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Fonctionnement général

Une mécanique de précision implacable

Le sismomètre SEIS est composé de trois pendules sophistiqués solidement fixés dans une sphère en titane sous vide, et sensibles à une large gamme de vibrations. Ils sont pour cela qualifié de très large bande (VBB). Conçu en profondeur pour l'environnement martien, bien plus hostile que l'environnement terrestre, SEIS n'a cependant que peu à envier aux meilleurs sismomètres mis en oeuvre sur notre planète, même si ses performances sont cependant moindre que le meilleur instrument terrestre du marché, dix fois plus lourd, et très gourmand en puissance électrique.

Un pendule en deux parties, unies par un pivot

Représentation graphique d'un pendule VBB (© IPGP)Représentation graphique d'un pendule VBB (© IPGP).

Comme tous les pendules des sismomètres terrestres, les pendules VBB possèdent une partie mobile, capable d'osciller par rapport à une partie fixe, ceci sous l'impulsion de secousses sismiques transmises par le sol à l'instrument. Un pivot à lamelles, dont le principe de fonctionnement est étonnant, permet l'articulation entre la partie mobile et la partie fixe, et constitue l'axe de rotation du pendule. Il a été conçu pour permettre des mouvements extrêmement petits (de très faibles amplitudes), qui puissent s'effectuer en toute liberté, sans qu'aucun frottement ne vienne les empêcher.

Pendule inversé : sensibilité et instabilité

Le sismomètre SEIS s'appuie sur le principe du pendule inversé. Contrairement à un pendule classique, ou la masse mobile est suspendue à la verticale par un ressort à un socle fixe, le pendule inversé est un système beaucoup plus instable.

Partie fixe et mobile d'un pendule VBB (© IPGP/david Ducros).Partie fixe (en rouge) et mobile (en vert) d'un pendule VBB (© IPGP/david Ducros).Imaginez une tige flexible, plantée dans sa partie inférieure à un socle fixe, et terminée à son extrémité supérieure par une masse. On conçoit sans mal qu'un tel dispositif en équilibre précaire soit sensible à la moindre vibration. On comprend également qu'à la moindre pichenette, la masse aura tendance à basculer à droite ou à gauche de manière définitive, si le système n'est pas conçu et équilibré avec suffisamment de soin.

L'instabilité inhérente au pendule inversé lui confère une plus grande sensibilité que celle d'un pendule classique, y compris avec des masses mobiles de faible poids, ce qui est un avantage immense dans le domaine spatial. Celle de SEIS ne pèse que 190 grammes, à comparer aux masses bien plus importantes des sismomètres terrestres, qui sont proche d'un kilogramme pour les meilleurs instruments.

Un ressort conçu sur mesure

Bien qu'instables par nature, les pendules inversés du sismomètre SEIS conservent leur équilibre à un ressort lamellaire, recourbé en demi-cercle, et qui applique en permanence une force de rappel à la masse mobile, empêchant cette dernière se céder définitivement à la force de gravité.

Chaque ressort est unique, et entre les trois pendules de SEIS, ces derniers ne sont pas interchangeables. Ils sont effectivement fabriqués sur mesure, en tenant compte des caractéristiques des pivots, elles-aussi uniques.

Aucun pendule n'est donc identique à un autre, et chacun d'eux possède sa propre personnalité. Les ingénieurs responsables de la conception et de la fabrication de ces bijoux de technologie ont donc réellement effectué un travail de haute couture.

Vue de profil d'une pendule VBB très large bande (© IPGP)Vue de profil d'un pendule VBB très large bande (© IPGP).

Capteurs de déplacement

Grâce à un jeu d'électrodes fixées sur la partie mobile et la partie fixe, chaque pendule peut mesurer à chaque instant, et très précisément, les mouvements du sol au travers des mouvements de la partie mobile.

Un dispositif de contre-réaction, qui ramène à tout moment le pendule sur sa position d'équilibre, grâce à une bobine électromagnétique, augmente encore les performances du sismomètre, en particulier pour les déplacements très lents du sol. 

