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Le biomimétisme, source d’inspiration scientifique pour l’aéronautique

Le vol des oiseaux et des insectes a toujours fait l’objet d’observations, et d’expérimentations. Battantes, fixes ou munis d’hélices leurs ailes ont été l’objet de multiples recherches. Des considérations naturalistes encore déclinées en laboratoire pour inventer des solutions de vol qui s’appliquent à de nouveaux usages.

Au cours des 150 derniers millions d’années, les êtres vivants qui volent, comme les oiseaux et les insectes, ont constamment été confrontées à la question de la sécurité de leur vol dans des conditions environnementales très rudes. Ils ont remarquablement réussi à survivre dans des conditions de rafales sans aucun moyen de modifier leur structure corporelle ni de bénéficier d’une seconde chance en cas de fausse manœuvre. Certaines espèces, comme l’Albatros profite des perturbations atmosphériques pour atteindre des distances fantastiques sans aucun effort, en exploitant simplement les courants aériens sur l’océan.

D’autres espèces, comme les crécerelles ont la capacité unique de réaliser des vols quasi-stationnaires dans des environnements très ventés et perturbés pour repérer et attraper leurs proies. Non seulement, ils peuvent voler dans des conditions très chaotiques, mais tirent également parti des perturbations atmosphériques pour profiter constamment de l’énergie de la turbulence et rester en vol pendant des heures sans presque aucun effort. Des expériences en soufflerie menées sur les drones de l’ISAE-SUPAERO sont en cours afin de comprendre et d’adapter le transfert d’énergie à utiliser dans les drones.

Extraire de l’énergie pour les vols ultra-longue portée

Deux programmes de doctorat conduits à l’ISAE-SUPAERO (V. Bonnin, 2015 ; N. Gavrilovic, 2018) ont fourni de nouvelles informations sur le mécanisme physique consistant à extraire de l’énergie des courants aériens dans le but de mettre en œuvre cette stratégie sur des drones à aile fixe. Un gain potentiel de 40 % a été identifié pour accroître la portée d’un drone en appliquant les stratégies de vol inspirées de l’Albatros et d’autres espèces d’oiseaux et d’insectes.

Des recherches pour imaginer le futur

La thèse menée par Nikola Gavrilovic vise à évaluer la faisabilité et le potentiel de la récupération d’énergie à partir de rafales atmosphériques pour les mini-véhicules aériens sans pilote. L’atmosphère constitue une grande source d’énergie pouvant être exploitée afin d’accroître la performance des mini-drones et augmenter leur autonomie. Il est bien connu que de nombreuses espèces d’oiseaux utilisent diverses techniques de vol pour obtenir des performances de vol étonnantes. Compte tenu du fait que les mini-drones s’apparentent en taille et en vitesse aux oiseaux évoluant en milieu naturel, cette thèse peut être considérée comme une application des techniques de vol bio-inspirées pour les véhicules construits par l’homme. L’étude consiste en l’analyse de simulations de vol qui démontrent le mécanisme et le potentiel de récupération de l’énergie atmosphérique. Des cas particuliers montrent que l’autonomie d’un petit véhicule volant peut être augmentée de plus de 40%. En outre, la thèse révèle le développement de systèmes sensoriels biologiquement inspirés qui permettent à l’avion de "ressentir" les phénomènes atmosphériques.

Yulia AKISHEVA, Junior Researcher

Imaginer les matériaux aérospatiaux de l’avenir

L’objectif de cette vidéo est : Présenter une Recherche réalisée au DMSM en coopération avec le DEOS, dédiée à l’utilisation du régolithe planétaire pour fabrication d’objets structuraux (habitacles, pièces en fabrication additive) ainsi qu’à la protection que l’on peut espérer - sur ces mêmes planètes - vis à vis des rayonnements cosmiques. Ces recherches ont également des applications en aéronautique pour les avions à haute altitude et/ou à très longue durée de vol.

Les capteurs d’images pour garder un œil sur la Terre

Les capteurs d’images CMOS sont devenus les yeux déportés de l’Homme. Ils équipent tous nos smartphones et appareils photo et leur champ d’applications scientifiques s’étend de la Terre à l’espace et inspectent tous les milieux hostiles. Ils constituent un domaine de recherche de pointe pour l’observation de la terre, des effets climatologiques et des mesures radiométriques.

