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Les pendules très large bande (VBB)

Un mécanisme d'horlogerie complexe et modulaire développé par l'Institut de Physique du Globe de Paris

  • Le pivot à lamelles d'un pendule (© IPGP)Le pivot à lamelles d'un pendule. On distingue les petites lamelles de cuivre qui en se pliant, permettent à la partie mobile du pendule de se déplacer d'une manière infime par rapport à la partie fixe, et ce sans aucun frottement (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN)

    Le pivot

    Tous les sismomètres sont constitués d'une partie mobile et d'une partie fixe. Lorsqu'un mouvement du sol a lieu, les vibrations se transmettent à la partie mobile, qui va alors épouser les déplacements transmis par le sol et bouger par rapport à la partie fixe. Les deux parties, fixe et mobile, doivent donc pouvoir pivoter l'une par rapport à l'autre librement. C'est le rôle du pivot de fournir cette articulation, qui doit s'effectuer sans aucun frottement.

    Pour un pendule donné, le pivotement des deux parties ne s'effectue que dans une seule direction, ou axe. Ce qui explique qu'un sismomètre moderne, comme SEIS, possède trois pendules, un pour chaque dimension de l'espace.

    Comme tous les composants des pendules de SEIS, le pivot est une petite merveille de technologie, mais également un mécanisme complexe et fragile. Ce mécanisme mesure 5,2 centimètres de longueur et 1,8 cm de hauteur. Fabriqué majoritairement en titane, il se compose d'une poutre supérieure, reliée à la partie fixe, et une poutre inférieure, fixée à la partie mobile par l'intermédiaire du ressort et du pivot lui même.

    La poutre supérieure (qui ne bouge donc pas) et la poutre inférieure (capable de se déplacer) sont unies l'une à l'autre par les 20 petites lamelles flexibles du pivot. Façonnées dans un alliage de cuivre et de béryllium, très fragiles et délicates (leur épaisseur n'est que de 50 microns), ce sont ces lamelles, qui en se pliant, permettent le mouvement de la partie mobile par rapport à la partie fixe. Ensemble, elles forment un axe de rotation virtuel.

    Avec un tel mécanisme, on imagine aisément que le degré de liberté de la partie mobile par rapport à la partie fixe est forcément très limité, et c'est effectivement le cas. Au maximum, la partie mobile ne peut pivoter que de 50 microns ! Un ingénieux système de butée mécanique réglable a été conçu pour éviter tout dépassement de cette valeur, et donc tout risque de déformation ou de rupture des lamelles.

    Chaque pivot possède des caractéristiques qui sont uniques. Parmi tous les pivots fabriqués, seuls ceux montrant des fonctionnalités optimales ont été retenus pour les pendules du sismomètre martien. Les pivots sont également sélectionnés par rapport aux propriétés des ressorts, eux-aussi uniques. Les ingénieurs doivent donc former des couples pivot/ressort qui soient les plus harmonieux possibles.

    Durant la conception et la fabrication du pivot, les équipes techniques ont dû faire face à plusieurs défis, qui ont nécessité la mise en place d'une tiger team, c'est à dire d'une équipe d'experts et de spécialistes, assemblée avec l'unique objectif de comprendre les problématiques rencontrées et de les résoudre.

    C'est ainsi que sur des modèles de qualification, une très légère flexure (flambage) de l'une des poutres provoquait un décalage de la fréquence propre du pendule (c'est à dire de la fréquence à laquelle il est le plus sensible), et ce dès que ce dernier était exposé au froid. Plus la température chutait, et plus le décalage augmentait, ce qui finissait par aboutir à une instabilité du pendule qui empêchait alors toute mesure.

    Position du pivot sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Position du pivot sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).

    L'exemple ci-dessus montre à quel point les pendules du sismomètre martien SEIS sont des systèmes intégrés. Il suffit que l'un des composants se mette à ne plus fonctionner de manière optimale pour que la sensibilité et les performances se dégradent subitement ou s'effondrent totalement, empêchant alors l'instrument de répondre aux besoins scientifiques pour lesquels il a été conçu.

