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Conception d'architectures et dimensionnement de systèmes propulsifs électriques aéronautiques
Full text linkCette étude se situe dans le contexte de l’électrification de la propulsion aéronautique, intégrant une chaîne de conversion d’énergie électrique originale connectant, via un bus alternatif (AC), uniquement des machines synchrones à aimants permanents sans électronique de puissance. Une telle architecture passive permet d’envisager des gains de masses et de coûts et se différencie des architectures électriques propulsives usuelles couplant des électroniques de puissance pilotables à travers des étages à courant continu. Cette architecture couplant « rigidement » générateur et moteurs synchrones pousse à étudier son fonctionnement en régime transitoire et permanent afin d’évaluer sa stabilité. Cette thèse apporte ainsi une première contribution à travers différents moyens dédiés à l’analyse de stabilité d’un canal AC synchrone composé d’un générateur et d’un moteur synchrone. La voie analytique est tout d’abord exploitée en se basant sur un modèle mis sous forme d’espace d’état. Ce modèle est linéarisé permettant une analyse du lieu des pôles du canal AC synchrone qui permet de caractériser analytiquement sa stabilité en montrant directement les effets de chaque paramètre sur la stabilité du canal. L’analyse du lieu des pôles est ensuite comparée, d’une part à une simulation temporelle du canal AC synchrone exploitant le modèle d’état précédent, puis d’autre part à un banc expérimental à échelle de puissance réduite (5.5 kW). Ceci a pour but de confirmer la pertinence et la robustesse de l’analyse de stabilité. Selon les dimensions et le paramétrage du contrôle, les analyses effectuées permettent de mettre en évidence certains phénomènes d’instabilité se traduisant par des oscillations voire un décrochage des deux machines synchrones. Dans ce contexte, un dispositif de stabilisation active du canal AC est proposé intégrant une branche d’hybridation énergétique constituée d’une batterie et d’un onduleur couplé au canal AC. L’étude de ce dispositif s’est alors concentrée sur la conception et les réglages de son architecture de contrôle puis sur son exploitation en simulation et sur banc expérimental. Ces deux moyens d’études ont alors permis de conclure au bon fonctionnement du dispositif de stabilisation du canal AC, permettant à ce dernier de fonctionner de manière stable même dans les zones caractérisées comme instables en l’absence de ce dispositif. Afin d’augmenter l’intérêt d’un tel dispositif de stabilisation induisant l’ajout d’une batterie et d’un onduleur à l’architecture de base, d’autres fonctions d’hybridation (injection de puissance sur le réseau) ou d’aide au démarrage du canal AC synchrone sont étudiées et mises en oeuvre. Pour conclure, une mise à l’échelle du canal AC synchrone vers un dimensionnement représentatif en aéronautique (500 kW) est menée afin de vérifier si les phénomènes mis en évidence à puissance réduite se retrouvent à l’échelle du cas applicatif aéronautique
Modélisation des ondes de pression transitoires dans les réseaux de distribution d’eau
Full text linkDans les zones urbaines, la disponibilité de l’eau potable repose souvent sur des systèmes de distribution complexes, dont la dynamique est encore mal comprise. La supervision des réseaux, qui s’inscrit dans le prolongement des projets de "smart city", offre de nouvelles possibilités de gestion des réseaux de distribution d’eau (RDE). Certaines technologies, comme le (SCADA), permettent déjà un contrôle et une régulation des réseaux en quasi temps réel, tandis que des techniques efficaces de gestion de la pression sont développées quotidiennement pour moderniser les installations. Ces techniques, bien qu’elles soient économiquement et opérationnellement viables, ne fournissent pas une description complète de la dynamique rapide des réseaux. Les régimes transitoires rapides, aussi incompris que dangereux, sont restés durant des décennies en marge de considérations opérationnelles. Cependant, avec la rareté des ressources et le besoin d’une gestion efficace de nos actifs vieillissants, la caractérisation des phénomènes transitoires rapides redevient un sujet d’importance. Le coup de bélier, ou la propagation d’ondes de pression émanant d’une variation de débit, peut ainsi être étudié du point de vue de la gestion patrimoniale, c.-à-d. la résilience du réseau face aux surpressions répétées, et/ou du point de vue opérationnel, c.