REVUE DE DESIGN DÉTAILLÉE - MISE EN CONTEXTE - Projet intégrateurs | Polytechnique
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2022-04-21
REVUE DE DESIGN DÉTAILLÉE
Mardi 19 avril 2022
Animée par Ugo Mahue
1
Objectifs de la mission :
MISE EN CONTEXTE • Mission Artemis NASA : retour sur la Lune
2
2
1
2022-04-21
MOON’ALISA
UNE ÉQUIPE MULTIDISCIPLINAIRE
UN MANDAT
Figure 1 : Photo d’équipe du projet Rover Lunaire Exploiter & valoriser les ressources in situ sur la Lune
• 22 étudiants avec 6 superviseurs sur 8
mois
3
3
Remerciements à notre client, la CSA
• Andrew Hayes et Dr Marie-Josée Potvin
• Confiance durant cette année
• Collaboration avec Polytechnique Montréal
• Expérience universitaire immersive
4
4
2
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Thématique 1: Détails de la mission
5
Thématique 1: Détails de la mission
1. Objectifs de la mission :
_______
6
3
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1. MISSION
7
7
1.1. MISSION
BUT
Protéger les astronautes de l’environnement lunaire
CONTRAINTES
Environnement Durée
Radiation
Météoroïdes
Température Coût
OBJECTIF
Concevoir une base lunaire pour 2 astronautes en utilisant le régolithe
8
8
4
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Thématique 1: Détail de la mission
2. La base lunaire
_______
9
1.2. BASE LUNAIRE
*Une journée lunaire dure 29 jours terrestres
32.8 jours de fabrication
2,5 m
3 x 11 jours d’opération par voyage
9,5 m
4m
1 rover chargé de collecter et
Figure 1 – Dimensions de la base lunaire fabriquer les sacs
38 m2 de surface intérieure
1 rover chargé de placer les sacs
823 sacs de régolithe
10
10
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1.2. BASE LUNAIRE - Design
• 1 couche de sacs
• Supporté par des poutres
en T et des plaquettes
d’aluminium
Double couche de
Module gonflable
sacs sur les murs
pressurisé de RedLine
Aerospace
Entrée de la base
lunaire avec vestibule à
Figure 2 – Concept final de la base lunaire
deux portes
11
11
1.2. BASE LUNAIRE - Design
Masse des sacs : 139 kg
Plaquette d’aluminium
de 2mm d’épaisseur
Encoche : évite le
glissement des
plaquettes d’aluminium
Poutre en T Espacement entre les sacs
couvert par la deuxième
rangée de sacs des murs
Figure 3 – Assemblage de la surface supérieure de la base
12
12
6
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1.2. BASE LUNAIRE
Problématique 1 Problématique 2
Glissement des sacs Stabilité de la base lunaire
pendant l’assemblage de face à une force externe
la base lunaire (rover ou météoroïdes)
Objectifs : Objectifs :
- Déterminer l’angle maximale - Déterminer la quantité de
avant que les sacs glissent mouvement d’un impact critique
- Déterminer le coefficient de - Comparer la résistance d’un
frottement du Kevlar impact sur un mur double et sur
une portion de la base avec toit
13
1.2. BASE LUNAIRE - Test de friction
Test de glissement entre 2 sacs
- Premier sac fixé à la surface inclinée
- Inclinaison augmentée jusqu’à l’angle critique
- Début de glissement observé à 33 degrés
33o
- Coefficient de frottement calculé : 0,65
Figure 4 – Résultat du test de glissement
14
14
7
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1.2. BASE LUNAIRE - Test de stabilité
Est-ce que la base résiste aux impacts ? Pendant l’assemblage et une fois complète
- Tests de stabilités effectués avec des masses
de 1 kg et 2 kg
- Tests effectués à des hauteurs de 30 cm,
45 cm et 60 cm
- Premier critère : Déplacement visible (mineur
ou majeur) dans la position des sacs
- Deuxième critère : Effondrement des sacs
Figure 5 – Photo du test d’impact
15
15
2. BASE LUNAIRE - Test de stabilité
Test de stabilité sur une portion de la base avec toit
Vidéo 1 – Test sur une portion de la base avec une masse de 2 kg à 45 cm
16
16
8
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1.2. BASE LUNAIRE - Test de stabilité
Résultat des tests
Le test de 1kg à 45 cm est considéré critique pour que la base conserve son intégrité.
