Dès les débuts de la conquête spatiale, la tribologie spatiale est considérée comme une discipline à part entière car il s’agit de lubrifier un mécanisme non seulement dans le vide spatial, mais aussi lors des opérations au sol, et ceci dans différents environnements (vide simulé, air sec et humide, azote sec). Un lubrifiant spatial, fluide ou solide, doit donc relever le défi de procurer le comportement tribologique désiré dans ces environnements successifs, mais doit aussi résister aux sollicitations dynamiques induites par le lancement. Dans l’espace, le mécanisme doit y être autonome sans maintenance et sa lubrification doit être maintenue pendant au moins 15 ans (800 millions de cycles pour un roulement) tout en conservant fiabilité et précision de positionnement (µrad). Malgré ces enjeux, la maîtrise tribologique spatiale se limite à de l’empirisme et du conservatisme de solutions techniques, notamment lors de l’emploi des matériaux sources de lubrifiants solides qui font l’objet de cette étude. Dans les faits, seules des recommandations d’utilisation existent sans pouvoir prédire le comportement tribologique des solutions. Cette prédiction nécessite la reconstitution de « la vie des contacts ». Cette dernière nécessite l’évaluation des débits de 1ers et 3ème corps. Ces débits dépendent d’un couplage multi-échelles et multi-physique « forcé » par les sollicitations tribologiques. Pour décrypter ces débits, une démarche expérimentale qui couple des mesures mécano-chimiques en temps réel et des analyses post-essai a été développée (forces, analyse de gaz, visualisation électronique et photonique). La simultanéité des mesures permet d’étudier le couplage entre les phénomènes mécaniques (créations de particules de 3ème corps, déformations plastiques des 1er corps) et physicochimiques (adsorption/désorption, modifications chimiques des 1ers et 3ème corps). La démarche est appliquée à l’étude de deux triplets tribologiques ayant respectivement des 1ers corps en MoS2 et MoS2+Ti dont les comportements tribologiques sous vide et sous air humide sont antagonistes. L’utilisation de leur antagonisme permet de mieux comprendre la réponse des 1er et 3ème corps aux sollicitations tribologiques. La reconstitution de la vie de ces triplets a montré : (1) le rôle bénéfique de la structure colonnaire dans l’obtention d’un facteur de frottement faible et d’une longue durée de vie, non parce qu’elle est intrinsèquement colonnaire mais parce qu’elle localise la production de 3ème corps; (2) le rôle bénéfique des contaminations internes et externes aux 1ers et 3ème corps qui délocalisent l’accommodation du volume du 3ème corps vers les complexes de surface, ce qui explique par exemple que l’environnement N2 sec ne puisse, même pour des raisons économiques, simuler l’ultravide. In fine, ces travaux permettent de spécifier une démarche de conception de « triplets tribologiques » qui sera généralisée ultérieurement grâce à la tribologie numérique / From the very beginning of space exploration, “space tribology” became a specific field of competences in its own right because it implies lubricating a mechanism not only in the vacuum of space but also in several environments (simulated vacuum, dry and humid air, dry N2 environment, etc.) on Earth. Consequently, a lubricant, fluid or solid, must provide the desired tribological behaviour in all those successive environments, but it must also resist to the dynamic loading induced by the launch operations. Once in space, a space mechanism must be autonomous, with no possible maintenance, and its lubrication must be sustained during 15 to 30 years (i.e. up to 800 millions cycles for a ball bearing) in space while sustaining high reliability and great precision (to within a few µrad). Despite those stakes, the mastery of space tribology is limited to empiricism and conservatism of technical solutions, especially when solid lubricants, whose are studied in this study, are used. In facts, only directions for use exist without allowing predicting the tribological behaviour of the solutions. That prediction requires the reconstitution of “the contacts’ life”. The latter requires evaluating the 1st and 3rd bodies flows. Those flows depend on a multiscale and multiphysical coupling effect “forced” by the tribological stresses. To decrypt those flows, an experimental procedure which couples both real time and post-mortem mechano-chemical measurements (friction forces, gas analysis, photonic and electronic visualization,) has thus been developed. The simultaneity in the measure allows studying the relationship between