STAE-Toulouse - Science et Technologies pour l'Aéronautique et l'Espace
La lettre d'information n°4 - septembre 2011
 
 
Edito
Par Nicole Belloubet, vice-présidente de la Région Midi-Pyrénées

La Région Midi-Pyrénées a soutenu, avec le Grand Toulouse, la création du RTRA "Sciences et Technologies pour l'Aéronautique et l'Espace". Ces deux collectivités territoriales siègent au sein de son Conseil d'Administration avec les organismes de recherche fondateurs du RTRA et ses entreprises donatrices. L'existence de ce réseau et la qualité de son fonctionnement depuis 5 ans constituent des indicateurs tangibles du dynamisme scientifique de nos laboratoires de recherche dans ce domaine à fort potentiel d'application, point fort de notre économie régionale.
Les projets de recherche labellisés et financés par le RTRA ont permis d'injecter, depuis 5 ans, plus de 10 Millions d'euros dans le tissu scientifique de nos universités. Grâce à ce financement, près de 40 chercheurs post doctoraux, de 20 nationalités différentes, y travaillent en permanence. Leurs travaux permettent de préciser la vision des évolutions à long terme des secteurs aéronautique et spatial, souvent en amont des activités de développement qui seront portées, dans le futur, par l'IRT " Aéronautique Espace et Système Embarqués ", récemment labellisé dans le cadre des "investissements d'avenir". D'une manière plus structurelle, les initiatives de ce réseau ont permis l'accueil de deux plateformes technologiques (caractérisation des matériaux et calcul intensif) dans le projet de l'Espace Clément Ader sur le site de "Montaudran Aerospace".
Les premiers projets, financés par le RTRA depuis 2008, ont produit ces derniers mois, leurs résultats définitifs. Des " ateliers de restitution " sont organisés pour les exposer. Ce numéro en évoque deux : les projets " SYMIAE " et "FDAI-UV". Leurs objectifs "aval" s'inscrivaient respectivement dans la perspective d'applications aéronautiques (la maintenance active des aéronefs et la communication sécurisée à bord) ainsi que dans l'anticipation d'une nouvelle mission spatiale scientifique et des retombées technologiques uniques que l'on peut en attendre. L'état d'avancement de tous les projets du RTRA sera présenté, à l'occasion de ses "Premières Rencontres d'Automne", le 18 octobre prochain à l'Hôtel d'Assezat.

Ce numéro de la lettre informatique du RTRA nous informe par ailleurs sur deux évènements directement liés à la vie et à l'action du RTRA :
- l'avancement des travaux de la commission des relations internationales : ils traduisent la volonté du RTRA de s'ouvrir à des collaborations scientifiques ancrées dans notre terreau régional mais s'inscrivant aussi dans des champs élargis, afin de contribuer à accroître la visibilité internationale de notre dispositif de recherche ;
- une rencontre entre le RTRA et la société Microturbo-Safran : parmi d'autres (cf. la lettre de juin) la visite de cette entreprise du groupe SAFRAN traduit le souhait d'amplifier la communication avec le tissu industriel afin de rapprocher les cultures et de mieux faire coïncider les orientations scientifiques avec les visions d'avenir des entreprises.

Qu'il s'agisse des ambitions voulues par et pour le RTRA, ou de ses réalisations concrètes, ce réseau fait sens et témoigne de sa pertinence auprès des acteurs du secteur. Avec volonté, le Conseil régional soutient l'ensemble de ses démarches et de ses activités.
La vie du RTRA
La stratégie de développement à l'international
Au-delà de son insertion dans le paysage scientifique national, le RTRA/STAE se doit de veiller à sa bonne reconnaissance internationale, et de mettre en place pour ceci un ensemble d'actions spécifiques. De fait l'objectif est double :
- d'une part donner aux actions du réseau une visibilité accrue à l'international ;
- d'autre part enrichir la panoplie des outils mis à la disposition des équipes travaillant dans le cadre du réseau afin que celles-ci soient encore mieux armées pour développer leurs collaborations avec leurs partenaires étrangers.