    Pour un pendule donné, le pivotement des deux parties ne s'effectue que dans une seule direction, ou axe. Ce qui explique que la plupart des sismomètres modernes comme SEIS possèdent trois pendules, un pour chaque dimension de l'espace.

    Dernière mise à jour : 17 août 2017

  • Le ressort lamellaire d'un pendule (© IPGP)Le ressort lamellaire d'un pendule. Notez la petite masse en bas au centre utilisée pour pouvoir tester le pendule dans des conditions terrestres. On distingue également en haut le moteur d'équilibrage, qui ressemble à une petite pile (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN)

    Le ressort

    Le ressort est un élément fondamental du sismomètre SEIS, car c'est lui qui relie la partie mobile du pendule avec la partie fixe, et qui autorise donc les déplacements de la première par rapport à la seconde. C'est de lui dont dépend l'équilibre du pendule avec la gravité. La force de rappel qu'il exerce en permanence permet de ramener la masse mobile à sa position de départ après chaque vibration, et d'empêcher que cette dernière ne bascule de manière irréversible d'un côté ou de l'autre de son axe de rotation.

    Chaque pendule dispose d'un ressort plat, d'une longueur de 12 cm et d'une largeur de 1,5 cm environ. L'épaisseur de la lame n'est que de 0,12 mm.

    Les ressorts sont fabriqués dans un matériau élastique très spécifique, appelé THERMELAST®. Une coulée spéciale pour tous les ressorts des capteurs VBB d'InSight a même été commandée au fabricant pour l'occasion. Cet alliage magnétique de fer et de nickel possède un avantage non négligeable pour une utilisation en conditions martiennes : il est très peu sensible aux variations de température, car il stocke l'énergie des déformations thermiques sous forme magnétique.

    Contrairement à des ressorts classiques, qui se dilateraient ou se rétracteraient, les ressorts des pendules d'InSight vont demeurer insensibles aux contrastes drastiques de température qui caractérisent la météo de la planète rouge. Revers de la médaille, les ressorts sont sensibles au champ magnétique, une contrainte qui ne devrait cependant pas poser de problème sur Mars, mais qui a toutefois nécessité l'emport d'un magnétomètre trois axes pour pouvoir corriger les signaux sismiques d'éventuelles perturbations magnétiques.

    Chaque ressort est absolument unique, et possède une identité, qui s'exprime au travers de ses caractéristiques physiques. Tous les ressorts produits sont testés un par un, et seuls les meilleurs sont retenus. Etant donné les liens très forts qui existent entre les ressorts et d'autres composants des pendules, comme les pivots, ou la masse exacte de la partie mobile et son inclinaison, un appariement est nécessaire.

    Position du ressort sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Position du ressort sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).

    Les ingénieurs de la mission ont donc réalisé une série de mesures pour déterminer les paramètres essentiels des ressorts, comme la raideur. Des tests indépendants sont aussi réalisés sur les pivots. Une étude théorique est alors menée pour coupler un ressort donné avec le pivot qui lui convient le mieux. Cependant, il n'est pas possible d'apparier pivot et ressort sur cette seule base théorique. Des mesures concrètes sont alors réalisées avec un pendule de test, et le comportement du ressort est extrapolé aux autres pendules disponibles d'après les données recueillies.

    Ce travail de fourmi est absolument nécessaire pour pouvoir produire des pendules aussi performants que possible, sachant que seuls les meilleurs sont éligibles au vol spatial, et recevront l'honneur d'être installé dans la sphère de vol, qui partira sur Mars.

    Dernière mise à jour : 17 août 2017

  • Moteur d'équilibrage (© IPGP)Le moteur d'équilibrage des pendules ressemble à une petite pile. Il va permettre de caler avec une grande précision la partie mobile du pendule avant toutes mesures sur Mars (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN)

    Un mécanisme de précision pour régler et centrer les pendules

    A l'arrière de chaque pendule se trouve un dispositif d'équilibrage miniature, mais efficace. Ce dernier se compose d'une petite masselotte de 50 grammes environ capable de se déplacer le long d'un rail grâce à un moteur.