mechanical (3rd body particles creation, plastic deformations of 1st bodies, etc.) and physicochemical (adsorption/desorption, chemical changes of 1st and 3rd bodies, etc.) phenomena. The procedure is applied to two tribological triplets respectively containing 1st bodies comprised of MoS2 and MoS2+Ti coatings whose tribological behaviours in vacuum and humid air are antagonistic. Such antagonism allows better understanding the responses of the 1st and 3rd bodies to the tribological stresses. The reconstruction of the contact life of those triplets allowed showing, among others: (1) the beneficial role of coating columnar structure in the obtaining of both a low friction coefficient and a long wear life. This is not because it is columnar but because such a structure localizes the 3rd body creation; (2) the beneficial role of contaminations, which is either internal or external to the 1st and 3rd bodies, by delocalizing the accommodation from the 3rd body volume to the surface complexes, which explains, for example, that dry N2 environment can not, even for financial reasons, mimic ultrahigh vacuum. In fine, the study allows specifying a procedure for designing “tribological triplets” which will be generalized at a latter stage thanks to the numerical tribology.

Les matériaux énergétiques sont, par définition, des matériaux susceptibles de dégager un volume important de gaz, en se décomposant via les phénomènes suivants : combustion, déflagration ou détonation. Ils sont notamment utilisés dans les secteurs industriels de l’automobile (déploiement d’airbag), du militaire (propulsion de missiles tactiques et stratégiques, munitions) et du spatial (boosters de lanceurs spatiaux type Ariane 5). La maîtrise de leur fabrication nécessite que soient vérifiées certaines contraintes spécifiques rencontrées lors de leur mise en œuvre dans un malaxeur bivis. En effet, ce procédé de malaxage en continu induit de fortes évolutions de gradients de pression et de cisaillement au sein du matériau énergétique (entrefers réduits...) qui peuvent initier les constituants fluides et solides. Par conséquent, dans un souci de parfaite maîtrise des risques industriels, les conditions tribologiques menant à l’initiation d’un matériau énergétique, ici le propergol, lors de sa fabrication, doivent être étudiées. Malheureusement, à cause de la confidentialité industrielle liée à ce secteur d’activité, la bibliographie de la tribologie des propergols est limitée. Il apparait toutefois que peu d’études portent effectivement sur le comportement tribologique du troisième corps, c’est à dire le propergol. Ce dernier étant hétérogène (mélange de constituants fluides et de solides), il est donc nécessaire d’appréhender les écoulements internes qui l’animent sous sollicitations tribologiques. Ainsi, pour reproduire les sollicitations mécaniques élémentaires (compression et cisaillement) appliquées par les deux premiers corps que sont les vis et le fourreau, et subies par le troisième corps lors du malaxage, il a été choisi d’utiliser une approche couplée expérimentale et numérique. Cette dernière s’organise autour de l’instrumentation d’un dispositif de sécurité permettant la sollicitation par frottement du propergol et de la modélisation par éléments discrets du triplet tribologique (parois supérieure et inférieure des premiers corps, et troisième corps). Il est ainsi apparu un comportement tribologique caractéristique du troisième corps : des ségrégations entre les constituants mènent à un arrangement selon trois couches superposées dans l’épaisseur du troisième corps. Ces ségrégations sont issues de la mise en place de débits internes, spécifiques à chaque nature et géométrie de constituants. Ces débits sélectionnent les constituants présents dans l’aire de contact et favorisent l’existence de conditions tribologiques favorables à l’initiation du troisième corps (assèchement de l’épaisseur, localisation des efforts appliqués au troisième corps ...). L’ensemble de ces débits permet de reconstituer un circuit tribologique d’initiation d’un propergol et ainsi d’envisager des solutions techniques permettant d’endiguer la mise en place des conditions défavorables à la fabrication en sécurité d’un propergol dans un malaxeur bivis. / By definition, energetic materials can deliver a huge amount of gas and cause different kinds of phenomena, such as: burning, deflagration or detonation. These materials are mainly used in the automotive industry (airbag deployment), military devices (missiles, ammunition) and space launchers (Ariane 5 boosters and pyrotechnic devices). The