Le capteur CMOS est un capteur d’images qui permet de convertir un rayonnement électromagnétique dans le proche-infrarouge, le visible, en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié, numérisé et traité pour obtenir une image numérique visible sur un écran ou enregistrable. Il est le composant de base des appareils photo et des caméras numériques, l’équivalent du film ou de la pellicule pour la photographie argentique.

Le groupe de recherche Capteur d’image Microélectronique (Département Electronique Optronique et Signal - ISAE-SUPAERO) conçoit et réalise aussi des capteurs d’images, du cousu main pour des applications scientifiques sur-mesure.

Les chercheurs développent leur expertise dans le domaine spatial et le nucléaire, domaines dans lesquels les radiations endommagent les capteurs et détériorent l’information recueillie. Le secteur de l’énergie nucléaire est demandeur de ces capteurs optiques résistant aux radiations pour inspecter les installations et éventuellement visualiser les réactions de fusion.

L’équipe de recherche est considérée comme la spécialiste du domaine pour réaliser des capteurs résistant à des taux de radiations extrêmes. Le spatial est lui aussi client du laboratoire pour la recherche appliquée au développement, sur une dizaine d’années, des satellites d’observation.

Le capteur doit répondre à un cahier des charges précis de l’industriel qui définit la plupart des performances exigées comme le nombre de pixels, la sensibilité pour une longueur d’onde donnée, la netteté ou encore la capacité à s’affranchir des effets d’éblouissement (ex. les pare-brises).

« Nous faisons de la photo, mais en développant des capteurs d’images et leur méthode de mesure, pour l’observation dans le visible et le proche infra-rouge » précise Olivier Marcelot, ingénieur de recherche, qui travaille sur les aspects matériaux des capteurs. Il cherche à améliorer les performances optiques du capteur comme sa netteté,
sa sensibilité en changeant et en optimisant les matériaux qui le composent.

Zoom sur la naissance d’un capteur en labo

Chaque chercheur du groupe a son domaine de spécialités que ce soit dans le radiatif, la réduction du bruit, ou la mesure. Ils sont épaulés par des ingénieurs de développement, des designers qui dessinent la centaine d’étapes nécessaire à la fabrication d’un capteur d’images, avec une précision d’une dizaine de nanomètres. Pour réduire les coûts et les temps de fabrication, des outils de simulation électrique, physique et optique, vont permettre de choisir et de mieux définir l’architecture des capteurs à embarquer afin d’atteindre l’objectif cible. Le département dispose de salles propres avec plusieurs salles noires équipées de bancs optique où la puissance et les longueurs d’ondes peuvent être contrôlées pour tester le capteur et en vérifier les mesures. Les fichiers informatiques sont ensuite envoyés en usine rigoureusement choisie pour fabrication.

Des recherches pour imaginer le futur

Les domaines à explorer restent nombreux. Les recherches se focalisent aussi pour améliorer la sensibilité des capteurs dans le proche-infrarouge pour des applications d’observation de la terre. Le groupe travaille également sur des imageurs polarisants, application utile par exemple pour l’infanterie. En effet, les soldats portent des casques équipés de caméras filmant dans le visible, éventuellement dans l’infrarouge pour la vision nocturne et polarisant pour aider à l’identification des objectifs hostiles…

L’espace est toujours un domaine d’application de ces recherches. Pour améliorer l‘observation de la Terre, des capteurs intelligents, avec des fonctions de traitement des données intra pixel seront embarqués dans les satellites. Avoir une vision du monde plus nette pour anticiper davantage notre avenir.

Focus sur un doctorant

La thèse d’Alexandre Le Roch en microélectronique est l’une des sept menées au Département Electronique, Optronique et Signal (DEOS) de l’ISAE-SUPAERO. Ses travaux portent sur l’étude des effets des radiations spatiales et nucléaires sur les capteurs d’images CMOS pour l’amélioration des instruments spatiaux et le diagnostic plasmatique pour la fusion nucléaire. Plus spécifiquement, il mène des recherches sur les défauts de silicium induits par les radiations responsables de l’augmentation du courant d’obscurité ainsi que de ses fluctuations discrètes.

Il est encadré dans ses recherches par deux directeurs de thèse, Vincent Goiffon de l’ISAE-SUPAERO et Cédric Virmontois du Centre National d’Etudes Spatiales (CNES). Cette thèse est réalisée en collaboration avec le CNES et le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).