    En faisant coulisser la masselotte le long du rail, et en l'éloignant ou au contraire en la rapprochant du pivot, il est possible de centrer très précisément la partie mobile, et de l'amener sur le zéro avant d'entamer une série de mesure. Le dispositif d'équilibrage motorisé permet donc d'ajuster avec une grande précision la position d'équilibre de la partie mobile du pendule.

    Le mécanisme d'équilibrage est également très utile pour régler le sismomètre sur la gravité martienne qui régnera au niveau du site d'atterrissage.

    La gravité de la planète Mars est connue depuis fort longtemps. Avec une valeur moyenne de 3,71 m/s2, elle est environ trois fois inférieure à celle de la Terre. Cette valeur est cependant une valeur moyenne, qui peut varier de façon très subtile suivant les régions. Il suffit par exemple que la croûte martienne soit un peu plus épaisse sous le site d'atterrissage d'Insight dans la plaine d'Elysium pour que la gravité soit très légèrement supérieure à la valeur moyenne.

    Position du mécanisme d'équilibrage sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Position du mécanisme d'équilibrage sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).

    Quelque soit la valeur réelle de la gravité que la sonde InSight découvrira après son arrivée sur Mars, le dispositif d'équilibrage des pendules du sismomètre SEIS permettra de s'y adapter.

    Au fil du temps, il est également probable que la masse mobile subisse une dérive mécanique, due à la fatigue du pendule. Là encore, le mécanisme d'équilibrage permettra d'y faire face.

    Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

  • Mécanisme de compensation thermique (© IPGP)Le mécanisme de compensation thermique est un ingénieux dispositif qui permet d'adapter les pendules aux inévitables variations de température sur Mars (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN)

    Le mécanisme de compensation thermique (TCDM)

    Le mécanisme de compensation thermique (TCDM) représente une autre particularité "martienne" du sismomètre SEIS. Très visible sur le pendule, ce dispositif astucieux permet à l'instrument de composer avec les variations de température qui toucheront son environnement de travail, c'est à dire l'intérieur sous vide de la sphère en titane. Il s'agit d'un mécanisme passif permettant d'ajuster le centre de gravité du pendule en réponse à des variations de température.

    Malgré tout le soin apporté à l'isolation thermique des pendules et la présence de multiples barrières protectrices (surface interne de la sphère de faible émissivité, capot de protection thermique RWEB, bouclier thermique WTS), des modifications de température à l'intérieur de la sphère seront inévitables. Elles seront de +/- 5°C en hiver et dépasseront les +/- 10°C en été, avec des températures moyennes de fonctionnement de -50°C en hiver et de -25°C en été. Ces variations de température devront impérativement être quantifiées et contrebalancées, pour permettre aux pendules de fonctionner avec le niveau de performance requis par les scientifiques.

    Les ingénieurs ont donc conçu un élégant mécanisme de compensation thermique, appelé TCDM. Ce dernier, fixé sur la partie mobile du pendule, est composé de deux petits éléments qui ressemblent un peu à des antennes de télévision miniatures (ou des oreilles), et qui sont reliés à un axe central via un moteur pas à pas très précis.

    Ces éléments en forme d'antennes (appelées dispositif de compensation thermique, TCD) disposés de part et d'autre du TCDM sont composés de deux matériaux métalliques distincts mis au contact l'un de l'autre et entrelacés, et qui possèdent des coefficients de dilatation différents. En cas de changement de température, l'un des matériaux ne subit presque aucune dilatation/rétraction, tandis que l'autre voit son volume changer de manière non négligeable. Ce faisant, la modification différentielle de volume altère de manière subtile le centre de gravité du pendule.

    Lorsqu'une augmentation de température se produira dans la sphère, le dispositif de compensation thermique (TCD) va se déplier dans une direction, un peu comme un accordéon, pour tenter de minimiser le plus possible l'impact de l'échauffement sur le pendule. Inversement, en cas de baisse de température, le même dispositif va se rétracter, toujours pour neutraliser du mieux possible les effets de la chute de température sur le capteur sismique.

    Position du TCDM sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Position du TCDM sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).

