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L'installation de SEIS à la surface de Mars (I)

L'installation du premier sismomètre à la surface de Mars par la sonde InSight (partie I)

Suite à la dépose réussie du sismomètre SEIS au niveau du site d'atterrissage d'InSight le 19 décembre 2018, les ingénieurs et scientifiques impliqués dans la mission ont accompli avec succès plusieurs étapes clés du processus de mise en service de cet instrument hors-norme. Sur Mars comme sur Terre, la qualité de l'installation d'un sismomètre est effectivement un pré-requis fondamental pour son fonctionnement nominal. Or sur la planète rouge, absolument tout doit être réalisé robotiquement, avec beaucoup d'expertise, de précautions ... et, comme vous allez le voir, de patience !

Caractérisation et certification du site de dépose

Séquence animée d'images obtenues par la caméra IDC montrant l'opération de nivellement (© NASA/JPL-Caltech).Séquence animée d'images obtenues par la caméra IDC montrant l'opération de nivellement sur Mars au cours du sol 30 (© NASA/JPL-Caltech).Pour le déploiement historique de SEIS sur Elysium Planitia au cours du sol 22, l'instrument avait été totalement éteint. Lorsque le sismomètre a été rallumé lors du sol 24 (20 décembre 2018), les capteurs SP ont renvoyés les premières données sismiques jamais obtenues depuis la surface de Mars, et ce 42 ans après celles fournies par le sismomètre de la sonde Viking 2 sur Utopia Planitia. Le sismomètre des Viking ne pouvait effectivement fonctionner que depuis le pont de l'atterrisseur, la mission n'autorisant pas une dépose au sol.

Dès leur activation au sol, les SP ont obtenus des données préliminaires très peu bruitées, et ce malgré le fait que le grappin du bras robotique maintenait toujours la poignée de capture de l'instrument dans ses griffes, transmettant ainsi inéluctablement des vibrations de l'atterrisseur. Convaincus que le sismomètre avait bien ses trois pieds plantés dans le sol, sans être suspendu au grappin, les ingénieurs ont alors donné le feu vert pour la séparation. Le 22 décembre 2018 (sol 25), le grappin s'est donc ouvert, libérant alors complètement l'instrument.

L'analyse des nouvelles données fournies par les capteurs SP suite à cette opération, et leur comparaison avec celles obtenues depuis le pont de l'atterrisseur a prouvé que le site choisi pour la dépose de SEIS était effectivement très calme. En surface, le niveau de bruit en pleine journée est désormais comparable à celui mesuré en pleine nuit lorsque SEIS était encore sur le pont de l'atterrisseur (l'activité éolienne étant bien plus faible la nuit que le jour). Le site présente également un niveau de bruit inférieur à celui des meilleures caves sismiques terrestres. Ceci est en partie lié au fait que la planète rouge ne possède pas d'océans. Sur Terre, le ressac des masses d'eau génère effectivement un bruit micro-sismique omniprésent, qui perturbe les mesures.

Nivellement

L'étape majeure suivante dans l'installation du sismomètre était celle de sa mise à niveau par rapport au plan horizontal. SEIS comporte six capteurs sismiques, trois capteurs à courtes périodes (SP), qui ne nécessitent pas de nivellement pour fonctionner, et trois capteurs plus sensibles à très large bande (VBB), qui forment le cœur de l'instrument, mais qui ne peuvent pas renvoyer de données si SEIS n'est pas parfait à plat.

Si les capteurs SP avaient pu être activés dans l'espace dès la phase de croisière entre la Terre et Mars, et ensuite depuis la surface de Mars peu après l'atterrissage, ce n'était pas le cas des capteurs VBB. Tandis que les capteurs SP fournissaient des données essentielles pour la caractérisation du niveau de bruit, d'abord depuis le pont de la sonde, et ensuite depuis la surface, les ingénieurs n'avaient pu que confirmer de manière partielle l'état de santé des capteurs VBB. Les sismologues attendaient donc avec une grande impatience leur activation. Les capteurs VBB sont en effet essentiels à la réussite de la mission InSight : capables de sonder plus en profondeur la planète que les capteurs SP, ils doivent fournir des informations cruciales sur la structure interne de Mars.

Animation montrant l'opération de recentrage des pendules sismiques VBB (© IPGP).Animation montrant l'opération de recentrage des pendules sismiques VBB grâce au mécanisme d'équilibrage (© IPGP/David Ducros).