manufacturing process, although well controlled by the historical “batch” process, presents several challenges when it is transferred to the continuous mixing process, using a twin-screw mixer device. Indeed, this last device induces extreme evolutions of pressure gradients and shearing gradients (reduced air-gap...). Plus, the energetic material is composed of fluid components and different diameters of solid components that can ignite by shearing. Consequently, tribological conditions leading to the ignition of an energetic material, a solid propellant, are studied during its manufacturing in a twin-screw mixer. Unfortunately, because of the industrial confidentiality on solid propellants, the bibliography on the solid propellants tribology is limited. However it appears that too few studies have effectively dealt with the tribological behaviour of this third body. By nature, this last is a composite material; therefore it is necessary to understand internal flows that evolve from tribological stresses. Thus, a coupled approach experimental and numerical is chosen in order to reproduce the mechanical elementary stresses applied by the two first bodies (top of screw thread and bore of the barrel element), and undergone by the third body during its manufacturing in a twin-screw mixer (compression and shearing). This approach consists of the instrumentation of a security test that shears the solid propellant and a discrete element simulation of the tribological triplet (inferior and superior first bodies, and the third body). The distinctive tribological behaviour of this third body appears obvious: different types of component segregations lead to a three superposed layer arrangement of the solid propellant thickness. These segregations come from the creation of internal component flows, specific to the nature and the geometry of the third body components. These flows select the components that remain within the contact area and also establish the tribological conditions that favour the third body ignition (gradient of mobility between solid components, draining of the third body thickness, localization of the efforts applied to the third body…). Ultimately, this study rebuilds the ignition tribological circuit(s) of a solid propellant and offers technical solutions to prevent the materialisation of unfavourable conditions to a safe solid propellant manufacturing in a twin-screw mixer.

L’augmentation de la vitesse ferroviaire impose l’amélioration des performances de freinage liés aux matériaux de friction utilisés dans les freins à disques et à semelles. Cependant, l'usure reste un point limitant en terme de performance mais aussi de sécurité. Elle a pour conséquence de détériorer les matériaux (aspects mécano-thermiques) mais aussi de contaminer le contact entre roue et rail par des particules de semelles de frein pouvant isoler électriquement celui-ci (aspects mécano-électriques). Le procédé permettant de localiser les trains, ayant pour principe la conduction électrique entre roue et rail, est alors compromis.Ces problématiques sont gouvernées par les différents contacts (roue/rail, roue/semelle, ...) qui s'inscrivent dans le concept de triplet tribologique. Un triplet est composé des corps en contact (premiers corps), de l'interface (troisième corps) et du mécanisme qui les maintient en contact. Afin de comprendre les phénomènes se produisant au sein des contacts, une analyse multi-physique locale et un découplage des paramètres (mécaniques, thermiques, électriques) s'avèrent nécessaires. Toutefois, cela est difficile à établir expé- rimentalement, une modélisation numérique par éléments discrets est alors pertinente pour palier à ces besoins.L'écoulement dynamique d'un troisième corps constitué de particules de freinage et la dégradation d'un matériau de freinage réel (suite à des méthodes d'imageries) sont modélisés. Les résultats obtenus ont permis d'appréhender les compétitions existant entre paramètres physiques d'une part (mécanique, électrique, thermique) et paramètres d'éch-elles d'autre part (local, global). Ces compétitions tendent à minimiser la résistance élec- trique lorsque les constituants sont en proportion adéquat (meilleure conduction électrique entre roue et rail) mais aussi à équilibrer les débits du circuit tribologique, ce qui conduit à protéger les matériaux (usure contrôlée). En outre, les analyses numériques ont permis de mettre en évidence de nouveaux paramètres liés à ``l'étalement'' du troisième corps et d'appréhender les points clés permettant de se rapprocher d'un contact réel. / The increase of the rail