Analyse mécanique d'un capteur d'onde choc aérienne (COCA) ultrarapide // Mechanical analysis of an aerial shock wave sensor

Contexte :
Le CEA-DAM Gramat et le CNRS-LAAS collaborent, depuis une dizaine d'années, sur les capteurs d'onde de choc aérienne dans le cadre du Laboratoire de Recherche Conventionné LICUR (Laboratoire sur l'Instrumentation et les Capteurs Ultra-Rapides ).
Ces ondes de choc générées par la mise à feu de charges pyrotechniques sont des phénomènes extrêmement brefs, avec une variation brutale des grandeurs physiques : pressions de plusieurs dizaines de bars, vitesses de plusieurs centaines de mètres par seconde, températures de plusieurs milliers de degrés Celsius. Les capteurs disponibles sur le marché ne suffisent pas à répondre à l'ensemble des spécifications demandées pour la caractérisation des phénomènes liés à ce type d'application.
Les travaux déjà réalisés ont permis de réaliser un transducteur de pression à grande bande passante (fréquence de résonance mécanique d'une dizaine de MHz) avec un packaging spécifique et un circuit de conditionnement adapté.

Objectifs:
Les capteurs d'onde de choc étudiés sont constitués par :
1- Un transducteur de pression composé d'une micro-membrane en silicium équipée de jauges de déformation.
2- Un support en verre sur lequel sont intégrés plusieurs transducteurs de pression et qui permet également de réaliser les interconnexions électriques entre les différents éléments sensibles et vers le circuit de conditionnement.
3- Un boîtier robuste aux chocs.
4- Un circuit de conditionnement qui garantit la bande passante du capteur et permet la mesure par plusieurs transducteurs en simultané.

L'objectif générale est d'augmenter le niveau de TRL du capteur. Il s'agira notamment de comprendre l'origine des perturbations et d'y remédier. Dans le cadre d'une collaboration avec l'ICA, la thèse s'articulera autour d'une forte composante simulation complétée par un volet expérimental.
Ces travaux seront réalisés en étroite collaboration avec des ingénieurs spécialisés en micro-technologies et électronique analogique.

Déroulement:
Les travaux porteront tout d'abord sur l'analyse des mesures déjà réalisées depuis plusieurs années en laboratoire sur les capteurs prototypes qui ont été fabriqués, afin d'identifier les causes qui génèrent les perturbations relevées sur les réponses temporelles des capteurs.
Puis des dispositifs de tests seront conçus pour discriminer ces effets potentiels identifiés. La partie fabrication en micro-technologie sera prise en charge par un ingénieur spécialisé sur les capteurs d'onde de choc. Ces dispositifs seront ensuite caractérisés en pression dynamique sur le site du CEA Gramat ou/et de l'ICA.
Le solutions retenues seront testées en environnement réel (tube à choc, explosion en espace libre).
Des simulations numériques mécaniques, potentiellement couplées avec d'autres phénomènes physiques (thermique, électromagnétisme, etc), seront effectuées à l'aide d'un logiciel par éléments finis, p.ex. COMSOL (LAAS) ou/et Abaqus (ICA).
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Début de la thèse : 04/01/2027

Financement d'un établissement public Français

Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace

468 MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés

Titulaire d'un Bac +5 ou sur le point de l'obtenir Compétence en mécanique numérique des solides Goût pour la programmation (fortran, python) et la simulation numérique (Abaqus, COMSOL, ...)
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