Test sur 2 murs Test sur une portion de la base avec toit
Masse Masse
1 kg 2 kg 1 kg 2 kg
Hauteur Hauteur
30 cm Stable Déplacement 30 cm Stable Déplacement
majeur mineur
45 cm Déplacement Effondrement 45 cm Stable Déplacement
mineur majeur
60 cm Déplacement Effondrement 60 cm Déplacement Effondrement
majeur mineur
Ce test correspond à un impact de d’une météoroïdes de 4,6 g à 20 km/s au centre des murs
17
17
1.2. BASE LUNAIRE - Analyse de la viabilité
Radiations
• Particules qui endommagent les cellules
• Intérieur de la base : 300 à 310 mSv par année
Station spatiale internationale : 160 mSv par année
Dose maximale : 1 Sv
• Durée maximale de séjour : 3 ans
(Akisheva et Gourinat, 2021) 18
18
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1.2. BASE LUNAIRE - Analyse de la viabilité
Météoroïdes
• Masse pour transpercer 30 cm de régolithe : 28 g
D’après l’équation de Fish-Summers (Lindsey)
• Masse pour déstabiliser la base : 0,6 g
D’après une analyse balistique des murs
• Probabilité de catastrophe en trois ans : 0,0012 %
(Grün et al, s.d.)
19
19
1.2. BASE LUNAIRE - Analyse de la viabilité
Analyse analytique de la température
Facteurs :
• Rayonnement solaire
• Isolation du régolithe et du vide
• Sous-sol de la Lune (Malla et Brown)
38 W
Quantité de chaleur à évacuer (25°C)
Figure 4 – Schéma thermique de l’habitat
Vide
ISOLANT
Régolithe
20
20
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1.2. BASE LUNAIRE - Analyse de la viabilité
Analyse par éléments finis de la température
Figure 6 – Analyse de la base lunaire par élément fini
21
21
Thématique 1: Détails de la mission
3. ROVER LUNAIRE
_______
22
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1.3. INTÉGRATION ROVER – Exemple d’intégration sur un rover
Composantes Rôle
Batteries Assurer l’alimentation du rover
Système d’ensachage Assurer la fabrication des sacs
Système d’extraction Assurer la collecte de régolithe à travers une vis
du régolithe d’Archimède
Système de Assurer la transmission des informations entre la terre et le
communication rover
Système de stockage
Assurer le stockage et le support du Vectran
du Vectran
Titane: Composantes en contact avec du régolithe
Aluminium: Composantes n’étant pas en contact avec du régolithe
Figure 7.1 – Rover
23
23
1.3. INTÉGRATION ROVER – Exemple d’intégration sur un rover
1.0 m
0.5 m
Spécification Valeur
Temps de production d’un sac 2 min
Autonomie 1h
Temps de collecte du régolithe nécessaire pour
10 min
la fabrication d’un sac
Temps de collecte du régolithe nécessaire pour
5360 min
la construction de la structure
Figure 7.2 – Rover
24
24
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1.3. INTÉGRATION ROVER – Position du centre de masse
x 0.0614 m
y 0m
Figure 8 – Distribution des différentes parties du rover 25
25
