Une trajectoire de haut vol

Directeur du laboratoire de structures et systèmes spatiaux de la faculté des Sciences appliquées, le Pr Gaëtan Kerschen a décroché une troisième bourse ERC. De quoi mieux maîtriser encore les vibrations non-linéaires des structures aérospatiales.

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i votre enfant passe des heures à assembler des briques Lego, ne le découragez pas : c’est peut-être le signe d’une vocation d’ingénieur. C’est du moins ce qui s’est passé avec Gaëtan Kerschen. « C’est vrai que, enfant, j’aimais beaucoup construire avec des Lego, s’amuse-t-il aujourd’hui. J’ai aussi toujours été attiré par les ordinateurs et la technologie. J’ai commencé à programmer vers l’âge de 11 ou 12 ans. » À cela s’ajoute un autre intérêt : le ciel et l’espace. Quoi de plus évident que de rêver être pilote de chasse ? Las, une myopie vint briser ce rêve. La voie des études d’ingénieur s’impose. « Je n’ai pas hésité, c’était un choix naturel. » Et plus encore de s’orienter vers le secteur aérospatial. « Si l’orientation biomédicale existait à l’époque, j’aurais peut-être hésité car elle offre également des perspectives fascinantes : développer des technologies applicables au corps humain représente un défi de taille. »

Au fond, ce qui anime avant tout Gaëtan Kerschen reste la dimension appliquée de la recherche : « J’ai toujours été attiré par ce que l’on peut concevoir et construire. D’ailleurs, je n’avais pas l’intention de réaliser une thèse de doctorat. Mais en dernière année d’études, j’ai effectué un stage dans une entreprise qui s’appelait alors Techspace Aero*, qui fabrique des moteurs d’avions. Moi qui avais toujours apprécié la pratique, j’ai réalisé que le côté théorique me manquait. Quand on m’a proposé d’entamer une thèse de doctorat, j’ai accepté… et je ne l’ai jamais regretté. »

Vibrations non-linéaires

Sa thèse (2003), dans le prolongement de son travail de fin d’études, a porté sur les vibrations non-linéaires. Elles satisfont l’aspect concret qu’il affectionne : « Quelque chose qui vibre, on le voit, on le sent, on l’entend. » Quant à la non-linéarité, elle va contenter son intérêt pour la recherche. Si elle pose de réels problèmes dans le monde industriel, particulièrement en aéronautique et dans le spatial, elle est encore peu prise en compte à cause de la complexité des phénomènes qu’elle engendre. La non-linéarité signifie que les relations entre forces appliquées et réponses des systèmes ne sont pas proportionnelles (contrairement à une relation linéaire). Des réponses – qui peuvent aller jusqu’au chaos – qu’il est donc difficile de prévoir alors que les systèmes ont le plus souvent des réponses non-linéaires. Un avion, par exemple, est composé d’un assemblage de pièces différentes, ce qui implique la présence de jeux : il y a toujours des espaces libres qui permettent aux vibrations de s’installer… jusqu’à ce que celles-ci deviennent trop importantes et génèrent des impacts quand le jeu disponible est consommé. Cette non-linéarité est fréquente dans le spatial et l’aéronautique, aussi à cause des grandes différences de température. En résumé, une structure n’est donc jamais linéaire car il suffit de la déformer suffisamment pour qu’apparaisse une non-linéarité.

L’aventure grecque

La thèse de Gaëtan Kerschen est d’ailleurs novatrice. À cette époque, il n’existe pas de cours sur le sujet, pratiquement pas de manuels théoriques ; les études sont expérimentales, très empiriques. « Même si je ne reniais pas mon attrait pour le côté applicatif, j’ai voulu en savoir davantage sur la théorie des vibrations non-linéaires ! » Pour ce faire, il contacte le Pr Alex Vakakis, une référence en la matière. De nationalité grecque mais en poste à l’Université d’Illinois (USA), celui-ci propose au jeune post-doc liégeois de le suivre en Grèce à l’université technique d’Athènes où il doit enseigner pendant six mois avant de retourner aux États-Unis. Et de partager un bureau avec son principal collaborateur, le Pr Lawrence A. Bergman, lui aussi partant pour l’aventure grecque. « Ce fut une période extraordinaire, se souvient Gaëtan Kerschen. Une aventure humaine d’abord parce que nous nous sommes liés d’amitié ; intellectuelle ensuite car ils m’ont appris énormément, ont été de véritables mentors pour moi. C’est comme si j’avais accompli un nouveau cursus académique. »

De retour à Liège en 2004, il poursuit ses recherches sous contrat FNRS pendant trois ans. « Initialement, je ne pensais pas enseigner. C’est la recherche qui me passionnait. J’ai donc postulé un contrat permanent au FNRS en même temps que se libérait ici à Liège une charge de cours dans le domaine des structures aérospatiales. J’ai pu choisir et j’ai finalement opté pour l’enseignement avec l’idée de “booster” le secteur spatial en complément de l’aéronautique déjà bien développée dans le département. »

OUFTI !