Afin de préciser quelles pourront être les modalités les plus prometteuses pour construire ce développement, une série de rencontres a été organisée, sur la période d'avril à juin 2011, avec l'ensemble des responsables de chantiers et des responsables de projets, avec les 3 représentants des chercheurs au conseil d'administration, avec le président du conseil scientifique et avec le pôle "Aerospace Valley". Au total ce sont donc plus de 30 personnes qui ont pu, ainsi, être consultées individuellement. Les échanges ont porté sur 2 types de modalités :
- identifier les grands laboratoires étrangers avec lesquels les équipes ressources du réseau entretiennent les relations scientifiques les plus nourries, et définir, à partir de cette cartographie, les campus internationaux les plus actifs dans les domaines du RTRA/STAE ;
- identifier des mécanismes d'aide aux actions internationales des laboratoires ressources, en priorité dans le cadre des projets existants, mécanismes non disponibles actuellement dans la panoplie des soutiens existant aux niveaux régionaux, nationaux, et bilatéraux. Certains de ces mécanismes auront aussi vocation à être retenus pour les actions mises en place dans le cadre des jumelages.

Avant mise en oeuvre, les diverses propositions présentées ci-après ont été inscrites à l'ordre du jour de la dernière réunion avec les directeurs d'unités, coordinateurs de projets et chantiers et correspondants TOMPASSE (23 septembre), et elles seront aussi inscrites à l'ordre du jour du prochain conseil d'administration (18 novembre).

Quelques actions de jumelage

Le principe a été retenu de concentrer les actions de jumelage avec les seuls centres pour lesquels existent des intérêts pluridisciplinaires au sein de STAE. C'est ainsi qu'ont pu être dégagées 2 grandes priorités :
- avec le Québec, pour lequel sera recherchée la mise en place d'accords avec les 2 consortia financeurs de recherches, dans le cadre "Climat" avec OURANOS (Consortium sur la climatologie régionale et l'adaptation aux changements climatiques), et dans le cadre "Aéronautique" avec le CRIAQ (Consortium de Recherche et d'Innovation en Aérospatiale au Québec) ;
- avec le campus de Stanford, en commençant à structurer les relations autour de la combustion avec le CTR (Center for Turbulence Research), avant de chercher à étendre à d'autres départements.

En plus de ces deux priorités, des actions exploratoires seront menées avec l'Université de Cambridge et avec l'Allemagne dans le cadre des réseaux "Helmholtz" et "Fraunhofer".
Au-delà d'actions de soutien spécifiques (cf. infra), ces jumelages donneront lieu à des actions de communication communes.

Des modalités complémentaires de soutien des collaborations internationales

Trois modalités principales ont été suggérées par les personnes rencontrées, qui recommandent des soutiens :
- aux échanges de chercheurs confirmés, par exemple en instaurant un (nouveau) mécanisme pour des accueils sans durée minimale (de type "consultance"), mais construit sur des périodes d'au moins 3 ans et avec engagement d'implication dans une ou plusieurs actions de STAE, ou encore en créant des bourses de voyage pour de (très) jeunes chercheurs impliqués dans des actions STAE ;
- à la formation, par exemple en organisant des écoles thématiques, des conférences avec "tutoriaux", des séries régulières de "summer (ou "fall ou "winter !) programmes" (avec les sites retenus pour jumelage), en liaison avec les fondateurs du RTRA
- aux programmes de recherche, par exemple en organisant avec les sites jumelés des appels d'offres bilatéraux ainsi que des réciprocités d'accès à des plateformes technologiques (incluant les plateformes de calcul).

Il a aussi été suggéré de mettre en place des rencontres informelles, sur thème mais sans ordre du jour contraignant, avec des chercheurs seniors de différents centres, modalité qui se révèle très fructueuse pour faire émerger de nouvelles approches.
Le RTRA et le monde industriel
Les rencontres bilatérales entre les industriels et le RTRA se poursuivent et une réunion avec Microturbo s'est tenue sur son site le 21 mars.