1.3. INTÉGRATION ROVER – Rover pour la construction de la base
2.46 m
1.85 m
Composante Rôle
Bras robotique Assure la mise en place des sacs
Système de mobilité Assure le déplacement du rover
1m
26
Figure 9 – Bras mécanique
26
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1.3. INTÉGRATION ROVER – Débalancement du rover
Figure 10 – Schéma du bras mécanique
27
27
Thématique 1: Détail de la mission
4. CONSIDÉRATION DE LA MISSION
_______
28
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1.4. MISSION – Estimation de la masse requise
BASE LUNAIRE ROVER Ratio
base lunaire / total
11 193 kg 9270 kg
55%
20 463 kg
Ratio
LANCEUR SPATIAL Ressources in-situ
2x Falcon Heavy de SpaceX
Charge utile : 16 800 kg
90%
Dimension du cargo : Dia. = 3,6 m / L = 13 m
29
29
1.4. MISSION – Estimation de la durée de fabrication
TEMPS PAR TÂCHES RÉPÉTITION
Exemples : Exemples
2 min – Sceller les sacs 823 - Sacs
10 min – Collecter le regolithe 823 - Sacs LES LIMITES
360 min - Placer le sas 1 – Le sas • La capacité produire en continu
… … • La chronologie des tâches
• Le temps de travail des astronautes
DURÉE TOTAL
32,8 jours
30
30
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1.4. MISSION – Estimation des coûts
Ce qui y est compris ? Par rapport à la mission
Artemis (93B $)
Développement du rover Coût opération
Matériel Coût de lancement 10,5%
COÛT Part du coût
de la base
Base lunaire Rover Mission
1,11B $ 5,15B $ 3,47B $
9,73B $ 11,4%
31
31
Thématique 2 : Système de fabrication des sacs
32
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Thématique 2 : Système de fabrication des sacs
1. Système d'ensachage intégré
au rover
_____
33
2.1 INTÉGRATION ROVER – Système d’ensachage
Figure 11 – Système d’ensachage de l’équipe
1 # Composant
2 1 Entonnoir
2 Rouleau de Vectran
3 3 Jupe
4 Scelleur latéral
4
5 Scelleur supérieur
5 6 Scelleur inférieur
7
7 Système de découpe
6
Nécessite 9,25 m2 de panneaux solaires cellules multijonctions
34
34
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2.1 Système d’ensachage industriel adaptation
Vidéo 2 – Système d’ensachage industriel de sac en plastique
35
35
Thématique 2 : Système de fabrication des sacs
2. Preuve de concept du système de
scellage (anciennement prototype)
_______
36
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2.2. Tests – Mise en contexte
• Scellage thermique des sacs
• Application de chaleur sur le
sac
• Méthode simple, robuste, et
fiable
• Objectif:
trouver une moyen
de joindre thermiquement
les sacs
Figure 12 – Système d’ensachage, vue sur le système de scellage
37
37
2.2. Tests– Méthodologie
• Phase 2
• Utilisation du banc de test
• 2.1 - Test sur les tissues et fibres seules
• 2.2 – Test sur le Kevlar® avec un sandwich de polymère (Ultem® et PEEK)
• But: Déterminer la faisabilité d’un tel concept.