    Le dispositif de compensation thermique possède de plus la particularité de tourner sur lui-même, ce qui permet aux ingénieurs de le positionner dans une orientation tel que son effet à l'amplitude voulue s'oppose presque exactement à la sensibilité thermique, qui sera alors efficacement amortie et contrée.

    Mécanisme de compensation thermique (© IPGP)Modèle numérique du mécanisme de compensation thermique, ici en position verticale (orientation parallèle au vecteur du champ de gravité) (© IPGP) Ainsi, si, une fois sur Mars, les pendules du sismomètre se montrent peu sensibles aux variations de température martienne, le TCDM sera positionné de manière à avoir une influence faible, avec une orientation parallèle au vecteur du champ de gravité. Au contraire, si la sensibilité thermique s'avère importante à l'intérieur de la sphère, le TCDM sera orienté de manière à contrebalancer efficacement les sautes de température, et son orientation sera alors perpendiculaire au vecteur de gravité.

    Dernière mise à jour : 5 février 2018

  • Une électrode en céramique du capteur DCS (© IPGP/CNES/SODERN)Une électrode en céramique du capteur DCS. Ce dernier est capable de résoudre des déplacements du sol équivalentes au dixième du rayon de l'atome d'hydrogène, pour des périodes de l'ordre d'une seconde (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN)

    Le capteur électronique DCS mesure les déplacements de la partie mobile du pendule

    Le capteur DCS est un dispositif fondamental équipant les pendules du sismomètre SEIS. C'est effectivement lui qui a la lourde charge de devoir mesurer le moindre déplacement de la partie mobile par rapport au bâti qui reste fixe. Il doit se montrer capable d'enregistrer des mouvements très rapides du sol, mais également des déplacements très longs, qui s'étalent sur des milliers de seconde.

    Le DCS se trouve à l'extrémité opposée au pivot. A cet endroit, la partie mobile du pendule SEIS peut se déplacer librement entre deux zones fixes, dans un espace appelé entrefer. L'espacement qui existe entre la masse mobile et l'entrefer est très faible : il mesure 150 microns, sachant que, comme nous allons le voir, seule une fraction de cet espace de débattement sera en fait utilisée par le sismomètre pour réagir aux séismes (le pivot lui-même ne peut bouger que de 50 microns).

    La masse mobile du pendule, ainsi que l'entrefer, portent des électrodes gravées dans de petites plaques de céramique. C'est la différence de la capacité électrique entre l'électrode de la masse mobile, et l'électrode complémentaire montée sur la partie fixe en dessus et en dessous de la partie mobile qui va permettre de quantifier très précisément le mouvement de la partie mobile par rapport à la partie fixe. La capacité est une unité exprimée en farad qui mesure la quantité de charges électriques situées entre deux électrodes.

    Le dispositif d'acquisition du mouvement du pendule est appelé DCS (Differential Capacity Sensor), car la mesure repose en fait sur la différence de capacité électrique qui existe entre, d'une part, le couple électrode fixe supérieure et électrode mobile, et le couple électrode fixe inférieure et électrode mobile.

    Des butées mécaniques situées à proximité du DCS empêchent les électrodes qui équipent la partie mobile de venir toucher les électrodes montées sur l'entrefer, ceci pour éviter tout court-circuit. Le gain fournit par le DCS est proche de 3 volt par micron, ce qui signifie qu'à chaque fois que la partie mobile se déplacera d'un micron (un millionième de mètre), une tension de 3 volt sera générée par le capteur. Le bruit du capteur, c'est à dire le signal qui sera enregistré en l'absence d'événements sismiques, est de moins de 10 microvolts, ce qui correspond à un déplacement inférieur à 5 picomètres (un millième de milliardième de mètre), pour des signaux sismiques d'une période comprise entre 0,5 et 1 seconde.

    Position du DCS sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Position du DCS sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).

