Le vol des papillons en conditions de pesanteur modifiée : cinématique tridimensionnelle et aérodynamique

Résumé de la thèse

Le vol des insectes constitue une source d'inspiration majeure pour la compréhension de la locomotion animale et le développement de systèmes aériens bio-inspirés. Malgré de nombreuses avancées, l'influence de la pesanteur sur les stratégies de vol battu demeure encore peu comprise, en particulier chez les insectes évoluant en vol libre. Cette thèse vise à caractériser les adaptations cinématiques et aérodynamiques du vol de papillons soumis à différentes conditions de pesanteur afin de mieux comprendre les mécanismes permettant le maintien et le contrôle du vol.

Pour répondre à cette problématique, des expériences ont été menées en laboratoire sous pesanteur terrestre ainsi qu'à bord de l'Airbus A310 ZERO-G lors de campagnes de vols paraboliques reproduisant des phases de micropesanteur (0 g) et d'hyperpesanteur (1,8 g). Un dispositif expérimental original, reposant sur neuf caméras événementielles synchronisées, a été conçu et développé afin de reconstruire la cinématique tridimensionnelle du corps et des ailes de papillons en vol libre avec une haute résolution temporelle.

Une chaîne complète de reconstruction 3D et d'analyse des données a été développée. Elle repose sur la détection et le suivi de points anatomiques par apprentissage automatique, leur reconstruction tridimensionnelle et l'extraction des principaux paramètres cinématiques, notamment les trajectoires, vitesses et accélérations du corps et des ailes, ainsi que les orientations du corps et les angles caractéristiques des ailes. Ces données alimentent également des simulations numériques de mécanique des fluides (CFD), utilisées pour calibrer un modèle aérodynamique quasi-stationnaire permettant d'estimer les forces et la puissance aérodynamique à un coût de calcul réduit.

Les résultats montrent que les adaptations à la pesanteur portent principalement sur les amplitudes des mouvements des ailes, tandis que la fréquence moyenne de battement demeure globalement peu modifiée, malgré une variabilité accrue en micropesanteur. En micropesanteur, les papillons adoptent un vol plus rapide caractérisé par une diminution de la puissance aérodynamique, tandis qu'en hyperpesanteur, l'augmentation des amplitudes des battements permet de répondre aux besoins accrus en sustentation. Ces résultats montrent également que la pesanteur constitue une contrainte physique majeure qui façonne les stratégies cinématiques et aérodynamiques mises en œuvre par les papillons pour maintenir leur vol.

Cette approche combinant expérimentation, simulations numériques et modélisation aérodynamique apporte une meilleure compréhension des mécanismes du vol battu en pesanteur modifiée. Au-delà de son intérêt fondamental pour la biomécanique et l'aérodynamique du vol des insectes, ce travail fournit des outils méthodologiques originaux et ouvre de nouvelles perspectives pour l'étude du vol animal ainsi que pour le développement de futurs véhicules aériens bio-inspirés.

Butterfly flight under altered gravity: three-dimensional kinematics and aerodynamics

Insect flight is a major source of inspiration for understanding animal locomotion and for the development of bio-inspired aerial systems. Despite significant advances, the influence of gravity on flapping flight strategies remains poorly understood, particularly in freely flying insects. This thesis aims to characterize the kinematic and aerodynamic adaptations of butterfly flight under different gravity conditions in order to better understand the mechanisms underlying flight control and stability.

To address this question, experiments were conducted both under normal Earth gravity in the laboratory and aboard the Airbus A310 ZERO-G during parabolic flight campaigns reproducing periods of microgravity (0 g) and hypergravity (1.8 g). An original experimental platform, based on nine synchronized event cameras, was designed and developed to reconstruct the three-dimensional body and wing kinematics of freely flying butterflies with high temporal resolution.

A complete three-dimensional reconstruction and data analysis pipeline was developed. It relies on the automatic detection and tracking of anatomical landmarks using machine learning, three-dimensional reconstruction, and the extraction of the main kinematic parameters, including body and wing trajectories, velocities and accelerations, body orientation, and the characteristic wing angles. These data also provide the input for computational fluid dynamics (CFD) simulations, which are used to calibrate a quasi-steady aerodynamic model capable of estimating aerodynamic forces and power at a substantially lower computational cost.

The results show that adaptations to altered gravity primarily rely on changes in wing motion amplitudes, whereas the mean wingbeat frequency remains nearly unchanged despite an increased variability under microgravity. In microgravity, butterflies exhibit faster flight associated with a reduction in aerodynamic power, whereas under hypergravity, larger wingbeat amplitudes compensate for the increased lift requirements. These findings further demonstrate that gravity acts as a major physical constraint shaping the kinematic and aerodynamic strategies adopted by butterflies to sustain flight.

By combining experimentation, numerical simulations, and aerodynamic modeling, this work provides new insights into the mechanisms of flapping flight under altered gravity. Beyond its fundamental contribution to insect flight biomechanics and aerodynamics, it introduces original methodological tools and opens new perspectives for the study of animal flight and the development of future bio-inspired aerial vehicles.