En octobre 2007, Gaëtan Kerschen entame donc sa carrière académique à l’ULiège et prend la direction du laboratoire de structures et systèmes spatiaux qu’il crée au sein de la faculté des Sciences appliquées. Un job d’enseignant qui commence fort, avec l’épopée du CubeSat liégeois OUFTI-1. Concevoir un nanosatellite d’1dm³ est un projet très en vogue à ce moment dans les universités. L’ULiège relève le défi. « On a commencé avec le Pr Jacques Verly en 2008. C’était un projet extraordinaire mais difficile. Extraordinaire de pouvoir offrir une telle opportunité aux étudiants et étudiantes car, il faut le rappeler, ce sont eux qui l’ont conçu et construit. Difficile, et frustrant, car c’était le fait d’étudiants en fin de cursus. Lorsqu’ils devenaient autonomes, ils quittaient l’Université et il fallait recommencer à zéro chaque année. On a mis huit ans mais on l’a finalisé. C’était un formidable outil pédagogique. »

OUFTI-1 sera lancé le 25 avril 2016 par une fusée Soyouz depuis Kourou. Un lancement auquel il assiste et qui reste un grand moment de sa carrière. Le CubeSat émettra pendant quelques semaines avant d’être réduit au silence, sans doute par une éruption solaire. Un petit frère a été envisagé avec cette fois une mission scientifique (observer les zones de stress hydriques dans le domaine de l’infrarouge moyen), mais il n’a pu voir le jour faute de moyens financiers.

Amortisseur de vibrations

On pourrait presque écrire que l’histoire du scientifique liégeois se confond avec celle des ERC, bourses de recherche octroyées par le Conseil européen de la recherche. « Ce type de bourse est le rêve de tout chercheur, explique Gaëtan Kerschen. Les sommes allouées sont importantes, il y a beaucoup de liberté quant aux buts des recherches et peu de contraintes administratives. » Il postule donc dès les premières années de l’ERC… sans succès. Il lui faudra trois tentatives avant de décrocher une ERC Starting Grant en 2012. « Il faut s’entêter, persévérer. On apprend au fur et à mesure des tentatives », prévient-il en guise de conseil à celles et ceux qui se lancent dans la recherche.

C’est avec son projet NOVIB (Nonlinear Tuned Vibration Absorber) qu’il emporte le graal en 2012. L’idée est de développer un amortisseur pour supprimer ou atténuer les vibrations des structures aérospatiales. Un amortisseur non-linéaire, ce qui manquait jusqu’alors. Des structures comme une aile d’avion par exemple subissent des vibrations. Des vibrations non-linéaires la plupart du temps, qui limitent les performances de l’avion. Des pilotes (aidés bien sûr par des simulations numériques) doivent ainsi déterminer ce qu’on appelle une “enveloppe de vol” dans laquelle les avions peuvent voler en toute sécurité. NOVIB a permis de proposer un modèle théorique de ce nouveau genre d’amortisseur, des simulations numériques et un prototype. « À ma connaissance, le dispositif n’a pas été appliqué chez les avionneurs car ceux-ci sont en général très frileux lorsqu’il s’agit de nouveaux dispositifs. Mais bien dans le secteur automobile, notamment pour réduire les vibrations du châssis des cabriolets Peugeot. »

Le succès de cette première bourse ERC pousse le Conseil européen de la recherche à lui en attribuer une deuxième en 2017, une ERC Proof of Concept cette fois, afin d’améliorer et commercialiser le logiciel d’analyse des vibrations non-linéaires mis au point à l’aide du Starting Grant. « Nous avons créé une spin-off, NOLISYS (acronyme de nonlinear systems), qui a bien fonctionné jusqu’au Covid, avec des contrats pour des entreprises telles que Airbus, Ariane Group et Pratt & Whitney. À partir du confinement, ces entreprises ont allégé leur programme de R&D pour se concentrer sur la production. Et NOLISYS, qui est toujours active, n’a jamais retrouvé le niveau d’avant Covid », partage-t-il. Aujourd’hui, Safran Aero Boosters collabore étroitement avec le laboratoire de Gaëtan Kerschen, à la fois pour former les ingénieurs du groupe Safran (pas seulement de la filiale liégeoise !) mais aussi pour analyser les vibrations non-linéaires de leurs produits.