speed imposes the improvement of the braking performances related to the friction materials used in brake pad and brakes shoes. However, wear remains a limiting point in terms of performance but also safety. It has the effect of damaging the materials (mechano-thermal aspects) but also to contaminate the contact between wheel and rail by particles of brake shoes that can electrically isolate it (mechanical-electrical aspects). The method for locating the trains, whose principle is the electrical conduction between wheel and rail, is then compromised.These issues are governed by the different contacts (wheel/rail, wheel/shoes, ...) that fit into the concept of tribological triplets. These are composed of the bodies in contact (first bodies), the interface (third body) and the mechanism that keeps them in contact. In order to understand the phenomena occurring within the contacts, a local multi-physics analysis and a decoupling of the parameters (mechanical, thermal, electrical) are necessary. However, this is difficult to establish experimentally, numerical modeling by discrete elements method is then relevant for these needs.The dynamic flow of a third body consisting of braking particles and the degradation of a real braking material (following imaging methods) are modeled. The results obtained made it possible to understand the competitions existing between physical parameters on the one hand (mechanical, electrical, thermal) and scale parameters on the other hand (local, global). These competitions tend to minimize the electrical resistance when the constituents are in adequate proportion (better electrical conduction between wheel and rail) but also to balance the flows of the tribological track, which leads to protect the materials (controlled wear). In addition, the numerical analyzes made it possible to highlight new parameters related to "spreading" of the third body and to apprehend the key points making it possible to approach a real contact.

Les SPA sont des moteurs piézoélectriques inertiels amplifiés. Ils fonctionnent en convertissant des vibrations asymétriques en μ-déplacements par frottement, grâce au phénomène d’adhérence-glissement. Ces vibrations et ce frottement soulèvent des problématiques liées à l’usure et au bruit. Pour y répondre, ces travaux étudient les comportements tribologique et vibratoire de ces moteurs. Dans un premier temps, un tribomètre pion-plan, actionné par un SPA, a été développé. Il a permis d’observer, in-situ et en fonctionnement, les débits solides interfaciaux: le 3ème corps. Ces observations directes, couplées à des analyses post-mortem ont permis de décrypter les sollicitations tribologiques et de multiplier par dix la durée de vie des moteurs. Dans un second temps, des analyses numérique et expérimentale ont été proposées afin de mieux appréhender le comportement vibratoire des SPA. Le modèle existant, à constantes localisées, a été modifié en une version hybride, constantes localisées-FEM, plus versatile. Les tests expérimentaux ont permis de déterminer le principal contributeur acoustique et de réduire le niveau de bruit de seize dBA. Finalement, la double approche tribologie/mécanique vibratoire a permis de mieux saisir les subtilités des SPA. Elle a notamment mené au développement de structures innovantes tels qu’un moteur à trois degrés de liberté et deux moteurs rotatifs. / SPA are amplified piezoelectric inertia motors. They operate by converting asymmetrical vibrations into μ-displacements by means of friction through stick-slip. These vibrations and this friction raise issues related to wear and noise. So, the present work investigates both the tribological and vibratory behaviours of these motors. First, a pin-on-pad tribometer, actuated by a SPA, was developed. It led us to observe, in-situ and in operation, interfacial solid flows: the 3rd body. These direct observations carried out in conjunction with post-mortem analyses resulted in decrypting the tribological solicitations and in increasing by ten the lifetime of the motors. Second, numerical and experimental considerations have been proposed to better grasp the vibratory behaviour of SPA. The existing lumped model was modified to a more versatile hybrid lumped-FEM model. The experimental tests made it possible to determine the main acoustic contributor and to reduce the noise level by sixteen dBA. Finally, this dual - tribology/vibratory - approach provided a better understanding of the SPA intricacies. In particular, it led to develop innovative structures such as a motor with three degrees of freedom and two rotary motors.