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FranceST n°28 - 1/09/2003
Dossiers
Microdrones : les recherches s'intensifient
-aéronautique/Aérodynamique/Robotique
Corot, le satellite d'observation stellaire
-Espace/Astrophysique
EMIR : une méthode aux multiples applications
-Instrumentation/Electromagnétisme
Une médaille d'argent pour un chercheur du CRISMAT
-Matériaux
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FranceST n°28 - 1/09/2003
Microdrones : les recherches s'intensifient
Ingénieur de recherche au sein de l’Unité Micro machines thermiques MEMS du Département
Energétique Fondamentale et Appliquée (DEFA) de l'Onéra, Jacques Fort s'intéresse aux
microdrones et à leur faisabilité depuis déjà plusieurs années. Au centre de Palaiseau, il participe au
développement de recherches concernant les sources d’énergie pouvant être utilisées notamment par
des drones miniatures. Dans le cadre de travaux exploratoires sur la faisabilité de ces engins, il a
réalisé en particulier une étude bibliographique sur les oiseaux et les insectes.
Environ 1,5 million d’espèces animales ont été répertoriées sur Terre par les scientifiques, parmi
lesquelles on dénombre 1 million d’insectes, dont la majorité est dotée d’ailes, et 9 000 espèces
d’oiseaux. Jacques Fort s’émerveille devant les performances des oiseaux. “Apparemment simple, le vol
d’un oiseau est extrêmement compliqué. Il faut en effet qu’il contrôle en permanence tout un ensemble
de paramètres comme son état de surface, son profil, sa cambrure et son angle d’attaque afin d’empêcher
le décrochement de se produire”, explique-t-il. Aussi petits que de grosses abeilles, certains colibris
surpassent en aisance les hélicoptères les plus sophistiqués et sont capables de voler en stationnaire
tout comme la libellule qui pèse environ 0,2 gramme. "Notre objectif est de pouvoir embarquer à terme
une centaine de grammes. C’est là que réside toute la difficulté de développer des microdrones”,
constate l’ingénieur de Palaiseau selon lequel il s’agit de s’inspirer des insectes et des oiseaux plutôt
que de les copier.
Plusieurs programmes en cours dans le monde
Pour autant, verra-t-on dans le futur un “porte-microdrones” acheminer une multitude de drones
miniatures, de la taille d’un insecte, dont la mission consistera à neutraliser un ennemi potentiel ?
Jacques Fort, même s’il reconnaît que les appareils nécessaires à la réalisation d’une telle mission font
encore partie de la science-fiction, estime néanmoins que ces fabuleux engins pourraient devenir une
réalité au cours des prochaines décennies. Des microdrones à l’image de celui que Franck Herbert mettait
en scène dès 1965 dans son roman intitulé “Dune”, une sorte de “minuscule tueur-chercheur” ne
mesurant pas plus de cinq centimètres.
Dès à présent, aux Etats-Unis, notamment au Masschussets Intitute of Technology (MIT) et au California
Institute of Technology (Caltech), des équipes relativement importantes travaillent sur le sujet tout
comme au Japon. “Une équipe de Caltech a déjà réalisé un petit avion, dont les ailes souples dotées d’un
bord d’attaque rigide battent. Equipé d’une batterie au lithium, d’une boîte de vitesse et d’un moteur
électrique, cet appareil dont la masse est d’environ dix grammes a effectué des vols d’une durée de dix à
vingt secondes”, souligne ce chercheur qui précise que de son côté, Israël développe actuellement un
mini-drone d’observation militaire pesant une centaine de grammes qui dispose d’une autonomie de
vingt minutes et dont les ailes ont la taille de celles d’une libellule.
Problèmes aérodynamiques et sources d’énergie
Au sein de l’Onéra s’est mis en place un groupe de travail qui rassemble cinq personnes, issues des
différents centres, afin de réaliser au cours de l'année 2003 un gros effort de réflexion sur le sujet, la
conception d’un microdrone n’étant pas une mince affaire. En effet, les ingénieurs vont être confrontés à
de nombreux problèmes d’aérodynamiques mais aussi de choix de sources d’énergie. Ainsi la
dimension de ces drones miniatures et les vitesses envisagées conduisent à des nombres de Reynolds
très faibles et à de faibles allongements, alors que le domaine le mieux connu des aérodynamiciens est
celui des ailes à grand allongement dans un écoulement à grands Reynolds. “La première étape menant à
la réalisation d’un démonstrateur passera par la conception d’une petite maquette qui fera l’objet
d’essais dans une soufflerie afin de visualiser certains paramètres à l’aide de diagnostics optiques dont
nous disposons en interne”, indique Jacques Fort. Parallèlement, la réalisation d’une petite balance
permettra de mesurer la portance de cet engin. “Nous souhaitons disposer d’un maximum de portance.
