La mesure metrologique au service des industries aeronautiques et spatiales

Aucun avion ne peut voler sans un certificat de navigabilité qui ne sera délivré qu’une fois les qualités de l’avion démontrées par de nombreux essais réalisés au sol comme en vol. L’un des essais les plus critiques concerne la caractérisation d’un élément fondamental: les ailes. Cette caractérisation passe par l’analyse des écoulements d’air autour du profil non symétrique de l’aile. La mesure de la pression autour des ailes de l’appareil permet ainsi une évaluation précise de son aptitude au vol. Une cartographie à la fois minutieuse et régulière du profil de pression permet de vérifier les bonnes propriétés aérodynamiques d’un profil d’aile et d’identifier précisément les zones et les conditions d’apparition de micro turbulences pouvant conduire au décrochage ou à une surconsommation de carburant. Cette cartographie de l’aile en temps réel permet ainsi de réduire à la fois la consommation énergétique de l’avion et les vibrations créées par les microdécollements du flux d’air qui peuvent être désagréables pour les passagers et néfastes pour les instruments électroniques embarqués. Les systèmes de mesure de pression sont aujourd’hui largement utilisés dans l’industrie aérospatiale, mais l’instrumentation d’un spécimen demeure une étape particulièrement longue, délicate et couteuse en raison de la nature filaire de la connexion entre capteurs.

LA MESURE METROLOGIQUE AU SERVICE DES INDUSTRIES AERONAUTIQUES ET SPATIALES

Métrologie : n.f. : science des mesures 

Cette définition, extraite du Grand Robert de la langue française [1], décrit la métrologie comme une notion indispensable en sciences. Ce concept, qui vise à donner une valeur à une observation, prend une dimension particulière dans les secteurs très critiques que sont l’aéronautique et le spatial. En effet, ces domaines sont conditionnés par la contrainte fondamentale que représente la nécessaire sûreté des systèmes. Alors, la mesure métrologique, qui permet à la fois de valider les choix de conceptions et de justifier du parfait fonctionnement du système auprès des autorités de régulation, devient un outil indispensable .

APPLICATIONS DANS LE DOMAINE AERONAUTIQUE

Lors du développement d’un nouvel avion, la phase précédant l’obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais réalisés au sol ou dans des conditions de vol. Ces essais sont extrêmement variés et regroupent, par exemple, des essais par grand froid [2], des essais de compatibilité électromagnétique ou encore des essais d’évacuation [3]. Les essais par grand froid visent à vérifier la capacité des moteurs et des systèmes électriques de l’avion à démarrer malgré des températures au sol extrêmes avoisinant les -40°c. Les essais de compatibilité électromagnétique vont quant à eux évaluer la résistance de l’avion aux champs électromagnétiques. Enfin, comme leur nom l’indique, les essais d’évacuation permettent de déterminer le temps nécessaire à l’évacuation de tous les passagers de l’avion, et ainsi de valider les dispositifs d’évacuation ou le nombre de sorties prévues. Chacun de ces essais est particulièrement crucial dans la mesure où ses résultats peuvent empêcher la certification de l’avion. Mais l’un des essais les plus critiques reste cependant la caractérisation fonctionnelle des ailes de l’appareil. En effet, ces éléments sont fondamentaux dans la mesure où ils permettent à l’avion de voler.

Ainsi, le principe même d’un avion, et donc sa capacité à voler, repose sur la forme particulière de ses ailes. En effet, une aile a un profil non symétrique, c’est-à-dire qu’elle présente une cambrure sur l’une de ses faces. La face supérieure est appelée extrados et la face inverse porte, elle, le nom d’intrados. La longueur de l’extrados excédant celle de l’intrados, l’air qui s’écoule le long de l’aile est contraint de parcourir un trajet plus long, et ainsi de s’écouler plus rapidement le long de la surface supérieure. Daniel Bernoulli, mathématicien et physicien suisse né en 1700, a constaté qu’à altitude constante, lorsque la vitesse d’un fluide augmente, la pression le long de l’écoulement diminue.

Dans des conditions de vol classiques, les filets d’air circulent autour de l’aile en épousant sa forme de façon très régulière . Lorsque l’angle entre l’aile et le flux d’air (angle d’incidence de l’avion) augmente, la vitesse du flux d’air sur l’extrados s’accroît, augmentant ainsi la portance. Mais en raison de cette augmentation de la vitesse du flux, l’écoulement d’air commence à se décoller au niveau de la zone de rencontre entre les flux provenant de l’extrados et de l’intrados, c’est-à-dire au niveau du bord de fuite. Or, plus l’angle d’incidence est important, plus la zone de turbulence est vaste, car le point de décollement se déplace du bord de fuite vers le bord d’attaque. Les lignes de courant d’air ne restent alors plus parfaitement parallèles au profil et se « mélangent » . L’écoulement est alors dit « turbulent » dans la zone de décollement. Plus cet écoulement est turbulent, plus la force de trainée qui s’oppose à la progression de l’avion est importante. Pour compenser cette trainée grandissante, l’appareil doit augmenter sa force de traction et par conséquent sa consommation en carburant.