38
38
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2.2. Tests – Présentation du banc de test
Ventilator
Heating Elements
Paramètres Valeurs Aluminium Frame
Pression Maximum 736 N (75 kgf)
Précision de la ± 0.013 N
cellule de
charge
Température Maximum 650 oC 15 V DC Power Supply
Précision du ±1 oC
Thermocouple Arms
Heaters PID Controller Pressure Sensor Board
Figure 13 – Banc de test assemblé
39
39
2.3. Tests – Éléments chauffants
Figure 14 - Échantillon de test dans les plaques chauffantes Figure 15 - Assemblage des éléments chauffants
40
40
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2.3. Tests – Phase 2 : Fibre seul
• Fibrebrûle et s’est
défaite
• Impossible
de souder
directement
• Besoin d’une autre
solution en utilisant des Figure 16 – Fibre de Vectran après chauffe à 315°C (gauche) et 330 °C (droite) pendant 1 min
polymères de de
collage
41
41
2.3. Tests – Phase 2 : Fibre seul
• Deux polymères pour le spatial PEEK et PEI :
• Variation Température-Pression-Temps
Figure 16 – Schéma simplifié des tests effectués 42
42
212022-04-21
2.3. TESTS– Phase 2 – PEEK
No. Temperature Force Pressure Heating Time
1 300°C 34.34 N 13.30 kPa 1.0 min
2 330°C 34.34 N 13.30 kPa 1.0 min
3 330°C 323.73 N 125.45 kPa 3.0 min
4 330°C 647.46 N 250.89 kPa 1.0 min
5 360°C 34.34 N 13.30 kPa 1.0 min
6 360°C 323.73 N 125.45 kPa 3.0 min
7 360°C 647.46 N 250.89 kPa 1.0 min
8 390°C 323.73 N 125.45 kPa 3.0 min
9 390°C 323.73 N 125.45 kPa 1.0 min
Figure 17 – Résultats du test de phase 2: planchet de
1/16” de PEEK sandwitched entre tissus de Kevlar®
43
43
2.3. TESTS– Phase 2 – PEEK
Figure 18- Coupons de test de sandwich en Figure 19 - Coupons de test de sandwich en PEEK
PEEK chauffer à 300°C pour 1min à 13.30 kPa chauffer à 360°C pour 3 min à 125.45 kPa
44
44
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2.3. TESTS– Phase 2 – PEEK – Conclusion
• Meilleur combinaison:
• 360°C/3 min/ 125,45 kPa
• Assez bon pour ne pas être déchirer manuellement
• Collage n’est pas parfait à 300°C
• À 390, il y a des risques de brulure
• Temps: fusion plus complète à 3 min
45
45
2.3. TESTS– Phase 2 – PEI
• Collage à partir de 210°C
• PEI brule facilement à 340 °C
• PEI moins visqueuse que PEEK
• Meilleur combinaison:
• 270°C/3 min/ 125,45 kPa
No. Température Force Pression Temps
1 210°C 323.73 N 125.45 kPa 3.0 min
2 270°C 323.73 N 125.45 kPa 3.0 min
3 34°C 323.73 N 125.45 kPa 3.0 min
Figure 20 – Résultat du test de Phase 2 : Planche de 1/16” PEI
sandwich entre toiles de Kevlar® 46
46
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2.3. TESTS– Phase 2 – PEI
Figure 21 - Coupons de test de sandwich en PEI chauffé à Figure 22 - Coupons de test de sandwich en PEI chauffé à
340°C pour 3 min à 125,45 kPa 270°C pour 3 min à 125,45 kPa
47
47
2.3. Conclusion sur les tests
• Les deux matériaux sont capables de répondre aux requis
• LePEI prend moins d’énergie à faire déformer, et de mieux
préserver leur matrices.
• PEEK est moins perméable à leur matrice, et en demande 100°C à
150°C de plus
Une étude approfondie sur le PEI est nécessaire pour avoir plus
de données de tests, et d’avoir plus de
48
48
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Thématique 3 : Applications terrestres
_______
49
3.3. Méthodologie
Les modèles de ‘’Business Model Generation’’
Tendances
Industrie
Marché
Macro
4 Forces Externes Business Model Proposition de
Zoom out Zoom in
du BMC Canva Valeur
50
50
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Thématique 3 : Applications terrestres
Militaire
_______
51
3. Militaire
• Besoin: Construction de structures militaire
Opération en
zone hostile
Protéger la
Le besoin
vie des soldats
Construit
rapidement et
solidement
52
52
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3. Militaire
3 tendances importantes
• Robotisation de l’armée
• Pression de l’OTAN
• Augmentation de la valeur de la vie d’un soldat
53
53
3. Militaire
Industrie en croissance: Joueurs établis du marché:
54
54