Des représentants des programmes de R&T de Microturbo conduits par leur responsable J.F. Rideau , ont échangé avec des représentants des laboratoires CIRIMAT (projet ARCS), IMFT (projet PHYSCALE) et LAAS (intégration des composants de puissance), sous l'égide du directeur de la Fondation STAE D. Le Quéau.
MICROTURBO, société du groupe SAFRAN, est un des leaders mondiaux des turbines à gaz. Les principales familles de produits sont les réacteurs, les démarreurs, les groupes auxiliaires de puissance et les groupes auxiliaires terrestres, destinés à des applications de type missiles, drones et avions d'affaire (principalement) avec un souci d'optimisation des conditions d'utilisation en vol, mais aussi au sol (taxi way, énergie dépensées et pollutions, chimiques ou sonores).

Les produits concernés sont principalement :

1. Les turboréacteurs pour missiles et drones, dont les caractéristiques principales sont leur faible durée d'utilisation et les fortes contraintes opérationnelles auxquelles ils sont soumis. L'optimisation des phases d'opération, et la miniaturisation des composants constituent égalemement des objectifs majeurs, dans un contexte où le coût des systèmes doit être drastiquement maîtrisé
Coupe de turboréacteur
2. Les APU (Auxiliary Power Unit). Ces turbomoteurs fournissent de l'air comprimé pour le démarrage des moteurs d'avion, ainsi que pour le conditionnement, la pressurisation, le dégivrage, et la fourniture d'énergie électrique. Les principales évolutions doivent accompagner le virage de plus/tout électrique et concernent précisément l'optimisation de cette fourniture d'énergie, selon les divers régimes de fonctionnement du " système " avion, et l'accroissement corrélative de la sécurité en vol.
Modélisation APU
Microturbo a évoqué les verrous technologiques relatifs aux différents produits et qui relèvent du domaine des matériaux, de la gestion optimisée de l'énergie, des aspects système et modélisation et des composants de puissance. Les principaux verrous technologiques signalés par l'entreprise concernent :
- Pour ce qui s'agit de la propulsion, l'optimisation des compresseurs et des chambres de combustion, ainsi que la résistance des matériaux pour les pièces critiques - lignes d'arbre et roues de turbines.
- Et, pour les APU, des soucis similaires, auxquels viennent s'ajouter la gestion correcte des cycle de fonctionnement en lien, notamment, avec l'optimisation de l'utilisation de l'énergie bord.
Les représentants des laboratoires ont présenté les projets, notamment ceux financés par le RTRA, dont les avancées pourraient intéresser spécifiquement l'entreprise Microturbo. C'est en particulier le cas des projets du chantier PHYSCALE récemment labellisé, qui devrait permettre de modéliser complètement le fonctionnement d'une chambre à combustion, de la phase d'injection des microgouttelettes de carburant à l'éjection des gaz en passant par la dynamique turbulente des flammes. Un intérêt particulier s'est également exprimé pour la microphysique des alliages constitutifs des supports de structures, lourdes et fortement sollicitées, en avionique, et pour l'optimisation de la gestion des énergies, à bord. Ces échanges, pour l'instant informels, ont été très appréciés par les deux parties. Ils constituent à l'évidence les prémisses de futures et fructueuses collaborations.
Nos actions
Résultats du projet SYMIAE
L'atelier de restitution du projet "SYMIAE" s'est déroulé le 4 Juillet 2011, au LAAS. Au delà de l'exercice obligé qui clôt les projets fiancés par le RTRA, cet atelier constituait la première journée de la " 7 th International Summer School on RF-MEMS and RF Microsystems ". Il a accueilli une trentaine de participants issus de nombreux pays.
Les applications aéronautiques et spatiales des Micro systèmes électro mécaniques ont été présentées par un représentant d'une PME spécialisée (N0VAMEMS / INTESENS) et par un ingénieur EADS de Munich. Les réseaux de capteurs embarqués destinés à assurer le contrôle de l'intégrité et la maintenance active des systèmes aéronautiques constituent un premier champ d'applications. Vitales en matière de sécurité, ces activités peuvent représenter plus de 50 % du coût " propriétaire " des systèmes. Les micro-systèmes RF permettent également de réaliser de nombreux composants - diodes PIN et Schottky, varactor - qui, intégrés sur des micro-puces, et couplés à des micro antennes peuvent constituer des réseaux d'intercommunication instantanément reconfigurables, à grande " agilité " fréquentielle, et offrant ainsi une grande sécurité de transmission.