APPLICATIONS DANS LE DOMAINE SPATIAL

Les vibrations sont une partie intégrante de l’environnement. Le moindre mouvement, que ce soit celui d’un objet ou de son milieu, entraîne des vibrations d’amplitudes et de durées variables qui peuvent prendre la forme de chocs mécaniques ou de vibrations acoustiques. Dans le domaine spatial, la phase de lancement est l’une des épates les plus critiques pour les systèmes [7]. En effet, les structures doivent alors faire face aux niveaux de vibrations mécaniques ou acoustiques les plus élevés jamais rencontrés [8]. De telles vibrations peuvent par exemple provenir du bruit des moteurs qui peut être si intense qu’il pourrait, dans le cas d’un vol de navette spatiale, endommager l’orbiteur et mettre en danger les occupants. Plusieurs techniques sont mises en œuvre pour tenter de réduire le niveau d’ondes sonores, à commencer par le déversement de centaines de milliers de litres d’eau juste avant l’allumage des moteurs [9]. Mais l’eau n’absorbe qu’environ deux tiers du bruit et laisse un bruit résiduel d’environ cent quarante-deux décibels. Dans le contexte satellite, en l’absence de facteurs humains, le bruit du décollage est généralement encore plus intense et peut atteindre des valeurs de cent quatre-vingt décibels pour une fusée Ariane 5 [10]. D’autres vibrations apparaissent également lorsque le lanceur approche de la vitesse du son. Ce dernier subit en effet les ondes de choc dues aux écoulements aérodynamiques autour de la structure qui occasionnent de violentes vibrations. Bien qu’il soit possible de travailler sur le bruit des moteurs et la forme aérodynamique de la fusée, il n’est pas envisageable d’éliminer totalement les vibrations. Celles-ci ne doivent donc endommager ni le satellite, ni les instruments embarqués qui, dans le cadre des applications spatiales, sont souvent d’une précision et d’une sensibilité extrêmes. Etant donné qu’il n’est pas possible de repérer un engin en orbite, tout dommage subi par le satellite au cours du lancement est susceptible d’entraîner l’échec de la mission. C’est pourquoi une revue de qualification particulièrement rigoureuse est nécessaire pour vérifier que la charge utile ne sera pas endommagée, et ainsi valider l’aptitude d’un satellite à être lancé de façon certaine. Dans leur principe, les essais en vibration sont très simples. Le satellite est placé sur un banc de test pour être soumis à un profil d’essai défini et reproductible. Pour les essais de types vibrations, on utilise des ponts vibrants [11] capables de recréer les conditions d’un décollage de fusée. Dans le cadre des essais acoustiques, on recoure à des chambres réverbérantes.

Un satellite subit trois types d’essais mécaniques ayant chacun un objectif particulier :

• Les essais « sinus balayé », qui consistent en l’application d’une excitation sinusoïdale dont la fréquence varie selon une loi définie, sont ceux qui fournissent le plus grand nombre d’informations sur la qualité du système. Cependant, les vibrations rencontrées dans le milieu ayant un caractère aléatoire, et donc non strictement sinusoïdal, les essais « sinus balayé » ne reproduisent pas parfaitement l’environnement rencontré par le spécimen au cours de son utilisation. Les lois utilisées sont de trois types: la loi linéaire, qui est la plus simple, la loi hyperbolique qui est la moins usitée, et enfin la loi exponentielle est la plus utilisée. Cette dernière présente l’intérêt majeur d’accorder, en termes d’échantillonnage, une plus grande importance aux basses fréquences, niveau auquel se concentrent le plus souvent les phénomènes vibratoires. De par sa forme, la loi exponentielle permet également de passer un même temps, à coefficient d’application dynamique constant, dans l’intervalle de fréquence comprise entre les points à demi-puissance d’une fréquence de résonnance. Quelle que soit la loi utilisée, le sinus balayé présente l’avantage, contrairement aux autres essais décrits plus loin, de produire une excitation constante sur l’ensemble de la bande de fréquence étudiée. La quantité d’énergie introduite pour chaque fréquence testée est alors parfaitement maîtrisée, et les variations d’amplitude ne sont plus le fait que des autres réponses de la structure (résonances et anti résonances). Cette caractérisation, la plus simple à analyser, permet d’identifier les fréquences propres et les amortissements du système.

• Le sinus quasi statique est un type d’excitation qui permet de vérifier le dimensionnement des pièces d’interface du spécimen. Ce type d’essai est ainsi nommé en références aux essais statiques de charge d’un avion au cours desquels la résistance mécanique est déterminée par l’ajout progressif de poids sur les ailes. Dans le cadre des essais de satellites, une accélération constante d’amplitude connue est appliquée au système. La fréquence injectée doit être choisie avec soin car à mesure que l’on approche de la fréquence de résonnance du système, les risques de perte de contrôle sur cette excitation, et donc de dommages sévères sur la structure, augmentent.

