AT13 D`HERSCHEL à GAIA, une nouvelle génération de télescopes

57ème congrès des
Professeurs de Physique
et de Chimie
de l’infiniment grand à l’infiniment petit
Toulouse,
le 26 octobre 2009
Michel BOUGOIN
D’ HERSCHEL à GAIA, une nouvelle génération
de télescopes spatiaux en carbure de silicium
Sommaire
1- BOOSTEC et l’instrumentation
optique spatiale
2- Le carbure de silicium (SiC)
3- La technologie SiC
4- HERSCHEL
5- GAIA
… de l’infiniment petit à l’infiniment grand
D' HERSCHEL à GAIA, une nouvelle génération de télescopes spatiaux en carbure de silicium
© BOOSTEC
BOOSTEC et l’instrumentation optique spatiale
•
•
•
Création : 1999
Localisation : à Bazet près de Tarbes,
Hautes-Pyrénées
Conception et fabrication de céramiques
techniques, ce qui met en œuvre 2
disciplines :
–
–
•
•
La sciences des matériaux (céramiques)
La mécanique
Notre spécialité : les pièces de grandes
dimensions (plusieurs mètres) et de formes
très complexes, en carbure de silicium (SiC)
Notre principal secteur d’activités :
l’instrumentation optique spatiale,
développé en partenariat avec ASTRIUM
Boostec est le seul industriel au monde capable de produire des télescopes en SiC de grandes
dimensions
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BOOSTEC et l’instrumentation optique spatiale
BOOSTEC en 2009, c’est …
– Une S.A. au capital de 1,085 M€ détenue en majorité par ses 2 dirigeants ainsi
que par une société de capital risque et ASTRIUM (EADS)
– Un effectif de 35 personnes
– Un C.A. de l’ordre de 7 M€
– Plusieurs grands projets spatiaux réalisés avec succès
• Osiris (Rosetta), Aladin (Aeolus), Herschel et Swarm pour l’ESA, NIRSpec (JWST), pour la NASA
• Rocsat 2 (Taiwan), Theos (Thaïlande), GOCI/COMS (Corée) , NAOMI/ALSAT(Algérie) et NAOMI /
SSOT (Chili) pour l’observation de la terre à l’export
• Le plan focal de Pléiades pour le CNES
– Mais également plusieurs grands projets spatiaux en cours
• GAIA et SENTINEL 2 pour l’ESA
• NAOMI 222 ASTROTERRA pour l’observation de la terre : futurs SPOT 6 et 7
– Une diversification vers
• Les grands télescopes sol (ESO)
• les énergies nouvelles et la nouvelle chimie: Hydrogène, électronique de puissance, échangeurs
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Le Carbure de Silicium (SiC)
– Les fabricants d’instrumentation optique spatiale recherchent
• Une grande rigidité spécifique (module d’Young / masse volumique)
• Une grande stabilité thermique (conductivité thermique / coefficient de
dilatation)
– Le SiC de Boostec est un carbure de silicium fritté; il présente d’
excellentes figures de mérite
140
• 420 GPa / 3,15 g.cm-3
• 180 W.m-1.K-1 / 2 ppm.K-1
Thermal Stability (MW/m)
Le CVD SiC est obtenu par dépôt à
partir de précurseurs gazeux; ce
procédé ne permettrait d’élaborer
que des pièces très fines, de formes
simples et de dimensions modestes
CVD SiC
120
100
BOOSTEC SiC
80
Zerodur
60
ULE
40
20
Be
Al
fused silica
0
0
Le béryllium est toxique
SiSiC
CeSiC
Si
20
40
60
80
100
120
140
160
Specific Stiffness (Mm ²/s²)
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180
Le Carbure de Silicium (SiC)
Origines
• Le SiC a été synthétisé en 1888 par le chimiste français Henri MOISSAN; il
est encore appelé « moissanite »
• Produit en quantité importante par l'américain Edward Goodrich
ACHESON en 1891 qui lui donne le nom de "carborundum" car il croyait
avoir synthétisé un composé fait de carbone et de corindon
• Le SiC n'existe "pratiquement" pas dans la nature. Des particules de SiC
ont été trouvées dans une météorite recueillie dans un canyon de
l’Arizona et identifiées par MOISSAN (1905)
• Le SiC a été le premier matériau synthétique capable de tailler le verre.
• C'est maintenant, et de loin, la céramique non oxyde la plus utilisée dans
le monde !