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3. Militaire
Industrie dictée par Marché avec innovation au ralenti:
l'armée américaine :
55
55
3. Militaire – Proposition de Valeur
Notre Proposition
Besoin Client de Valeur
Construire un bunker en minimisant Un Système d’enchassage et de construction
l'intervention humaine dans différentes de bunker automatique adapté pour le
zones de combat militaire
Frustrations Bénéfices Remèdes Avantages
Utilisation de
Système Automatique Ressource in-situ Intervention Humaine
ressources locales
56
56
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Thématique 3 : Applications terrestres
Humanitaire
_______
57
3. HUMANITAIRE
Besoin: Refuge dans des conditions complexes
Milieux
difficiles
d'accès
Climat
Le besoin Domaine humanitaire (The economist, 2015)
extrème
Refuge de
guerre &
politique
58
58
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3. HUMANITAIRE
Tendances
Augmentation de la demande Augmentation des contraintes d'accès
• Guerres • Plus de temps
• Sinistres • Moins de capacité
• Plus coûteux
59
59
HUMANITAIRE
Industrie humanitaire
Inflation: Maximisation des ressources Protocole d'intervention documentés GSC
disponible sur le site:
-Matériaux • Arbres (Groupe mondial chargé des abris)
-Transport • Panneaux solaires
-Alimentaire • Travailleurs locaux
20210515_gsc-construction-good-practices-ver4_final-compressed.pdf
60
60
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HUMANITAIRE
Industrie humanitaire (suite)
Acteurs:
Entreprises OSBL Population et gouvernements
United Nation Refugee Agency
Expertise terrain Droit humanitaire
Dons Droit d’intervention
Mobilisation
61
61
HUMANITAIRE
Industrie humanitaire (suite)
Coûts de transferts
• Connaissances techniques
• Coût de formation
• Compétitive?
Ex. UNHCR Canada équipe une famille dans une
tente toute-saison pour 500$ CDN.
• Capacité
• Préparation du sol
62
62
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Humanitaire – Proposition de Valeur
Notre Proposition
Besoin Client de Valeur
Construire des abris de grands volumes Un système d’enchassage et de construction
dans des zones impactés par un désastre automatique flexible
Frustrations Bénéfices Remèdes Avantages
Construction Abris compliquer à
Solution flexible Adaptation au désastre
Automatique construire
63
63
GESTION DE PROJET
_______
64
322022-04-21
5. GESTION DE PROJET – Structure d’équipe
Moon Alisa
1 étudiant
Équipe Mission Équipe Rover Équipe Prototype
1 étudiant 1 étudiant 1 étudiant
Ensachage et
Business Conception Analyse Conception Analyse et test
intégration rover
3 étudiants 3 étudiants 3 étudiants 3 étudiants 4 étudiants 2 étudiants
Figure 23 – Structure d’équipe
65
65
5. GESTION DE PROJET – Timeline
Figure 24 - Ligne du temps des différentes remise en jaune
66
66
332022-04-21
5. GESTION DE PROJET – Budget total
Budget du projet
Budget restant : 1806 CAD restant pour un budget utilisé de 2393 CAD
Tableau 4 – Distribution du budget selon les achats effectués par les différentes équipes
67
67
RECOMMANDATIONS
_______
68
342022-04-21
6. RECOMMANDATION – Technique
Tableau 1 – Recommandations techniques
Aspect du projet à améliorer Description Niveau de Priorité
maturité (1->5)
Revue de literature sur les • Polymères bien connus dans l’industrie et dans le monde scientifique. 2 1
propriétés des polymères • Resister au temperature sur la lune. Les temperatures les plus froide ->
comportement fragile
• Resistance au radiation.
Performance du banc de test • Notre banc de test : 0.2 Mpa vs Litterature 1 à 200 MPa pour des temperature de 6 2
150 C.
• Verin hydraulique et automatisation
• Réduction du temps
• Études comparative de l’énergie utilisée (pression, temps, temperature)
Design du rover • Les dimensions, consommation energétique et integration durant le lancement. 8 4
Toit de la base lunaire • Materiaux plus leger que les poutres d’acier, tout en conservant les meme 5 5
protection pour les astronautes.
