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Levée de bouclier pour l’astrométrie spatiale

L’observatoire européen Gaia

En 2013, un lanceur Soyouz propulsera l’observatoire européen Gaia vers le point de Lagrange L2, à 1,5 millions de km de la Terre, dans la direction opposée au Soleil. Pour cartographier plus d’un milliard d’étoiles de notre Galaxie, cette mission de 5 ans doit assurer une stabilité thermique extrême de ses deux télescopes et de leur structure porteuse. Elle a donc été dotée d'un bouclier solaire, dont le déploiement a été réalisé pour la première fois, au sol, à Toulouse.

L’opération s’est déroulée dans une salle blanche de l’établissement toulousain d’Airbus Defence and Space, maître d’œuvre de la mission pour le compte de l’Agence spatiale européenne (ESA).

« Le bouclier de Gaia sera déployé dans les premières phases d’acquisition, à l’issue du lancement, après la séparation avec l’étage supérieur et la première stabilisation d’attitude » explique Christian Lebranchu, responsable mécanique, propulsion et interface lanceur pour la mission. « L’objectif est de parvenir au plus vite à une configuration stable et sécurisée, avec une alimentation énergétique assurée par les panneaux solaires intégrés au bouclier. La mise à poste en L2 sera effectuée grâce à des propulseurs de 10 N qui n’induiront pas de facteurs de charges susceptibles d’endommager le bouclier ».

La grande difficulté concerne la géométrie du système, conçu pour tenir sous la coiffe de 4 m du lanceur Soyouz. Afin de maintenir l’observatoire dans son ombre, alors qu’il sera stabilisé par une rotation lente (4 tr/j) avec un angle stabilisé à 45° par rapport à la direction du Soleil, ce bouclier atteint 10 m de diamètre et se compose de deux couvertures de protections thermiques multicouches (MLI : Multi Layer Insulation), similaires à celles qui sont habituellement apposées directement sur la structure des satellites. « Cela n’a jamais été fait auparavant à cette échelle », relève Christian Lebranchu. « Du fait de la base dodécagonale de Gaia, nous devons dérouler et déployer 48 triangles de 3 m de long avec un dispositif à 12 degrés de liberté, qui doit être parfaitement synchronisé afin de ne pas endommager les MLI. »

L’affaire n’a rien de simple car un premier modèle de qualification à échelle réduite a subi des essais au centre technique ESTEC de l’ESA à Noordwijk (Pays-Bas) à la fin 2009 et si la qualification thermique a été obtenue sans problème, il n’en a pas été de même pour la qualification mécanique. « Nous avons dû renforcer la motorisation, en remplaçant les régulateurs thermiques par des moteurs pas à pas pour amortir le déploiement par ressorts et revoir le stockage des MLI » détaille Christian Lebranchu. Cette nouvelle configuration a été validée lors d’essais chez Intespace, à Toulouse.

Une affaire sans gravité

En dépit de la taille et de la légèreté du bouclier de Gaia, son ouverture sous atmosphère n’a pas posé de problème de freinage ou d’amortissement aérodynamique. En effet, il s’agit d’un déploiement motorisé, qui s’étale sur une dizaine de minutes. « On avait juste coupé la climatisation du bâtiment », note Christian Lebranchu.

En revanche, la compensation de la gravité n’a pas été une mince affaire. Habituellement, pour des déploiements simples comme ceux des panneaux solaires rigides, on place l’axe de rotation à la verticale et l’on utilise des potences avec des contrepoids, ou même des ballons d’hélium pour annuler la force exercée par la pesanteur sur chaque élément. La géométrie du bouclier rend cela impossible et il a fallu développer un système de potences équipées de poulies pour adapter la compensation au fur et à mesure de l’ouverture de l’angle formé par chaque élément avec la verticale. Un magnifique exercice de trigonométrie appliquée !

« Heureusement, SENER, notre sous-traitant espagnol pour le bouclier, avait mis au point cette méthode en amont. »

L’essai va servir de référence pour un autre essai identique, qui sera réalisé après la campagne d’essais mécaniques que doit subir le satellite chez Intespace dans les prochaines semaines. En raison de la taille de l’ensemble, il n’est pas possible de réaliser le déploiement en conditions de vide thermique en vraie grandeur.

En parallèle, la charge utile scientifique et surtout l’instrumentation optique poursuit son assemblage. La qualification optique, mécanique et thermique est prévue pour le second semestre 2012, ouvrant la voie à six mois d’assemblage, intégration et essais avant le lancement depuis la Guyane

Lautre apport technologique dAirbus Defence and Space à Gaia

Pour accomplir sa mission Gaia effectuera des mesures de la position relative des étoiles. Chaque étoile sera mesurée plus de 70 fois et le calcul de sa position absolue sera déduite par itérations successives. Pour que ces mesures aient un sens, l’instrumentation de Gaia, composée principalement de deux télescopes pointant à 106,5° l’un de l’autre, requiert des niveaux très rigoureux de stabilité géométrique. Afin d’y parvenir sans alourdir inconsidérément l’ensemble, Airbus Defence and Space a eu recours à sa technologie d’instrumentation optique en carbure de silicium, non seulement pour les miroirs mais aussi pour leur structure porteuse. C’est déjà cette technologie qui avait permis de réaliser le télescope de l’observatoire Herschel avec son miroir primaire de 3 m de diamètre, offrant une surface deux fois supérieure à celle du miroir primaire d’Hubble, ce qui en fait le plus gros télescope jamais mis sur orbite à ce jour.

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