Le projet SYMIAE vise à implémenter, au sein d'une micro puce élémentaire, une architecture " intelligente " constitutive d'un système d'émission/réception, à modulation d'impulsion, agile et reconfigurable, fonctionnant vers 60 GHz. L'intérêt d'un tel réseau réside dans sa reconfigurabilité immédiate assurant une communication à très large bande et à haute directivité, avec un taux de transmission très élevé et la possibilité de disposer simultanément de très nombreux noeuds de communication, dans un domaine spatial restreint.
Exemple d'application du projet SYMIAE : antenne micro-ondes (~ 30 - 100 Ghz) directionnelle, constituée d'un réseau de microsystèmes émetteurs/récepteurs, fixé sur un support flexible
La " puce " élémentaire de SYMIAE associe une " couche de base " (couche MAC pour " Media Access Control ") chargée du multiplexage temporel des impulsions et des signaux de synchronisation des horloges, à un transmetteur à haute fréquence (60 GHz), couplé, via des interrupteurs Micro-électro-mécaniques (MEMS) à des micro antennes inductives. Ces puces sont ensuite groupées selon un réseau phasé, fixé sur un support souple. L'intégration sur une même " puce " de ces différentes technologies constitue un système ayant une consommation électrique très faible (50-500 µW), une faible puissance de transmission (~ 1-5 pJ/bit), des pulses d'émission très courts (0,7 – 20 ns), difficilement " interceptables ", ainsi qu'une grande facilité de synchronisation (à moins d'une ns) et un haut débit (jusqu'à 375 Mbits/s).

Le coeur du dispositif mis au point pendant le projet SYMIAE réside dans la réalisation, puis la mise au point du micro interrupteur électromécanique chargé de connecter / déconnecter les antenne HF et assurer ainsi le phasage dynamique du réseau. Cet élément est constitué par une " pont " capacitif, constitué d'une membrane diélectrique, élastique et déformable sous l'effet d'un champ électrique, de dimension submillimétrique et d'épaisseur submicronique, qui court-circuite, en se déformant, les micro-guides d'ondes qui propagent le signal.

Les nombreuses contraintes technologiques de micro-construction de cette pièce essentielle du dispositif SYMIAE, ont nécessité de développer de nouveaux procédés de fabrication de couches minces diélectriques. Les micro-actuateurs, soumis à par des champs électriques intenses (jusqu'à 100 kV/mm) doivent être capables d'évacuer les charges électriques induites, dont l'accumulation finit par bloquer le microsystème mécanique. Pour cela on met en place sur les éléments diélectriques du système un gradient de conductivité contrôlé réalisé à l'aide d'une décharge à plasma RF de composition variable.
Nano caractérisation de la charge de surface et de la force adhésives entre deux couches de substrats diélectriques par utilisation d'un microscope à force atomique.
Charges mesurées sur le substrat à différents temps d'injection (0,1 ms à 1s) à un potentiel de 40 V
SYMIAE a bénéficié d'une large collaboration internationale, associant aux laboratoires toulousains (LAAS, LAPLACE, CIRIMAT) des acteurs canadiens (Université de Toronto ; développement du transceiver placé au " front end " de la puce SYMIAE) et américains (Georgia Tech ; impression " low cost " de circuits par jet d'encre et intégration sur des substrats flexibles). SYMIAE a permis de publier 15 articles dans des revues internationales.