Base lunaire en integrant le • Thin Redline Aerospace: le module hermétique est une protection suffisante. 4 3
module de scellage.
69
69
REMERCIEMENT
_______
70
352022-04-21
Remerciements
71
71
Remerciements
• Pr. Frédérick Gosselin from Polytechnique Montréal
• Olivier Duschene, PhD candidate
• David Lessard, Msc candidate
• Élodie Allain, associated Professor at HEC Montréal,
• Annie Guérard, full-time lecturer at HEC Montreal
• Claire Poitras, full-time Lecturer at HEC Montreal
• David Spooner
72
72
362022-04-21
MERCI DE VOTRE ATTENTION
_______
QUESTIONS ?
73
ANNEXE
_______
74
372022-04-21
MISSION
Présentation de la mission – module gonflable
Figure 22 – Module gonflable d'habitation dans son environnement
Figure 24 – Module gonflable non déployé et déployé
Figure 23 – Représentation du module gonflable et de son entrée
75
75
PROTOTYPE
Présentation du prototype – système de chauffage
Figure 26 – Controlleur PID
Figure 25 – Diagramme électrique du système de chauffage
76
76
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PROTOTYPE
Présentation du prototype – système de chauffage
Figure 28 – Schéma de résistance thermique
Figure 27 – Schéma de l’isolation thermique
77
77
Master schedule
Figure 29 – Échéancier du projet
78
78
392022-04-21
MISSION
Test de glissement et d’abrasion No Materials needed Quantity
Kevlar tissue bags of Diameter : 20 cm – 3
1
Length : 0,5 m
Permapress tissue bags of Diameter: 20 cm – 3
2
Length: 0,5 m
3 Regolith simulant (sand) 19*3 kg
4 Regolith simulant (broken glass) 1 kg
5 Balance 1
6 Sewing machine 1
Big and clear surface, with different 1
7
inclinasions
8 Camera 1
9 Broom 1
Figure 30 – Schéma des forces
79
79
MISSION
Test de stabilité de la base lunaire
No Materials needed Quantity
Permapress tissue bags of Diameter : 5 cm – Length:
1 60
30 cm
2 Regolith simulant (sand) 10 kg
3 Balance 1
4 Sewing machine 1
Installer chaque sac un à un, puis laisser
5 Large and clean surface 1
tomber une masse sur les cotés sensibles de
la base 6 Pendulum with variable length 1
7 Weights of various masses 500 g, 1 kg, and 2 kg
8 Camera 1
Tableau 7 – Données des tests
Figure 31 – Schémas test de stabilité
80
80
80
402022-04-21
Echéancier PDR
Figure 31 – Échéancier PDR détaillé 81
81
Echéancier DDR
Figure 32 – Échéancier DDR détaillé
82
82
412022-04-21
RÉFÉRENCE
1. La presse Canadienne (12 Août 2019). L'armée bannit les tatouages discriminatoires ou sexuellement explicites. La presse Canadienne. Tiré
de https://ici.radio-canada.ca/nouvelle/1258057/armee-bannit-tatouages-discriminatoires-sexuellement-explicites
2. Tracking Angola’s oil money (15 Janvier 2015). Tracking Angola’s oil money. The economist. Tiré de
https://www.economist.com/international/2000/01/13/tracking-angolas-oil-money?zid=314&ah=607477d0cfcfc0adb6dd0ff57bb8e5c9
83
83
HUMANITAIRE
Rencontre avec le PNUD & CECI
Validation du besoin : Ils ont besoins d'abris en grand volume et constatation d'une augmentation des réfugiés (PNUD & CECI)
Solution attrayante : Bon marché, rapide, facile à mettre en œuvre et abriter le plus de personnes. (PNUD)
Les rovers seront mieux utilisées pour des solutions spécifiques :
• Milieux isolés
• Radioactivités
La plupart des entreprises locales ou nationales ont les appels d'offres (PNUD & CECI)
84
84
42Vous pouvez aussi lire
