Matthis DURAND, étudiant au département GMP de l'IUT de Cachan a eu la chance de faire son stage au laboratoire AIM (astrophysique et interactions Multi Echelles) de Paris-Saclay (CEA-Irfu) sur la conception d'une maquette de télescope spatial.
Dans le cadre de ce stage, Matthis devait concevoir et réaliser une maquette d'un Projet de télescope déployable TALC (Thinned Aperture Light Collector), développé par le laboratoire AIM de Paris-Saclay (CEA-Irfu).
L'IUT de Cachan a collaboré à la réalisation de cette maquette par la mise à disposition de la machine de découpe jet d'eau pour la fabrication des panneaux composites composant les miroirs du télescope.
TALC Thin Annular Light Collector
Télescope spatial déployable destiné à l'infrarouge lointain
Partenaires
CEA Service d'Astrophysique, Ecole INSA de Lyon - GMD, IAP - Institut d'Astrophysique de Paris, IUTs de Cachan et de Ville d'Avray
Ce télescope spatial est destiné aux observations dans le domaine de l'infra rouge lointain servira notamment à comprendre la formation des étoiles et l'évolution des galaxies.
Ce télescope sera lancé depuis une fusée Ariane 5 où il est replié dans la coiffe. Arrivé à destination, les 24 panneaux de ce télescope seront déployés jusqu'à constituer un anneau de 3m de large sur 20m de diamètre. La structure ressemblera à une grande roue équipée d'un axe central qui portera la caméra, et de deux faisceaux de câbles rayonnants qui maintiennent l'anneau de miroirs avec un précision de quelques micromètres. Du fait de cette forme annulaire, la tache de diffraction qui entoure l'image des étoiles comprend des strutures plus fines que celles obtenues avec un télescope plein. La déconvolution de l'image obtenue permet d'obtenir la résolution d'un télescope de 27m de diamètre.
La lumière parasite infra rouge sera réduite après refroidissement radiatif passif de l'ensemble des composants optiques autour de 40 K
Brèves caractéristiques
Les télescopes spatiaux ont une résolution angulaire limitée par leur diamètre nominal. Ce diamètre est déterminé par la dimension de la coiffe des fusées lorsque le télescope est monolytique ou par un système de déploiement de grande précision.
Le saut technologique objet de l'invention est constitué par la réunion vertueuse de plusieurs principes:
OPTIQUE:
- Ce collecteur de lumière annulaire se situe entre un télescope plein qui donne une image directe et un interféromètre qui permet d'augmenter la résolution pour une dimension carctéristique donnée.
Nous avons montré que l'utilisation d'un algorithme d'inversion itératif permet de traiter les images brutes afin d'obtenir la résolution de 30% supérieure à la résolution d'un télescope plein équivalent.
- Les 24 segments fonctionnent tous avec un angle d'incidence très voisin avec une étandue d'incidence faible. Les corrections d'astigmatie sont faciles à réaliser et permettent d'obtenir un très large champ de vision avec des système correctifs simples .
STRUCTURE:
- L'invention reprend le principe de tenségrité de la roue de vélo, où les rayons sont tendus et la jante travaille en compression entre des noeuds très rapprochés.
- Chaque segment est réglé en distance et en orientation à l'aide de 3 tendons piezos
respectivement placés au bout des rayons et aux extrémitées extérieures des segment voisins.
- Un système de croisillons légèrement disymétriques permet de déployer les segments empilés dans la coiffe jusqu'à une position où ils sont juxtaposés et constituent une parabole.
- Une fois la roue déployée, les seules forces en présence sur chaque segment sont constituées d'une compression le long du côté intérieur des miroirs.
ETUDE MÉCANIQUE :
Aymeric BONNET étudiant en GMP de l'INSA de lyon a réalisé l'étude mécanique au cours de son stage et son projet de fin d'études pendant un an.
- La simulation montre que la surface du miroir peut être réglée avec une erreur de forme de 5 µm sur 20m de diamètre avec un système actif piezo.