-àd. l’analyse de la rétropropagation des fronts d’ondes pour trouver leur générateur. Cette thèse se concentre sur le développement de modèles théoriques et numériques pour l’étude du comportement transitoire des réseaux d’eau potable par : (i) l’analyse temporelle des ondes de coup de bélier via la théorie des opérateurs, (ii) une analyse asymptotique détaillée des Interactions Fluide Structure (IFS) se produisant dans les conduites élastiques, (iii) l’extension du cadre IFS élastique aux conduites viscoélastiques, (iv) une étude numérique complète des modèles d’amortissement visqueux actuellement utilisés dans les logiciels commerciaux ou open-source par la méthode des caractéristiques, et (v) la constitution d’une nouvelle méthode de rétropropagation du premier front d’onde pour la localisation d’anomalies sur réseau. Chacun de ces points est développé dans cette étude et a conduit à plusieurs articles scientifiques également inclus dans le document. La nouveauté et la pertinence de la méthode de détection par rétropropagation des fronts d’ondes doit être soulignée pour sa conceptuelle simplicité, son efficacité numérique et sa fiabilité à géolocaliser des anomalies dans le réseau d’eau potable de Toulouse
Dust Devil Frequency of Occurrence and Radiative Effects at Jezero Crater, Mars, as Measured by MEDA Radiation and Dust Sensor (RDS)
Full text linkThe Mars Environmental Dynamics Analyzer, onboard the Perseverance rover, is a
meteorological station that is operating on Mars and includes, among other sensors, the radiometer Radiation
and Dust Sensor (RDS). From RDS irradiance observations, a total of 374 dust devils (DDs) were detected
for the first 365 sols of the mission (Ls = 6°–182°), which along with wind and pressure measurements,
we estimated a DD frequency of formation at Jezero between 1.3 and 3.4 DD km −2 sol −1 (increasing as we
move from spring into summer). This frequency is found to be smaller than that estimated at the Spirit or
Pathfinder landing sites but much greater than that derived at InSight landing site. The maximum in DD
frequency occurs between 12:00 and 13:00 local true solar time, which is when the convective heat flux and
lower planetary boundary layer IR heating are both predicted to peak in Jezero crater. DD diameter, minimum
height, and trajectory were studied showing (a) an average diameter of 29 m (or a median of 25 m) and a
maximum and minimum diameter of 132 ± 63.4 and 5.6 ± 5.5 m; (b) an average minimum DD height of 231 m
and a maximum minimum-height of 872 m; and (c) the DD migration direction is in agreement with wind
measurements. For all the cases, DDs decreased the UV irradiance, while at visible or near-IR wavelengths both
increases and decreases were observed. Contrary to the frequency of formation, these results indicate similar
DD characteristics in average for the studied period
Port inversions of parametric Two-Input Two-Output Port models of flexible substructures
Full text linkIn the context of multi-body modeling techniques, this paper details the port inversion operations, which can be performed on the Two-Input-Two-Output Port (TITOP) model of a flexible substructure to take into account various boundary conditions and to assemble it with the other substructures of the whole system. From the model obtained considering the body is clamped at a parent point and free at some others child points, it is shown that the dynamics obtained under the free-free, free-clamped, clamped-clamped boundary conditions can be characterized analytically. The clamped-clamped condition and its link with the CRAIG-BAMPTON formulation are more particularly investigated, since it is required to model closed-kinematic chains of flexible bodies, like in truss structures, using a sub-structuring approach. Furthermore, the channel inversion operations are extended to the case of parameter varying models. The model of a triangular mechanism, fully parameterized according to the cross section parameters of each mechanism beams, is developed and validated. This model is used to illustrate the capabilities of this parametric approach to import the model in multi-domain simulation software and the possibility to optimize directly the mechanism design
Comparison of Cardiac Activity and Subjective Measures During Virtual Reality and Real Aircraft Flight
No full textPilot training requires significant resources, both material and human.
Immersive virtual reality is a good way to reduce costs and get around the lack of
resources availability. However, the effectiveness of virtual flight simulation has
not yet been fully assessed, in particular, using physiological measures. In this AQ1
study, 10 pilots performed standard traffic patterns on both real aircraft (DR400)
and its virtual simulation (in head-mounted device and motion platform).We used
subjective measures through questionnaires of immersion, presence, and ability
to control the aircraft, and objective measures using heart rate, and heart rate variability.
The results showed that the pilots were able to fully control the aircraft.