    La précision atteinte par le capteur DCS est tout bonnement stupéfiante. Grâce à ce dispositif, le sismomètre SEIS peut mesurer des déplacements plus petits que la distance qui sépare l'électron de l'atome d'hydrogène de son noyau. Celle-ci, appelée rayon de Bohr (en l'honneur du prix Nobel de physique Niels Bohr) vaut environ 0,5 angström, soit 50 picomètres. Dit autrement, SEIS est sensible à des mouvements du sol qui s'expriment en distance atomique, et permet de résoudre des déplacements du sol aussi petit que le dixième du rayon de l'atome d'hydrogène, pour des périodes de l'ordre de la seconde.

    Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

  • Bobine de contre-réaction (© IPGP/CNES/SODERN)Bobine de contre-réaction (© Hervé Piraud / IPGP / SODERN)

    Des bobines de contre-réaction pour optimiser les performances

    Comme nous venons de le voir, à chaque mouvement du sol, le déplacement entre la partie mobile du pendule par rapport à la partie fixe est mesuré électriquement grâce aux électrodes du capteur DCS. Cependant, contrairement à ce que l'on pourrait penser, cette mesure ne constitue pas le signal qui va sortir du sismomètre pour être envoyé sur Terre, et que les scientifiques vont ensuite analyser.

    SEIS, comme beaucoup de sismomètres terrestres, est effectivement doté d'un dispositif de contre-réaction, qui va ici permettre d'optimiser son fonctionnement par rapport aux conditions martiennes, et d'améliorer de manière significative sa performance.

    Le dispositif de contre-réaction (feedback en anglais) est constitué d'un ensemble de trois bobines concentriques imbriquées, fixées sur la partie mobile, et qui accueillent en leur centre un aimant, boulonné sur la partie fixe. Chaque bobine est composée d'un petit support en céramique autour duquel a été enroulée avec beaucoup de soin une grande longueur de fil de cuivre très fin.

    Les bobines sont au nombre de trois. La bobine extérieure, la plus grande, sert lors des opérations de calibration. Elle permet d'injecter un mouvement fluctuant, dont la lecture qu'en fait le sismomètre est ensuite vérifiée. Autrement dit, par l'intermédiaire de cette bobine, on fait trembler virtuellement la partie mobile avec un mouvement bien connu, qui permet de régler le pendule.

    La bobine intermédiaire est adaptée à la mesure de signaux sismiques de courtes périodes, dont les oscillations ont lieu sur des intervalles de temps courts, inférieurs à 50 secondes. Son rôle principal est d'amortir les secousses trop brusques et la résonance du pendule, et d'empêcher ce dernier de venir cogner contre les butées de protection.

    Enfin, la bobine interne, la plus petite, a été conçue au contraire pour intervenir lors de signaux sismiques à longue période. Sa caractéristique principale est d'être capable de suivre ces oscillations lentes, et ce malgré les variations inéluctables de température qui ont lieu au cours du temps, entre le jour et la nuit.

    Principe de fonctionnement

    A chaque fois que la masse mobile va se déplacer sous l'effet d'une vibration, des courants électriques généré par la tension du DCS et mis en forme par l'électronique du capteur sont envoyés dans les deux bobines de contre-réaction situées sur la partie mobile du pendule. En interagissant avec le champ magnétique créé par l'aimant fixé sur la partie fixe, ces courants vont créer une force de rappel qui ramènera le déplacement à zéro. Ce dernier étant devenu nul, le capteur de position reviendra également à une tension nulle. On voit donc que si l'instrument était parfait, la partie mobile ne bougerait jamais, quelque soit les sollicitations extérieures.

    Position du m&écanisme de contre-réaction sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).Position du mécanisme de contre-réaction sur le pendule VBB (© IPGP/David Ducros).

    Ce sont les tensions générés par ces courants, qui contrebalancent en permanence les éventuels mouvements de la partie mobile, que le sismomètre va enregistrer, et qui constitueront la mesure sismique. Initialement exprimés en volts, les signaux seront ensuite convertis par une fonction dite de transfert en valeur de déplacement du sol martien.

    Grâce à son mécanisme d'asservissement à une position d'équilibre, le pendule devient plus performant, surtout pour des mouvements du sol de longue période (dont les oscillations s'étalent sur des dizaines ou centaines de secondes), qui sont les plus importantes pour les scientifiques.

    Dernière mise à jour : 25 octobre 2016

 
 

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