Les derniers exemplaires de cryomécanismes indexés (ICAR) ont été livrés par l’Irfu au consortium METIS en février 2025. Pour les équipes du DIS et du DAp, c’est l’aboutissement de 10 ans de travail. Après la phase de conception et de prototypage (2015-2021), ces trois dernières années ont été consacrées aux intégrations et aux tests de 14 mécanismes, dont deux de rechange. Loin d’un long fleuve tranquille, la production de cette petite série a été émaillée de challenges techniques à relever.
Des mécanismes au cœur de l’instrument
L’imageur et spectromètre METIS est l’un des premiers instruments installés sur le télescope géant européen ELT. Il est équipé de 12 mécanismes rotatifs cryogéniques qui permettent de changer sa configuration optique. L’Irfu s’est appuyé sur 20 ans de R&D et de réussites techniques (VISIR, EUCLID) pour décliner ses cryomécanismes afin de répondre aux besoins de METIS. Au-delà des spécifications techniques, d’une répétabilité de positionnement de ± 1/1000e de degré et d’une température de fonctionnement de -230°C, le mécanisme a été conçu afin d’abaisser son cout unitaire.
Une production minutieusement préparée
A l’issue de la phase d’activité liée au prototype, validée par le passage de la revue finale de conception, les équipes se sont attelées à la préparation de la production de 14 mécanismes. Pour cela, il a fallu gérer la sous-traitance de fabrication des pièces mécaniques, déclencher et sécuriser les approvisionnements des capteurs et actionneurs puis préparer les moyens d’intégrations.
L’usineur de précision MEGEP a été retenu pour la fabrication des pièces mécaniques. Ces pièces aux tolérances très serrées, parfois à 5 µm, sont très délicates à usiner. La durée du marché (18 mois) est également un facteur de difficultés techniques : les réglages machines sont durs à tenir dans le temps et les délais de fabrication ont été impactés par des changements matériels et humains chez le sous-traitant rectifieur.
Au cœur du mécanisme, l’approvisionnement du moteur pas à pas chez Safran D&S a été déclenché très en amont étant donné la complexité du marché (options, étalement dans le temps). La fourniture de l’électroaimant, qui paraissait consolidé après le prototype, a été ralentie par un changement de process ayant impacté la qualité de la résine noyant la bobine. Ce problème à nécessité l’expertise technique d’ASELEC et la mise au point par les ingénieurs et techniciens de l’Irfu d’un process de nettoyage de la résine non conforme. Enfin, faute d’avoir trouvé un fournisseur de roulement à billes pouvant répondre à notre besoin spécifique pour un coût compatible avec un projet au sol, une procédure de modification de roulements standard Kaydon a été mise au point. Ainsi les billes et les cages des roulements d’ICAR ont été achetées à part et montées au CEA. Pour le reste des composants, sondes de température et capteurs de zéro, les approvisionnements ont été réalisés en un seul lot afin de garantir l’homogénéité technique des 14 exemplaires.
Pour finir, les moyens et procédures d’intégrations ont été pensés pour optimiser le travail. La plateforme cryomécanismes, crée en 2019, a été dotée d’un second cryostat d’essais afin de tester deux ICAR en parallèle. Coté méthode, la procédure d’intégration et de tests a été découpée en plus d’une centaine d’étapes unitaires. Celles-ci ont été réarrangées pour permettre le travail sur 2 ou 4 mécanismes en parallèle. Des contrôles qualité réguliers ont été ajoutés afin de valider pas à pas le montage. De la même manière, l’analyse des données issues des mesures tridimensionnelles a été automatisée.
Quatorze mécanismes et presque autant de surprises
Après la phase de préparation, les montages et les tests des 14 mécanisme se sont étalés sur 24 mois, ce qui représente un bon rythme de production. L’équipe METIS a dû régulièrement surmonter des problèmes liés aux mécanismes eux-mêmes où aux moyens d’essais. Le diamètre de certaines billes de roulements a dû être réadapté en réponse à des couples de frottements trop importants, une faille dans la procédure de montage a nécessité un démontage partiel de certains exemplaires, l’exigence de finesse du réglage du capteur de zéro a nécessité une amélioration de la procédure de collage, etc. Grâce à l’effort collectif des ingénieurs et techniciens, tous les mécanismes sont livrés 100% conformes aux spécifications.
Expédiés dans des laboratoires, responsables de différentes parties de l’instrument, aux Pays-Bas (NOVA), en Allemagne (MPIA), en Écosse (UK ATC) et à Taiwan (ASIAA), les mécanismes vont maintenant être intégrés dans les sous-ensembles de l’instrument METIS. L’équipe Irfu assure un support technique pour cette phase.
Au-delà des 14 mécanismes ICAR
La livraison des 14 mécanismes ICAR marque également le crépuscule de la contribution de l’Irfu à METIS. Coté DAp, le banc de test infrarouge METIS a permis de faire la caractérisation des taux de rejection des masques coronographiques dans les gammes spectrales de 8µm à 12.5µm, à température cryogénique. Ce travail, mené par les équipes du DAp a nécessité une phase que qualification du moyen de test qui s’est déroulée entre 2020 et 2023, puis plusieurs campagnes de mesures des masques étalées sur la période 2023-2024. A la clé, un rapport démontrant la bonne adéquation des performances des masques aux besoins de l’instrument.
Le DIS a également développé, construit, testé et livré le mécanisme cryogénique du dérotateur de champ.
Contacts
Olivier Corpace – Jean-Christophe Barrière – Mickaël Lacroix