Points to improve include updating the hardware (better display resolution and
hand tracking) and the simulator dynamics for modelling ground effect. During AQ2
the real experience, the overall heart rate (HR) was higher (+20 bpm on average),
and the heart rate variability (HRV) was lower compared to the virtual experience.
The flight phases in both virtual and real flights induced similar cardiac responses
with more mental efforts during take-off and landing compared to the downwind
phase. Overall, our findings indicate that virtual flight reproduces real flight and
can be used for pilot training. However, replacing pilot training with exclusively
virtual flight hours seems utopian at this point
Multi-fidelity Bayesian optimization strategy applied to Overall Drone Design
Full text linkNowadays, drones can be developed for a wide range of use cases, from infrastructure monitoring to sea rescue, urban mobility or military purposes. Which drone design is best suited for a specific mission? To answer this question, we need to solve a constrained optimization problem based on a multi-disciplinary design model that takes the mission into account. The model generally being a computationally expensive numerical model whose gradients are not available all the time encourages us to consider a Bayesian optimization approach. Such strategy is well known to achieve a trade-off between exploitation and exploration in order to find interesting minimal area with a reduced number of function evaluations. A multi-fidelity approach can improve even more the computational efficiency of the Bayesian optimization strategy. In this work, we aim at designing a fixed-wing drone (fully electric) for long range surveillance mission. Two fidelity level electric drone models are developed. For a given mission requirement, the final battery state of charge is optimized with respect to drone design variables. Optimizations are performed on several missions using both a mono and a multi-fidelity Bayesian optimization strategy. The interest of using a multi-fidelity method for overall drone design has been assessed. The multi-fidelity super-efficient global optimization algorithm (MFSEGO) appeared to need less budget to reach convergence than the mono-fidelity algorithm and to be more robust to the initial design of experiments
Modeling UAS Flight Procedures for SORA Safety Objectives
Full text linkDevelopment of unmanned aerial systems (UAS),
made of an unmanned aerial vehicle (UAV) and equipment
such as a ground station, has increased tremendously in recent years. This has made more pressing the need for new design methodologies that provide a reliable and thorough safety assessment throughout the entire design process. The European specific operations risk assessment (SORA) document provides recommended operational safety objectives (OSO) to achieve. The current paper lays groundwork to comply with OSOs pertaining to UAS flight procedures. Key criteria for modeling such procedures are identified and lead to the choice of the AltaRica DataFlow (ADF) language. The Cecilia Workshop is used to model three real-life UAS emergency flight procedures. Custom components developed for this model are presented while discussing the process of modeling a formal procedure from an informal text source. A safety analysis is performed on the resulting model by computing minimal cut sets on an undesired procedure outcome. The results are then reviewed, providing feedback to increase the procedures’ safety gain
On the effect of characterised initial conditions on the evolution of the mixing induced by the Richtmyer–Meshkov instability
Full text linkTime-resolved schlieren photography was used to visualise mixing zones induced by the Richtmyer–Meshkov instability. These were initiated with four different initial conditions: three of them with monotonic, single-mode shapes and one with a non-monotonic, multi-mode shape. These initial conditions were generated by an innovative experimental concept, the Micro Rotating Shutter System. The results of this experimental campaign reveal that the shape of the initial air–helium interface influences the subsequent development of the resulting mixing zone. Over the measurement time range, the width of the mixing zone induced by this instability is correctly fitted by a power law. Its growth exponent depends on the monotonicity of the initial air–helium interface: while mixing widths originating from single-mode initial conditions are almost superimposed, a lesser growth exponent is found for the multi-mode initial condition. The Reynolds number based on the width of the mixing zone suggests that both flows initiated with single- and multi-mode initial conditions reach a fully turbulent state after the interaction with the reflected shock wave (reshock). The schlieren photography visualisations presented here also allow to illustrate the structure of the induced mixing and highlight the effect of the initial conditions on the large-scale structures of the Richtmyer–Meshkov instability-induced mixing
Contribution à l'étude de la réactivité des précurseurs de l'indigo et à l'optimisation de la production de pigment à partir des feuilles d'Isatis tinctoria L.