La mesure des pentes du site d'installation a eu lieu au cours du sol 25 grâce aux inclinomètres du berceau de mise à niveau. Par chance, la surface sur laquelle SEIS a pu être posée présentait une faible inclinaison (environ 2,5°). Au cours du sol 30 (28 décembre 2018), les trois pieds motorisés du système de nivellement se sont activés pour mettre SEIS à l'horizontal. L'algorithme qui contrôlait automatiquement les opérations sur Mars est parvenu à une solution idéale après seulement deux itérations. Durant la mise à niveau, deux pieds se sont légèrement rétractés, tandis qu'un troisième s'est étiré d'environ 5 mm. Les images obtenues par la caméra IDC du bras robotique rendent compte du changement d'inclinaison de l'instrument.

Recentrage des pendules VBB

L'instrument étant désormais presque parfaitement à plat, les ingénieurs de l'IPGP (Institut de Physique du Globe de Paris), du CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) et du JPL (Jet Propulsion Laboratory) ont enfin pu, après un mois d'attente, programmer l'opération de recentrage des pendules VBB. Jusqu'à présent, pour protéger ces capteurs ultrasensibles des chocs et vibrations liées notamment au lancement et à l'atterrissage, la partie mobile du capteur avait été mise en butée. Lorsque les capteurs VBB étaient allumés pour effectuer des vérifications (sol 4 puis sol 30), les données étaient donc inévitablement saturées. Les ingénieurs savaient que les pendules semblaient être parvenus sain et sauf à la surface de Mars, mais ils ne disposaient pas de signaux véritablement utilisables.

Le jour de l'an, au cours du sol 35, le moteur d'équilibrage des trois pendules VBB a été activé sur Mars, pour placer la partie mobile du capteur dans sa position d'équilibre centrale. L'arrivée des premières données au cours du sol suivant (sol 36, 2 janvier 2019) à 8h21 a été accueillie par des salves nourries d'applaudissements, l'équipe s'étant réunie pour l'occasion devant l'écran principal de la salle d'opérations de SEIS au Jet Propulsion Laboratory.

Séquence animée d'images obtenues par la caméra IDC montrant l'opération d'ouverture du TSB (© NASA/JPL-Caltech).Séquence animée d'images obtenues par la caméra IDC montrant l'opération d'ouverture du TSB sur Mars lors du sol 37 (© NASA/JPL-Caltech).

L'opération de recentrage des pendules VBB était une étape cruciale pour la mise en service du sismomètre SEIS. Les ingénieurs n'ont effectivement aucun moyen de simuler parfaitement sur Terre la gravité martienne. Plusieurs astuces avaient été utilisées pour tester les capteurs dans des conditions martiennes en laboratoire (inclinaison de l'axe de sensibilité des pendules d'un certain angle par rapport au vecteur de gravité, utilisation de masselotte pour alléger artificiellement les capteurs, suspension de l'instrument à des ballons, etc.), mais une erreur est toujours possible. L'une des craintes des ingénieurs était qu'aucune position d'équilibre des capteurs ne puisse être trouvée sur Mars, ou que le ressort sphérique soit victime de frottements. Les calculs des ingénieurs se sont cependant révélés exacts, et depuis le 1er janvier 2019, les pendules VBB ont fait leur preuve sous gravité martienne. Et sur la plaine d'Elysium, les six capteurs sismiques de l'instrument SEIS sont donc désormais opérationnels, et à pied d'œuvre.

Installation du câble de liaison : ouverture du TSB

Fonctionnant pour l'instant en mode ingénierie, les capteurs VBB ont renvoyés de nombreuses données sismiques depuis le sol 36, qui ont été couplées à celles des capteurs SP pour caractériser du mieux possible la zone de dépose, et surtout les signaux parasites transmis par le câble qui relie l'instrument à l'atterrisseur InSight. Ce dernier, qui assure l'échange des données ainsi que l'alimentation électrique de SEIS, est absolument vital au fonctionnement du sismomètre.

Cependant, à cause des énormes contrastes de températures existants sur Mars entre le jour et la nuit (-70°C en moyenne), celui-ci subit des déformations thermo-élastiques, que les ingénieurs doivent s'employer à minimiser. Ce phénomène, redouté sur la planète rouge, est totalement nul sur Terre, étant donné que les sismomètres sont installés dans des environnements très stables d'un point de vue température, les caves sismiques (les variations journalières de température y sont de l'ordre de 0,01°C) Sur la planète rouge par contre, les déformations sont si importantes qu'elles en deviennent visibles à l'œil nu sur les images IDC. Les effets du vent constituent aussi une source de perturbations qu'il s'agit d'éliminer en intervenant sur le câble.

