28 novembre 2017
Livraison du modèle de vol des cryomoteurs de la caméra NISP pour le télescope Euclid

Modèle de vol des cryomoteurs permettant de sélectionner le mode d'observation de la caméra NISP d'Euclid. Crédit : CEA/Irfu

L’instrument NISP (Near IR Spectrometer Photometer) est un spectro-photomètre infrarouge qui équipera le télescope spatial Euclid (lancement prévu en 2021) dans le but de mieux comprendre la matière noire et l’énergie noire. Après trois ans de R&D aboutissant à un modèle de qualification, et 6 mois pour la construction et les tests du modèle de vol, les 2 cryomoteurs de NISP ont passé avec succès en novembre l’ensemble des tests de recette.  Une équipe de physiciens d'ingénieurs et de techniciens du CEA-Irfu est prête à les livrer au consortium instrumental Euclid/NISP. Ces cryomoteurs sont destinés à faire tourner les roues porte-filtres et porte-grismes1 qui détermineront le mode d'observation de la caméra NISP en photométrie ou en spectroscopie. Ces deux modes sont indispensables  pour mesurer la forme et l'âge des galaxies.

1Un grisme est un prisme dont une des faces est usinée de façon à former un réseau de diffraction afin de ne laisser passer qu'une seule longueur d'onde.

 

Deux cryomoteurs développés et testés à l’institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (CEA-Irfu) équiperont le spectromètre infrarouge du télescope spatial EUCLID de l’Agence Spatiale Européenne (lancement en 2021). Ces moteurs permettent de positionner avec précision les roues porte-filtres et porte-grismes de l’instrument. Crédits : CEA/Irfu – Olivier Corpace et Quentin Guihard

 

 

Modèle structurel et thermique de l’instrument NISP au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM). En vignettes, vues éclatées du NISP montrant la roue à filtres et la roue à grismes. Crédit : CEA/Irfu

Le NISP fonctionnera selon deux modes d’observation : photométrie ou spectroscopie.

Le Spectro-photomètre Proche Infrarouge (Near IR Spectrometer Photometer : NISP) a pour rôle la mesure des redshifts des galaxies. L'expansion, en « allongeant » l'Univers, augmente aussi la longueur d'onde des photons qui s'y propagent. La mesure de la répartition des longueurs d'onde émises par un astre donne son décalage spectral et permet de remonter à l'âge des astres observés.

NISP permettra des observations en mode "spectrométrie"  grâce à plusieurs grismes, ou en mode "photométrie" utilisant plusieurs filtres.

Pour travailler suivant ces deux modes, le NISP est équipé d’une roue à filtres FWA (filter wheel assembly), supportant 3 filtres, une position ouverte et une position occultée. En série avec cette roue à filtres se trouve la roue à grismes GWA (girsm wheel assembly) ayant 4 grismes et une position ouverte.

Ces deux roues sont actionnées par les cryomoteurs développés par le CEA-IRFU, en prolongement des actionneurs déjà réalisés utilisés sur des instruments comme VISIR, CAMISTIC ou MIRI.

 

 

 

A gauche: modèles structuraux et thermiques (STM).
A droite: modèles de démonstration (BBM). Crédits : CEA/Irfu

2013 - mi 2016 : Près de trois années de mises au point pour ces cryomoteurs spatiaux

Le développement des cryomoteurs pour Euclid a démarré vers 2013 avec des équipes conjointes du DAp (Département d'Astrophysique) et DIS (Département d'Ingénierie des Systèmes). Il s’est établi sur la construction de plusieurs modèles.

En premier lieu, des modèles structuraux et thermiques (STM) ont été livrés à l’instrument à l’été 2014. L’année 2015 et les 6 premiers mois de 2016 ont été consacrés au développement et à la mise au point des modèles de démonstration (BBM, Bread Board Model) avec lesquels sont apparus des écueils techniques. La conception du capteur donnant une position de référence à l’intérieur des moteurs a dû être complètement revue pour accroitre sa précision angulaire et son immunité aux changements de température. Les règles de conception de l’agence spatiale européenne ont également conduit à changer les matériaux de la structure des moteurs pour éviter le phénomène de corrosion sous contrainte. Enfin, une augmentation du couple de frottement des roulements à billes observée à basse température (110K) a requis plus de 6 mois d’investigations et de tests pour aboutir au remplacement des séparateurs de billes dans les roulements. Ces périodes de doutes et d’interrogations ont pris fin à l’été 2016, grâce à une implication très forte des équipes pour résoudre les problèmes.

 

 

Tests électromagnétiques chez InterSpace (gauche), cryostat et baies de contrôle du cryomoteur (au milieu), tests des couples exportés (CNES).Crédit : CEA/Irfu

Modèle de qualification

Le programme de qualification, utilisant les modèles du même nom (QM), s’est déroulé à partir de l’automne 2016 et avait pour but de montrer la tenue des performances après les cycles thermiques, les vibrations et un test de durée de vie portant sur 1,514 million de mouvements effectués à 110K. Ces mouvements ont été réalisés en 10 semaines et représentent plus de 1,5 fois le nombre de rotations à effectuer en vol. La durée la phase d’exploitation scientifique du NISP en vol s’étalera sur 7 ans.

Des campagnes de mesures complémentaires ont été conduites pour caractériser le comportement électromagnétique chez INTESPACE à Elancourt ou les couples exportés au CNES de Toulouse.

Les modèles de qualification ont été livrés aux équipes des roues à filtres et à grisms (la FWA et de la GWA) au printemps 2017. Ces modèles ont prouvé la robustesse et la tenue des performances attendues pour les besoins de l’instrument NISP. L’aboutissement du programme de qualification a déclenché la construction et le programme d’acceptance des modèles de vol.

Modèle de vol

En mars 2017 deux cryomoteurs de vol ont été construits et testés selon un protocole dit « d’acceptance » comprenant des tests de performances à température opérationnelle (130K), des tests de vibrations et un nombre réduit de cycles thermiques (293K-323K-110K et retour à 293K). Le modèle de qualification a subi 9 cycles thermiques démontrant la robustesse du cryomécanisme. Pour les modèles de vols, 2 cycles ont été suffisants pour éliminer le risque d’un défaut d’assemblage.

En octobre 2017, les deux moteurs de vol sont complètement testés et validés. Ils sont désormais stockés sous atmosphère d’azote en attendant que se tienne la revue de livraison. D'ici fin 2017, les deux cryomoteurs auront quitté le CEA et rejoint les laboratoires italiens (OHB-Milan, pour la roue à grismes) et espagnols (IFAE-Barcelone, pour la roue à filtres). 

 

 

Equipe cryomoteurs du Département d'Astrophysique et du Département d'Ingénierie des Systèmes. Crédit : CEA/Irfu

 

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Maj : 04/12/2017 (4233)

 

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