Derniers tests de l'IPGP sur les capteurs sismiques du sismomètre martien SEIS de la mission InSight

L’Institut de physique du globe de Paris (IPGP) a franchi le 5 octobre 2017 une nouvelle étape clé pour la mission InSight, en fournissant au CNES le modèle de rechange de la sphère du sismomètre SEIS (enceinte de protection et ses trois capteurs large bande associés), cinq mois après la livraison du modèle de vol.

Ouverture sous haute surveillance du caisson martien de l’observatoire IPGP de Saint-Maur-des-Fossés le 27 septembre 2017. Ce moyen de test permet de reproduire sur Terre les conditions existantes à la surface de Mars (© IPGP/Philippe Labrot).

Le sismomètre SEIS est l’instrument principal de la mission InSight, dont le lancement aura lieu à partir du 5 mai 2018 depuis la base spatiale de Vandenberg en Californie (Etats-Unis). Placée sous la bannière du programme Discovery de la NASA, l’objectif d’InSight est d’utiliser l’activité sismique martienne pour caractériser avec précision, et pour la première fois, la structure interne de la planète rouge.

Le coeur de l’instrument SEIS est constitué de trois pendules VBB ("Very Broad Band" ou "très large bande"), sensibles aux fréquences plus basses que 5 Hz et dont l’équipe de Planétologie et Sciences Spatiales de l’IPGP porte la responsabilité. Financés par le CNES, ils ont été assemblés par la société SODERN, puis testés intensivement grâce à de multiples moyens techniques, dont ceux de l’Observatoire de Saint-Maur-des-Fossés de l’IPGP. Des inspections régulières ainsi que des contrôles de contamination ont également été réalisés dans les salles blanches du Campus Spatial Paris Diderot.

L’enceinte de rechange du sismomètre SEIS, qui abrite un ensemble de 3 capteurs sismiques ultra-sensibles, à l’intérieur du caisson martien. L’inclinaison de l’instrument, contrôlée de manière très précise, permet de réduire la gravité le long de l’axe de mesure d’un pendule donné, et donc de simuler pour ce capteur, sur Terre, la gravité martienne (© IPGP/Philippe Labrot).

"Certains tests ont par exemple consisté à exposer les capteurs à un vide poussé et à des températures variant entre -105°C et +45°C, dans un caisson simulant les conditions drastiques existant à la surface de Mars" explique Taoufik Gabsi, ingénieur de recherche CNRS. L’un des objectifs était de sélectionner, sur la base d’un grand nombre de critères techniques, les trois meilleurs pendules pour le modèle de vol du sismomètre, puis trois autres candidats pour le modèle de rechange. "Les pendules VBB du sismomètre SEIS peuvent mesurer des déplacements presque imperceptibles, inférieurs à la dimension de l’atome d’hydrogène, ce qui confère à l’instrument une sensibilité extrême", précise Olivier Robert, ingénieur de recherche CNRS et concepteur du détecteur de déplacement des capteurs.

Que ce soit ceux du modèle de vol ou du modèle de rechange, les senseurs sismiques ont été installés dans une enceinte de confinement en titane réalisée par le Jet Propulsion Laboratory (NASA). Ces enceintes ont ensuite été mises sous vide et scellées, avant d’être livrées au CNES à Toulouse. Dans les salles blanches du centre spatial français toulousain, l’enceinte VBB a alors été intégrée au système de nivellement motorisé (fourni par le Laboratoire Max Planck de Göttingen en Allemagne), sur lequel sont aussi fixés des capteurs sismiques courte période (développés par l’Imperial College en Angleterre) ainsi que des protections thermiques. Cet ensemble de capteurs avec son électronique d’acquisition (réalisée par l’Ecole Polytechnique de Zurich) forme l’instrument SEIS.

Le modèle de vol du sismomètre SEIS en cours de test à Denver (Etats-Unis) avec son vaisseau porteur, l’atterrisseur InSight. L’enceinte sous vide qui protège les capteurs sismiques (visible sur la photo précédente) est désormais installée sur un berceau de nivellement (dont on devine les pieds), et recouverte par une protection thermique orange. Là encore, l’inclinaison de l’instrument permet de simuler la gravité martienne (© NASA/JPL/Lockheed martin).

Le modèle de rechange va maintenant poursuivre les séquences de tests (environnementaux, fonctionnels et performances) sous la responsabilité du CNES de Toulouse, avant d’être expédié vers les salles blanches de la société Lockheed Martin à Denver aux Etats-Unis. Il y rejoindra le modèle de vol déjà livré en juillet 2017, et qui a été connecté depuis à l’atterrisseur pour subir des tests poussés dans différentes configurations de fonctionnement.

"C'est évidemment un soulagement d'avoir pu franchir la dernière ligne droite après des années d'efforts pour développer, tester et valider ces dispositifs d’horlogerie que sont les pendules VBB" indique Sébastien de Raucourt, ingénieur de recherche de l’Université Paris Diderot. "Une grande partie des challenges techniques qu’il a fallu surmonter tient à un paradoxe : développer un instrument ultra-sensible qui soit capable de résister à la violence d’un lancement et d’un atterrissage sur Mars, puis d’effectuer ensuite des mesures dans des conditions par nature incompatibles avec des études sismiques de précision", souligne Sébastien de Raucourt.

Pour le personnel technique de l’IPGP, les activités sont loin d’être terminées pour autant. Les ingénieurs vont continuer à être sollicités pour tous les tests effectués sur Terre, avant de participer aux opérations sur Mars, une fois la sonde InSight posée sur la plaine martienne d’Elysium en novembre 2018.

L’équipe technique instrumentale IPGP-Université Paris Diderot-CNRS responsable des pendules VBB est constituée de Sébastien de Raucourt, Taoufik Gabsi, Tanguy Nebut, Sylvain Tillier, Olivier Robert , Michel Parise et Mélanie Drilleau. Elle a été renforcée par plusieurs ingénieurs CDD ou en support technique, ainsi que par des ingénieurs du JPL et du CNES durant les campagnes de tests à l’IPGP.