• Les essais aléatoires sont en bien des points similaires aux essais de type sinus balayé, à ceci près que le rendu du comportement dynamique d’une structure est plus réaliste puisque l’environnement effectivement rencontré par un équipement est par nature aléatoire. Le sinus appliqué est aléatoire et défini statistiquement. Ce type d’essai permet d’obtenir une confirmation des fréquences propres du système ainsi que les valeurs des coefficients d’amplification dynamique des structures.

Les trois types d’essais décrits permettant de qualifier un système, c’est à-dire de démontrer sa capacité à résister à un environnement plus sévère que l’environnement nominal, sont réalisés grâce à des jauges de contrainte équipant la structure et mesurant les déformations en temps réel.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : LA MESURE METROLOGIQUE AU SERVICE DES INDUSTRIES AERONAUTIQUES ET SPATIALES
1 – Applications dans le domaine aéronautique
2 – Applications dans le domaine spatial
3 – Des systèmes filaires contraignants
4 – SACER : Développement d’un réseau sans fil de capteurs embarqués
5 – Des contraintes fortes liées aux domaines d’application
5.1 Application aéronautique
5.2 Application spatiale
5.3 Synthèse des exigences
6 – Conclusion
CHAPITRE II:DES STANDARDS ADAPTES AUX CONTRAINTES DES RESEAUX METROLOGIQUES ?
1 – Des standards à faible consommation mais aux débits limités
1.1 L’organisation de l’ieee pour la définition de standards
1.2 802.15.1 : Bluetooth
1.3 802.15.4 : ZigBee
1.4 D’autres standards pour les réseaux de capteurs et les réseaux métrologiques
2 – UWB et OFDM : faible puissance d’émission et haut débit
2.1 Règlementations UWB
2.2 Techniques de modulation
3 – MB-OFDM : Wimedia un standard à l’histoire particulière
3.1 Description physique et répartition des porteuses dans le spectre
3.2 Temps de garde
3.3 Codage en fonction des débits
3.4 Préfixe cyclique
4 – Evaluation des performances d’un standard MB-OFDM en conditions réelles
4.1 Module Wisair DV9110M
4.2 Validation en laboratoire : environnement bureau
4.3 Validation en chambre anéchoïde : environnement aéronautique recréé
4.4 Validation en conditions réelles sur avion au sol
4.5 Validation en conditions réelles sur satellite au sol
5 – Etat de l’art des modulateur MB-OFDM
5.1 Consommation électriques sur les kit Wisair
5.2 Consommation des systèmes MB-OFDM présentés dans la littérature
6 – Synchronisation via un lien UWB-OFDM
7 – Conclusion
CHAPITRE III :SYNTHESE HAUT NIVEAU ET EXPLORATION ARCHITECTURALE
1 – Un environnement de développement adapté
1.1 Calcul numérique pour la conception et la validation algorithmique
1.2 La génération de code au service de la rapidité et de la précision de conception
1.3 Exemple de la problématique de la connaissance du canal de communication
1.4 Une plateforme numérique programmable
1.5 Des outils aux performances variables et longtemps insuffisantes
2 – Des outils de synthèse HLS
2.1 Présentation générale
2.2 Flot de conception
2.3 Synphony HLS Model Compiler
3 – Optimisation du code généré
3.1 Amélioration de la vitesse : retiming
3.2 Amélioration de la taille du circuit : Repliement
3.3 Amélioration de la taille du circuit : Multichannelisation
4 – Exploration Architecturale et choix d’une plateforme
4.1 Choix d’une famille de FPGA
4.2 Choix d’un FPGA dans la famille Virtex 5
5 – Conclusion
CHAPITRE IV:COUCHE PHYSIQUE HAUT DEBIT UWB-OFDM : ARCHITECTURE DE TRAITEMENT DU SIGNAL
1 – Organisation des échanges de données et débit PHY-MAC
1.1 Architecture réseau
1.2 Techniques d’accès multiples
1.3 Définition des trames d’échange
1.4 Débit PHY-MAC
2 – Organisation des porteuses
2.1 Organisation fréquentielle
2.2 Modulation des porteuses
3 – Organisation des symboles OFDM
3.1 Choix d’un préfixe et temps de garde entre symboles
3.2 Codage correcteur d’erreur ou codage canal
3.3 Symbole de synchronisation du recepteur
3.4 Fréquence de fonctionnement de la couche physique
4 – Implémentation de la couche physique
4.1 Organisation générale
4.2 Convertisseur de données MAC/PHY
4.3 Codeur convolutionnel
4.4 Modulateur QPSK
5 – Implémentation OFDM
5.1 Insertion des porteuses pilotes
5.2 Modulation OFDM : IFFT
6 – Implémentation des symboles de synchronisation et des préfixes
6.1 Insertion des symboles de synchronisation
6.2 Insertion des temps de garde
6.3 Architecture pour la génération du symbole OFDM réel à partir d’un signal complexe
7 – Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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