Trois axes pour les trois directions de l'espace

Pour un pendule donné, la partie mobile ne peut se déplacer que dans une seule direction de l'espace, celle-ci étant définie par l'axe de rotation du pivot. Le sismomètre d'InSight est un sismomètre trois axes, c'est à dire qu'il comporte un pendule pour chaque direction de l'espace, soit trois au total.

Il serait logique de penser que l'un des pendules est positionné verticalement, tandis que les deux autres sont orientés horizontalement. En réalité, bien que les trois pendules forment entre eux un angle de 90°, ils sont inclinés obliquement, de 32,5° par rapport à l'horizontal. Cette disposition, qui peut paraître étrange, permet de répartir le bruit sur les trois axes, et d'augmenter en retour le rapport signal sur bruit.

Avec une géométrie oblique, n'importe quelle secousse ou vibration fait réagir les trois axes, avec des intensités variables. Prenons le cas d'une secousse purement verticale, qui s'exerce sur un sismomètre trois axes dont les capteurs sont orientés exactement selon les trois directions de l'espace : un pendule vertical, et deux pendules horizontaux. On voit que dans ce cas, seul le capteur vertical est sollicité : la secousse, n'ayant qu'une composante verticale, passe effectivement inaperçue aux yeux des pendules horizontaux.

Modèle 3-D d'un pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Modèle 3-D d'un pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Au contraire, si on incline légèrement la grappe des trois capteurs, une secousse purement verticale va induire un signal dans chacun d'entre eux. Le signal le plus fort sera enregistré par le capteur qui sera le plus proche de la verticale, mais les deux autres vont également voir quelque chose. D'une certaine manière, on peut dire que dans le cas d'une configuration oblique, le niveau de bruit est réparti, et donc divisé, sur l'ensemble de trois capteurs, plutôt que d'être concentré sur un seul. Même si cette configuration oblique impose le fonctionnement des 3 capteurs pour une restitution des mouvements verticaux, elle a été retenue pour InSight tout simplement parce qu'elle permettait de réaliser un instrument 3 axes avec le même type de capteurs.

Un instrument martien

Si les pendules du sismomètre SEIS s'articulent autour de dispositifs qui se retrouvent dans la totalité des sismomètres terrestres (pivot, ressort, capteurs de déplacement, contre-réaction), d'autres ont été conçus spécifiquement pour les besoins de la mission, et rendent SEIS absolument unique, y compris au regard des meilleurs sismomètres terrestres.

Un mécanisme sophistiqué d'équilibrage permet ainsi d'adapter le pendule aux conditions martiennes, comme la gravité réduite, ou une inclinaison due à la surface sur laquelle le sismomètre sera posé, si celle-ci n'est pas corrigée par le système de nivellement. Un autre mécanisme de compensation thermique va donner la capacité aux pendules de s'accorder aux variations de température journalières et saisonnières.

Toute l'électronique de l'instrument est aussi conçue pour pouvoir résister aux rayonnements de particules durant le trajet entre la Terre et Mars (la phase de croisière), ainsi qu'aux températures de fonctionnement sur Mars, bien plus basses que celles des observatoires géophysiques terrestres, mis à part ceux déployés en Antarctique.

Détail d'un pendule (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN)Détail d'un pendule (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN).

A cause des contrastes énormes de température propres à la météo martienne, les ingénieurs ont dû isoler au maximum les pendules de l'environnement extérieur, par le biais d'un nombre impressionnant de couches isolantes. On peut notamment citer la sphère sous vide, au sein de laquelle sont installés les pendules, le couvercle isolant RWEB, et le bouclier thermique et éolien WTS.

Cependant, malgré ces précautions, la température à l'intérieur de la sphère variera lentement mais inéluctablement au fil des heures et des jours, d'une vingtaine de degrés en été et d'une dizaine de degrés en hiver. Grâce au mécanisme de compensation thermique, la sensibilité thermique des pendules sera finement réglée, de façon à compenser les sautes de température et améliorer le mieux possible les performances des capteurs sismiques.

Dernière mise à jour : 19 janvier 2018

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