Nouvelle génération de tests

Rebelote, si l’on peut dire, en juin 2025. Cette fois, c’est une ERC Advanced Grant que le professeur liégeois décroche. Le Conseil européen a en effet été séduit par son projet ENTIRE (Experimental Continuation in Nonlinear Dynamics : Aerospace Engineering and Beyond) qui vise à développer la nouvelle génération de tests vibratoires pour les structures aéronautiques et spatiales. « Dans les tests vibratoires actuels, il y a un protocole à respecter mais qui ne tient pas compte des vibrations non-linéaires. C’est cette lacune que nous voulons combler. »

Actuellement, lors de ces tests, on applique une excitation à une structure, on mesure les conséquences. Et c’est tout. Gaëtan Kerschen et son équipe veulent concevoir des tests capables d’adapter l’excitation en fonction des résultats mesurés. Des tests “intelligents” en quelque sorte, aptes à évoluer en fonction des réponses mesurées sur les structures. Lesquelles peuvent être un composant moteur par exemple, ou un avion, ou des satellite entiers. Un projet qui intéresse aussi la Wallonie puisque, fin de l’année dernière, celle-ci a décidé, dans le cadre du programme WEL-T Investigator**, de financer un volet dédié à la valorisation industrielle. « Au lieu d’ignorer ou contourner les non-linéarités, les ingénieurs pourront ainsi disposer d’outils pour les mesurer, les comprendre et les intégrer dans leurs modèles numériques », espère le Pr Kerschen.

Parallèlement aux applications aérospatiales, le projet WEL-T explorera également de nouvelles perspectives en neurosciences, grâce à des recherches consacrées aux crises d’épilepsie, en collaboration avec l’Institut des neurosciences de Marseille. Celles-ci présentent en effet une dynamique qui rappellent certaines instabilités bien connues en aéronautique. Dans les deux cas, on observe un basculement soudain d’un état stable vers un comportement instable. Pour les chercheurs marseillais, les crises sont considérées non pas comme une simple décharge aléatoire, mais comme une activité neuronale “encodée” qui émerge lorsque le système cérébral franchit un certain seuil. Ce croisement entre disciplines pourrait ouvrir de nouvelles pistes pour mieux détecter, anticiper et comprendre les crises d’épilepsie.

Simulateur de vol

Cette troisième bourse a d’ailleurs déjà eu une retombée positive. Gaëtan Kerschen a en effet décidé d’y consacrer la moitié de son temps, d’où la recherche de suppléants pour deux de ses cours. Une situation déjà expérimentée puisqu’il avait été titulaire d’une chaire de recherche Francqui de 2019 à 2022, qui permet à une ou un enseignant – reconnu dans son domaine – de se consacrer entièrement à ses recherches pendant trois ans, ses cours étant donnés par des suppléants engagés grâce à la fondation Francqui. « Deux de mes anciens étudiants, aujourd’hui ingénieurs chez Spacebel, enseignent mon cours sur les orbites des satellites qui apparaît dans le programme du master en aérospatiale (le seul master de ce type en Fédération Wallonie-Bruxelles). À leur initiative, un simulateur spatial professionnel (BASILES NG) a été intégré dans le cadre de ce cours. » Les étudiants, qui doivent concevoir leur propre logiciel de simulation orbital, pourront ainsi valider leur travail à l’aide de ce logiciel conçu par Spacebel pour et avec le CNES (Centre national français d’études spatiales).

Homme passionné par les vibrations, Gaëtan Kerschen trouve le temps de vibrer pour le sport, une autre passion : « Pendant longtemps, j’ai pratiqué le tennis, puis j’ai poursuivi avec le triathlon. Je me levais le matin tôt pour courir ou rouler, puis je faisais des longueurs de bassin à l’Université sur le temps de midi. J’ai même couru des semi-Ironman ! Puis mes genoux ont dit stop. Aujourd’hui, j’ai dû me rabattre sur le padel et le golf que je pratique au Sart Tilman. J’ai découvert que ce dernier est presque un sport pour ingénieur : on a une cible à atteindre, il faut développer une stratégie, analyser une trajectoire ! » Comme pour les avions ou les satellites. On ne se refait pas.