Quand celle-ci sera suffisante, nous en déduirons, en fonction des technologies disponibles, le poids de
l’appareil”, précise-t-il.
La source d’énergie représente un problème très important dans le développement de ces microdrones.
Les premiers calculs réalisés par l’équipe de l’Onéra montrent que les batteries lithium-ion disponibles
aujourd’hui disposent d’assez d’énergie pour permettre le fonctionnement du microdrone et de
l’instrumentation embarquée à son bord. Au sein de l’Onéra, des travaux ont néanmoins été lancés afin
de trouver de nouvelles sources d’énergie, en particulier à partir de la combustion d’hydrocarbures mais
également d’autres solutions comme la thermoélectricité. Selon les spécialistes de l’Onéra, une première
maquette rustique d’un microdrone devrait voir le jour dans les deux à trois ans qui viennent. Du fait du
domaine de vol particulier de ces engins et de leur forte sensibilité aux fluctuations du vent en raison
de leur petite taille, l’aspect commande et dynamique du vol nécessitera aussi de nombreux
développements tout comme les microsystèmes embarqués à leur bord.
aéronautique/Aérodynamique/Robotique
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FranceST n°28 - 1/09/2003
Surveiller les grandes surfaces ou les couloirs du métro
Parlant des insectes, Jacques Fort avoue être admiratif quand il observe leurs mouvements. “Nous
devrons utiliser des matériaux qui soient à la fois suffisamment légers et puissent résister aux
contraintes. Peut être parviendra-t-on un jour à faire vibrer des ailes, mais je pense qu’il sera plus facile
dans une première étape de concevoir un microdrone qui s’inspire des oiseaux plutôt que des insectes”,
estime-t-il. Selon cet ingénieur, ces drones miniatures devraient connaître un développement important
au cours des prochaines décennies à travers de multiples applications militaires et civiles. Certains
envisagent notamment de leur faire surveiller les grandes surfaces ou encore les couloirs du métro.
Contacts :
ONERA : Pierre Brégon - Tél. [phone]. - Fax. [phone]. - Courriel :
[email protected]
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Corot, le satellite d'observation stellaire
Alcatel Space et le CNES viennent de signer un contrat de 15 millions d'euros correspondant à la
troisième et dernière tranche du programme Corot. Véritable première mondiale, cette mission
scientifique retenue par le CNES a deux objectifs scientifiques : l'étude la structure et de la
dynamique interne des étoiles par observation des modes propres d'oscillation d'une part, la
recherche d'exoplanètes d'autre part.
Proposée dès 1993 par Annie Baglin de l'Observatoire de Meudon et Claude Catala, aujourd'hui à
l'Observatoire de Midi-Pyrénées, Corot est un projet conduit en coopération avec de nombreux
partenaires européens, tant sur le plan technique que scientifique. Cette mission, dont les premières
études ont démarré au début 1994, a deux objectifs complémentaires. Domaine particulièrement
prometteur de l'astronomie spatiale, l'astérosismologie représente le premier d'entre eux. Il s'agit de
détecter et de mesurer les caractéristiques des modes propres d'oscillation des étoiles. Ces oscillations
sont en fait des ondes acoustiques ou de gravité qui se propagent à travers chaque étoile. Mais l'absence
de résolution spatiale sur le disque stellaire limite le nombre de modes observables et seuls les modes
de plus bas degré sont alors détectables.
Si au cours d'expériences récentes comme IPHIR sur le satellite PHOBOS, ou VIRGO à bord de SOHO,
jusqu'à 30 modes ont pu être distingués, Corot pour sa part devrait obtenir des résultats comparables
pour des étoiles à fortes variations. En revanche, les modes observés seront moins nombreux pour des
étoiles de type solaire qui présentent des amplitudes faibles. Cependant, en réalisant une observation
continue et stable durant 150 jours, il sera possible d'atteindre une résolution de 0,1 microhertz, une
performance impossible à réaliser avec ces observations terrestres à moins de disposer d'une réseau de 8
télescopes de 8 mètres de diamètre également répartis sur la surface terrestre, en supposant résolus les
problèmes de raccordement de données.