Les déformations thermo-élastiques du câble de SEIS (© NASA/JPL-Caltech).Les déformations thermo-élastiques du câble de SEIS sur Mars entre le sol 37 à 13:24 LMST et le sol 38 à 14:09 LMST. Les logos peuvent aider à mieux visualiser les mouvements de ce dernier (© NASA/JPL-Caltech).Lorsque le déploiement de SEIS a été effectué le 19 décembre, une partie du ruban était encore enroulé dans un boitier cylindrique fixé sur l'atterrisseur, nommé TSB (Tether Storage Box). Cette situation était nécessaire pour pouvoir redéplacer si besoin l'instrument avec le bras robotique, au cas où la première région choisie pour la dépose se serait révélée inadéquate d'un point de vue sismique. L'analyse des données a convaincu les ingénieurs que le feu vert pour l'ouverture du TSB pouvait être donné. L'opération a été réalisée avec succès le 3 janvier 2019, au cours du sol 37, après arrêt total de SEIS. Les images obtenues par la caméra ICC montrent sans ambiguïté aucune que la ligne de vie de SEIS repose désormais bien à plat sur le sol martien.

Installation du câble de liaison : ouverture du LSA

Le dévidement complet du cordon ombilical reliant SEIS à la sonde InSight ne signifiait cependant pas la fin des opérations d'installation du câble, bien au contraire. Sur Terre, lorsque les sismomètres sont installés dans des caves sismiques, les techniciens font faire plusieurs tours au câble qui relie l'instrument aux boitiers de mesure, de manière à neutraliser toutes les perturbations qui peuvent circuler via ce dernier. Ces tours de câble autour des sismomètres forment ce que les spécialistes appellent une boucle de service. Sur Mars, un dispositif équivalent, mais un peu différent, équipe l'instrument SEIS.

Au niveau du secteur ou le sismomètre est connecté au câble se trouvent deux plaques métalliques fixées ensemble par un frangibolt, et qui forcent le ruban à former une boucle de service miniature. Celle-ci permet de bloquer les perturbations qui se propagent le long du câble, et en particulier la dilatation/rétraction journalière en fonction des variations de températures évoquée plus haut. La partie de la boucle de service constituée par les deux plaques porte le nom de LSA (Load Shunt Assembly).

Séquence animée d'images obtenues par la caméra IDC montrant l'ouverture du LSA (© NASA/JPL-Caltech).Séquence animée d'images obtenues par la caméra IDC montrant l'ouverture du LSA sur Mars durant le sol 40 (© NASA/JPL-Caltech).

Une fois le TSB ouvert, l'étape suivante a consisté à ouvrir le LSA. L'opération a eu lieu avec succès au cours du sol 40 (les capteurs VBB ayant été placés en position de stockage). Si les deux plaques métalliques du LSA sont maintenant séparées, elles ne sont cependant pas encore suffisamment écartées pour faire barrière aux signaux parasites, une situation qui était attendue. Les ingénieurs vont donc intervenir sur le câble avec le bras robotique pour augmenter le niveau d'ouverture du LSA.

Cette manipulation, assez délicate, va consister à mettre en contact la pelle du bras robotique avec la petite poignée de préhension située sur une masselotte (pinning mass) positionnée sur le câble, puis à ramener légèrement le bras vers l'atterrisseur pour pousser sur la pinning mass et tirer ainsi le câble en arrière de quelques centimètres. La poignée de la masselotte permet également une capture via le grappin, mais les ingénieurs ont préféré utiliser la pelle pour une question de précision. L'option qui aurait consisté à reprendre le sismomètre pour le replacer un peu plus loin n'était pas non plus envisageable pour de multiples raisons.

Dans la seconde partie de l'article, nous passerons en revue les résultats de l'ouverture du LSA, avant d'aborder les étapes finales de l'installation : nivellement de bas niveau, dépose du bouclier de protection thermique et éolien (WTS) sur l'instrument, et passage des capteurs VBB en mode scientifique. Sur Mars, un peu plus de deux mois après son atterrissage, les premières mesures sismiques de la station de géophysique ELYSE pourront alors véritablement commencer pour dévoiler la structure interne de la planète rouge.

Test d'ajustement de la pinning mass pour augmenter l'ouverture du LSA sur le banc de test ForeSight (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).Test d'ajustement de la position de la pinning mass du câble reliant SEIS à l'atterrisseur avec la pelle du bras robotique pour augmenter le niveau d'ouverture du LSA (à gauche) sur le banc de test ForeSight du Jet Propulsion Laboratory (© NASA/JPL-Caltech/IPGP/Philippe Labrot).

Pasadena, le 8 janvier 2019

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