- L'ensemble des calculs de structure à grande échelle, de fréquence propre et de cinématique de déploiement a été réalisée au cours de l'année de fin d'études de notre stagiaire INSA de Lyon
CONSTRUCTION:
- La forme annulaire est constituée de nombreux segments de miroirs identiques (24) qui peuvent être construits par réplique sur un moule.
- La technologie utilisée sera la réplique de miroir nida carbone epoxy avec des peaux de carbone epoxy.
- Ce type de construction a déjà été réalisé à plus petite échelle sur un miroir de télescope sub-millimétrique pour vol en ballon (PRONAOS)
MAQUETTE :
Nos deux stagiaires de fin de cycle de DUT génie mécanique Matthis Durand de Cachan et Lancelot Durand de Ville d'Avray ont réalisé une maquette cinématique à l'échelle 1/5. Ils ont réalisé les segments de miroir sphériques en prépreg carbone / nida Nomex, sur lesquels a été collée une lame mince de Pyrex aluminisé.
Les croisillons ont été réalisés en prépreg de carbone découpés au jet d'eau à l'IUT de Cachan. Les rayons en PBO. Le mat coulissant a été réalisé par enroulement filamentaire de carbone.
La maquette d'une masse de 36 kg se déploie en quelques secondes.
SIMULATION :
Un film virtuel sur la mise en orbite et l'ouverture du télescope a été réalisé au Service d'instrumentation et des systèmes du CEA par Loris Scola.
Caractère innovant
Le plus grand télescope spatial monolytique en submillimétrique utilisant le même domaine de longueur d'ondes est le satellite Herschel qui a volé 3 ans jusqu'en juin 2013. Le miroir est construit en SiC mesure 3.5m de diamètre.
Le plus grand télescope infrarouge et infrarouge proche en préparation est le JWST (James Webb Space Telescope) qui mesurera 6.5m de diamètre. le programme international comprend la NASA et l'ESA. Le miroir principal est constitué de segments en bérillium. La structure comprend un ensemble central et deux volets qui s'ouvrent jusqu'à constituer un télescope presque circulaire. Le lancement est programmé pour 2018. Le service d'astrophysique du CEA a construit la camera infrarouge qui l'équipe.
Le projet russe Millimetron est un télescope déployable de 12m comprend plusieurs pétales qui s'ouvrent comme un parapluie. il est programmé pour 2018. Le diamètre de ce télescope est limitée par l'empilement des pétales à 12m de diamètre.
Aucun de ces programmes n'utilise une structure aussi allégée ni un tel élancement dans sa structure.
Etat de l'art du domaine
Ce projet suicite un gros intérêt dans la communauté explorant l'infra rouge et l'infra rouge lointain.
La réponse à l'appel à idées scientifiques quadrienal du CNES a été déposée le 11 janvier 2013 par l'astronome Marc Sauvage. Cet appel à idée constitue la première étape d'une recherche de budget pour développer un instrument technique en rupture par rapport aux concepts existant avec une certitude de gains très importants dans le pouvoir d'observation par rapport à la concurrence. Les concepts inventés seront appliqués plus facilement sur un télescope infra rouge et pourront ultérieurement apliqués à des télescope de plus petite longueur d'onde qui requièrent un plus grande précision de construction.
Sur cette lancée, Marc Sauvage en s'appuyant principalement sur ce concept a pris le rôle de porte parole de la communauté infrarouge lointain internationnal à l'appel thème scientifique de l'ESA le 10 mai 2013 dans le cadre de Cosmic Vision pour les deux grosses missions L2 et L3 programmées pour 2025 et 2030.
Nous avons répondu à l'appel à candidature annuel pour les développements technologiquesl du CNES en 2013 pour qualifier les constituants élémentaires des satellites et de leur instrumentation. (technological readyness level)
Résultats économiques souhaités:
L'intérêt scientifique et économique pour la France et pour l'Europe est prendre une position de leader dans une grosse mission de l'ESA. Les retombées vers les constructeurs français et Européens seraient majeures.