Bien que le système complet soit encore au niveau de la validation de laboratoire (TRL 3-4) il est patent que SYMIAE a joué un rôle de précurseur, et d'accélérateur de technologies. Des plateformes de caractérisation et de réalisation de micro-systèmes ont été réalisées, puis mises à la disposition des industries régionales. Des développements seront encore nécessaires pour fiabiliser et rendre économiquement rentables les innovations issues d'un tel projet. Mais d'ores et déjà, SYMIAE fait bénéficier l'industrie aéronautique et spatiale de notre région de nouvelles technologies de micro implémentation, et d'un prototype de réseau de communication, utile pour les systèmes aéronautiques embarqués, comme pour les futurs satellites de communication à très haut débit (Megasat).
Expert sur un projet : bilan et perspectives
Luis Nunes Vicente est professeur au Département de mathématiques de l'Université de Coimbra (Portugal). Il est intervenu en qualité de chercheur senior sur le projet ADTAO de mai à août 2011. Sa mission : améliorer des techniques de minimisation basées sur des propagations de densités Gaussienne et prouver leur convergence. La finalité : l'amélioration de modèles physiques où il s'agit de minimiser l'écart entre des valeurs observées et des valeurs prédites par modèle pour l'estimation de paramètres géophysiques
Il nous présente ici les résultats et les suites de cette collaboration...
La Lettre : Quel a été votre rôle sur le projet deux ans après son démarrage ?
Luis Nunes Vicente : C'est principalement sur le développement des algorithmes d'optimisation globale pour les problèmes d'inversion de données en géophysique qu'a porté ma participation au projet. Les problèmes inverses sont comme un jeu dont on connait la réponse mais où il faut découvrir la question à partir d'un système de règles très compliquées. Sur ADTAO, il s'agit de récupérer des propriétés qui caractérisent la densité des sous-surfaces terrestres (comme leurs champs de vélocité) à travers des données observées (par exemple les réponses aux ondes envoyées à la surface), en utilisant des modèles mathématiques.
La clé pour résoudre ces problèmes difficiles est précisément l'optimisation, ou plutôt les algorithmes d'optimisation. Cependant, la complexité des modèles rend l'optimisation difficile, en particulièrement à cause de la non linéarité et de la non convexité des fonctions.
La lettre : Est-il possible aujourd'hui d'en présenter un premier bilan ?
LNV : Nous terminons actuellement un article sur l'application de nouveaux algorithmes aux problèmes inverses en géophysique. On a choisi une classe très populaire d'algorithmes d'optimisation globale appelés stratégies évolutionnaires. Ce type de méthodes manque aujourd'hui d'une démonstration de convergence rigoureuse; cela explique peut-être leur mauvaise performance dans un contexte où une simple évaluation des fonctions à minimiser est couteuse en temps de calcul. C'est ce qui a motivé notre travail.
Nous avons identifié de nouvelles stratégies évolutionnaires plus efficaces et robustes, et capables d'avoir des propriétés de convergence rigoureuses et équilibrées.
La Lettre : Aviez-vous déjà participé à un projet de ce type et sous cette forme ?
LNV : J'avais également participé au projet OSYCAF pour la Fondation. Bien que différent, j'ai retrouvé pour chaque projet une ambiance et des conditions de travail propices, facilitées par la Fondation STAE, le laboratoire CERFACS et l'IRIT ; je dirais même qu'elles ont été exceptionnelles.
En plus, Toulouse est aujourd'hui un des centres d'optimisation parmi les plus grands et les plus prestigieux d'Europe où se fait la recherche de première ligne et où l'on travaille aussi sur ses applications. La Fondation RTRA-STAE joue, à mon avis, un rôle catalyseur très important dans cette interaction et dans l'internationalisation des ressources toulousaines.
Il s'agit d'une structure originale, la recherche portugaise ne compte pas de structure de ce type.

La Lettre : Quelles suites envisagez-vous aujourd'hui ?
LNV : L'optimisation des systèmes complexes fournit un vaste champ de recherche notamment par la taille des problèmes à résoudre.
Je continue à coordonner certains travaux en lien avec l'équipe dirigée par le professeur Serge Gratton, coordinateur du projet ADTAO sur la résolution des problèmes de données réels provenant de l'imagerie sismique et de l'exploration pétrolière.
  En savoir plus sur ADTAO
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Parution : Remote Sensing of Environment, 115(6), 1588 1594,doi:10.1016/j.rse.2011.02.003, 2011.
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Nom du projet : CYMENT

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Sommaire
 Edito
 La vie du RTRA
 
    La stratégie de développement à l'international
 
    Le RTRA et le monde industriel
 Nos actions
 
    Résultats du projet SYMIAE
 
    Expert sur un projet : bilan et perspectives
 
 

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