Leurs hautes performances rendent cette technologie particulièrement attractive pour les applications spatiales en tant que partie active des gyroscopes à fibres optiques, pour le transfert de données et les applications LIDARS. Cependant, la grande sensibilité de ces fibres actives limite l’intégration des REDFAs au sein des missions spatiales. De nombreuses études ont été menées pour dépasser ces limitations et différentes techniques de mitigation ont été identifiées telles que le co-dopage au Cérium ou le chargement en hydrogène de ces fibres optiques. Toutes ces solutions interviennent au niveau du composant sensible et sont classées parmi les stratégies de durcissement par composant permettant la fabrication de fibres dopées aux terres rares résistantes aux radiations adaptées aux besoins des missions spatiales actuelles associées à de faibles doses d’irradiation. Cependant, l’avènement de nouveaux programmes, de nouvelles missions invitent à considérer des doses d’irradiation plus importantes, nécessitant des REDFs et des RDFAs encore plus tolérants aux radiations. A cette fin, une optimisation de l’amplificateur optique au niveau système est étudiée dans le cadre de ce doctorat en exploitant une approche couplant simulation et expériences dont les avancées pourront venir en appui des techniques de durcissement plus conventionnelles. Après la présentation du contexte, des objectifs de ce travail (Chapitre I), les mécanismes fondamentaux de l’amplification et des effets des radiations sont brièvement décrits dans le Chapitre II. Les outils de simulation basés sur l’enrichissement d’un code à l’état de l’art et ses nouvelles fonctionnalités, décrites au Chapitre III, permettent non seulement l’évaluation des performances optiques du REDFA mais aussi de prédire leurs évolutions sous irradiation. De nombreuses études expérimentales ont été réalisées sur différents REDFAs développés durant la thèse et présentés dans le chapitre IV, leurs résultats comparés à ceux issus de la simulation afin de valider nos outils de simulation. Une fois validé, le code a été utilisé pour montrer comment l’optimisation de l’architecture du REDFA permet de mitiger les effets des radiations sur ses performances (Chapitre V). Finalement, le Chapitre VI présente l’étude de l’implémentation dans le code de nouveaux effets, tels que les effets thermiques, le multiplexage du signal d’entrée à travers un couplage théorie/expérience / Rare earth doped fibers (REDFs) are a key component in optical laser sources and amplifiers (REDFAs). Their high performances render them very attractive for space applications as the active part of gyroscopes, high data transfer links and LIDARs. However, the high sensitivity of these active fibers to space radiations limits the REDFA integration in actual and future missions. To overcome these issues various studies were carried out and some mitigation techniques were identified such as the Cerium co-doping or the hydrogen loading of the REDFs. All these solutions occur at the component level and are classified as a hardening by component strategy allowing the manufacturing of radiation hardened REDFAs with adapted performances for low doses space mission. However, with the new space research programs, more challenging space missions are targeted with higher radiations doses requiring even more tolerant REDFs and REDFAs. To this aim, an optimization of the REDFA at the system level is investigated in this PhD thesis exploiting an approach coupling simulations and experiments offering the opportunity to benefit from the outputs of this hardening by system strategy in addition to other state-of-the-art approaches. After presenting the context, objectives of this work, the basic mechanisms about amplification and radiation effects as well as the architectures of REDFAs are described in chapters I and II. After that, we update a state of art REDFAs simulation code described in Chapter III, to consider not only the REDFA optical performances but also their evolutions when exposed to radiations. Several experiments on dedicated home-made REDFA have been performed using accelerated irradiation tests (Chapter IV) and the comparison between these data and those obtained through the new code validated the simulation tools. Thereafter, we exploit the validated code to highlight how the optimization of the REDFA architecture can participate to the mitigation of the radiation effects on the amplifier performances (Chapter V). Finally, in chapter VI the implementation in the code of several other effects, such as thermal effects, input signal multiplexing was investigated both from experimental and calculation point of views

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