Full text linkLa culture d’Isatis tinctoria fut très importante en Europe, au Moyen-Âge, pour sa production de pigment indigo, très prisé par les teinturiers. En Occitanie, l’intérêt pour les molécules d’origine naturelle et le caractère emblématique du pastel a permis de faire perdurer sa culture localement. Toutefois, le rendement de cette production demeure instable et la qualité du pigment mal maitrisée. C’est dans ce contexte qu’un projet de recherche visant à améliorer la quantité et la qualité du pigment bleu contenant l’indigo à partir des feuilles de Pastel a été mis en place. Au cours de ce projet, nous nous sommes intéressés aux principaux précurseurs de l’indigo dans le Pastel, l’isatan A et l’isatan B. Ces composés très instables ont été identifiés par UHPLC-HRMS afin d’établir un suivi régulier de leur teneur dans la plante au cours de l’année. Ces analyses ont montré la présence de précurseurs dans les feuilles tout au long de l’année et leur relative stabilité dans les feuilles jusqu’à trois jours après leur récolte. Leur réactivité dans les conditions de production a également été étudiée avec pour l’objectif de mieux comprendre leur conversation en indigo. En parallèle, plus d’une quarantaine de pigments ont été produits à partir de feuilles de Pastel. Les paramètres de production du pigment ont été optimisés afin d’améliorer le rendement en pigment et sa teneur en indigo, ce qui a conduit à un essai de production à l’échelle industrielle. Également, une méthode de dosage de l’indigo a été développée et appliquée à l’ensemble des pigments produits, afin d’évaluer plus précisément leur teneur en indigo. Ces travaux ont permis une meilleure compréhension de la réactivité des précurseurs, ainsi qu’une optimisation de leurs conditions d’extraction pour la production de l’indigo. S’il est possible de produire du pigment toute l’année à partir de feuilles fraiches, en revanche, la production demeure inconstante et peu reproductible, et ne semble donc pas uniquement conditionnée à la teneur en précurseurs et aux conditions d’extraction. Des mécanismes enzymatiques impliquant des enzymes foliaires végétales ou microbiennes, difficiles à maitriser, sont très probablement impliqués dans le processus de conversion des précurseurs en indigo
Évaluation et modulation des fonctions exécutives en neuroergonomie - Continuums cognitifs et expérimentaux
Full text linkDes études en neuroergonomie ont montré que le pilote d’avion pouvait commettre des erreurs en raison d’une incapacité transitoire à faire preuve de flexibilité mentale. Il apparait que certains facteurs, tels qu’une forte charge mentale ou une pression temporelle importante, un niveau de stress trop élevé, la survenue de conflits, ou une perte de conscience de la situation, peuvent altérer temporairement l’efficience des fonctions exécutives permettant cette flexibilité. Depuis mes travaux initiaux, dans lesquels je me suis intéressé aux conditions qui conduisent à une négligence auditive, j’ai souhaité développer une approche scientifique visant à quantifier et limiter les effets délétères de ces différents facteurs. Ceci a été fait à travers l’étude des fonctions exécutives chez l’être humain selon le continuum cognitif (du cerveau lésé au cerveau en parfait état de fonctionnement) et le continuum expérimental (de l’ordinateur au monde réel). L’approche fondamentale de l’étude des fonctions exécutives en neurosciences combinée à l’approche neuroergonomique graduelle avec des pilotes et des patients cérébro-lésés, a permis de mieux comprendre la manière dont ces fonctions sont mises en jeu et altérées. Cette connaissance à contribuer par la suite à la mise en place de solutions pour préserver leur efficacité en situation complexe.
Après avoir rappelé mon parcours académique, je présente dans ce manuscrit une sélection de travaux répartis sur trois thématiques de recherche. La première concerne l’étude des fonctions exécutives impliquées dans l’attention et en particulier la façon dont la charge perceptive et la charge mentale peuvent altérer ces fonctions. La deuxième correspond à un aspect plus appliqué de ces travaux avec l’évaluation de l’état du pilote. Il a été question d’analyser cet état selon l’activité de pilotage elle-même ou à travers la gestion et la supervision d’un système en particulier. La troisième et dernière thématique concerne la recherche de marqueurs prédictifs de la performance cognitive et l’élaboration d’entraînements cognitifs pour limiter les troubles dysexécutifs, qu’ils soient d’origine contextuelle ou lésionnelle.
Ces travaux ont contribué à une meilleure compréhension des troubles cognitifs transitoires ou chroniques, mais ils ont aussi soulevé des questions auxquelles je souhaite répondre aujourd’hui. Pour illustrer cette réflexion, je présente en dernière partie de ce document mon projet de recherche qui vise à développer une approche multifactorielle de l’efficience cognitive, éthique et en science ouverte