Un programme d'astérosismologie divisé en deux parties
Les résultats que cette mission permettra d'obtenir devraient contribuer à l'élaboration de modèles
hydrodynamiques stellaires. Pour y parvenir, ce programme d'astérosismologie sera divisé en deux
parties, avec d'un côté un programme exploratoire visant à découvrir les propriétés sismologiques
d'étoiles de différents types, de l'autre un programme central afin d'étudier en détail des objets
sélectionnés. Pour le premier de ces programmes, il s'agira d'explorer différents types d'étoiles, depuis
les plus massives (type spectral O et B), jusqu'au moins massives (type spectral G et K). Précisons qu'à
ce jour, il n'existe aucune autre prédiction quant aux modes internes de ces étoiles différentes du Soleil.
Aussi des observations d'une durée d'environ 10 à 20 jours, conduisant à des résolutions en fréquence
de 0,6 microhertz, devraient-elles permettre d'évaluer la taille des coeurs convectifs des étoiles plus
massives que le Soleil.
Quant au programme central, sa mission sera d'observer un petit nombre d'étoiles déjà bien connues,
afin d'obtenir des mesures très fines des fréquences de leurs modes d'oscillation et de l'ensemble des
grandeurs qui les caractérisent. A cette occasion seront collectées des informations sur les principaux
processus dynamiques (structure des coeurs convectifs, taille et composition de la zone convective
extérieure, profil de rotation, mécanismes d'excitation et d'amortissement).
La partie la plus fascinante de la mission
Les astrophysiciens estiment aujourd'hui qu'au moins 5% des étoiles seraient accompagnées de
planètes. La plupart de celles qui ont été découvertes jusqu'à présent sont beaucoup plus massives que
la Terre et sont situées sur des orbites très proches de leurs étoiles respectives., d'où leur appellation de
"Jupiters chauds". Par conséquent, le deuxième objectif de Corot, sans conteste la partie la plus
fascinante de la mission, sera de découvrir des planètes du même type que la Terre, éventuellement
propices à l'apparition de la Vie. Pour ce faire, il s'agira d'observer les occultations de l'étoile
provoquées par les transits des éventuelles planètes. Précisons que le nombre de transits attendus au
cours de la durée de ce programme, soit environ deux ans et demi, est évalué entre 20 et 50. Au moins 30
000 étoiles de la séquence principale devront être observées. Parallèlement, des variations de flux
relatives entre 7.10-4 et 5.10-3 pour des magnitudes comprises entre 15;5 et 11 seront mesurées.
Première mission spatiale de sismologie stellaire et de recherche de planètes telluriques, Corot devrait
permettre ainsi la découverte de plusieurs dizaines de planètes, incluant des objets de type terrestre. Du
moins, tels sont les espoirs des nombreux chercheurs qui participent à cette mission dont le lancement
est prévu courant 2006.
Espace/Astrophysique
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Une première mondiale
Corot est le troisième satellite à bénéficier de la plate-forme baptisée PROTEUS (Plate-forme
Reconfigurable pour l'Observation, les Télécommunications et les Usages Scientifiques), un concept
récent destiné à des satellites situés dans une gamme de masse de l'ordre de 500 kg. Corot sera mis en
orbite polaire à une altitude voisine de 850 km. Précisons que l'attitude du satellite sera inertielle, la
ligne de visée gardant la même direction sur une période d'observation de 5 mois. La mission complète
comprendra au moins 5 périodes d'observation sur une durée totale de deux ans et demi. Par ailleurs, le
télescope afocal Corotel fourni par Alcatel Space bénéficie de l'héritage du programme d'observation
Hélios, notamment concernant les contraintes de stabilité du télescope exigées pour cette mission.
"Corot est une mission scientifique fondamentale pour l'astronomie européenne", a déclaré Yannick
d'Escatha, Président du Cnes. "Dans ce défi majeur de l'exploration de l'Univers, le Cnes est
particulièrement heureux d'offrir à la communauté des chercheurs un satellite dont les instruments
permettront à la science d'accomplir d'immenses progrès dans cette formidable avanture que constituent
la quête d'exoplanètes et l'étude des étoiles. La France et l'Europe se devaient d'être présentes dans cette
course à la découverte de l'Univers et de ses mécanismes fondamentaux par cette expérience qui est une
première mondiale".
Contacts :
- Cnes : Eliane Moreaux - Tél. [phone]. - Courriel : [email protected]
- Alcatel Space : Laurent Zimmermann - Tél. [phone].
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