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Le Carbure de Silicium (SiC)
Principales propriétés du SiC pur
•
•
•
•
•
•
•
masse atomique : 40,1
densité (g/cm3) : 3,21
essentiellement covalent (dureté élevée : 9,1 Mohs)
Semi-conducteur
module d'Young élevé
grande conductivité thermique
nombreux polytypes :
– 3C (forme basse température : SiC béta),
– 4H, 6H, 15R ... (formes haute température : SiC alpha)
• couleur : jaune pour 3C; très variable avec impuretés (N, Al)
• température de décomposition : 2830°C
• ...
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Le Carbure de Silicium (SiC)
Propriétés du SiC de Boostec (SiC fritté)
Delta l / l (10 E-3)
THERMAL
EXPANSION
OF
BOOSTEC
SiC
FROM
R.T.
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperature ( K )
COEFFICIENT
OF
THERMAL EXPANSION
OF
BOOSTEC
SiC
8
(ppm/K)
6
CTE
7
3
5
4
2
1
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Temperature ( K )
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Le Carbure de Silicium (SiC)
Propriétés du SiC de Boostec (SiC fritté)
Conductivity (W/m.k)
THERMAL
CONDUCTIVITY
OF
BOOSTEC
SiC
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Temperature (K)
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Le Carbure de Silicium (SiC)
Propriétés du SiC de Boostec (SiC fritté)
5
K1c Toughnessn (MPa.m
)
CeSiC
4
Boostec SiC
SiSiC
CVD SiC
3
2
ULE
1
Zerodur
fused silica
0
0
100
200
300
400
500
600
4 Points bending strength (MPa)
Le SiC Boostec n’est guère plus fragile que le SiC chargé de fibres courtes. Ces dernières améliorent
légèrement la ténacité mais elles abaissent sensiblement la tenue à la rupture.
Le SiC fritté présente des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles des verres ou des
vitrocéramiques.
Ces bonnes propriétés mécaniques permettent de fabriquer les structures stables des télescopes et
des plans focaux en SiC Boostec.
Cette technologie permet également de réaliser l’ensemble des éléments du télescope dans un seul
et même matériau.
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Le Carbure de Silicium (SiC)
Propriétés du SiC de Boostec (SiC fritté)
• Comme le SiC CVD, le SiC Boostec présente:
– Une microstructure homogène et isotrope et donc
des propriétés physiques également homogènes et
isotropes,
– Aucune phase secondaire,
– Aucun dégazage,
– Aucune sensibilité à l’humidité ainsi qu’une
résistance exceptionnelle aux acides et aux bases
•
Le SiC Boostec présente également…
– Une totale insensibilité à la fatigue mécanique,
– Une porosité fermée d’environ 1.5 vol.%; on applique
généralement un revêtement de SiC CVD sur les faces
optiques des miroirs sauf pour les applications
infrarouges pour lesquelles ce n’est pas nécessaire
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Le Carbure de Silicium (SiC)
Propriétés du SiC de Boostec (SiC fritté)
• Bien que plus dur que les vitrocéramiques, le SiC
Boostec ou son éventuel revêtement de SiC CVD se
polissent aisément avec les techniques classiques de
polissage au diamant ou par polissage ionique …
– Il est parfaitement isotrope et ne présente aucune phase
secondaire,
– Il est très rigide et n’offre aucune plasticité,
– Sa faible masse volumique, associée à sa grande
conductivité thermique permettent de s’affranchir des
périodes de relaxations entre polissage et contrôle
• Tous les revêtements optiques des vitrocéramiques ou
des verres sont applicables au SiC Boostec
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La technologie SiC
Fabrication de pièces monolithiques
Usinage en cru
Rodage (optionnel)
Poudre SiC
Contrôle Final
Frittage
Pressage isostatique
Test d’épreuve
mécanique
Ebauche crue
Rectification
Nettoyage final
De la poudre aux pièces en SiC fritté
jusqu’à 1,5m x 1,0m
Recette
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La technologie SiC
Fabrication de pièces monolithiques
De la poudre aux pièces
en SiC fritté
jusqu’à 1,5m x 1,0m
Préparation de la poudre
SiC
Des additifs de frittage et des liants
organiques sont incorporés à la
poudre SiC
Test d’acceptation sur chaque lot
Pressage Isostatique
Usinage en cru
La poudre est uniformément
compactée au travers d’une
enveloppe en caoutchouc, sous
l’effet d’un liquide sous pression
Obtention de la forme quasi-finale à
l’aide de centres d’usinages à
commande numérique, 5 axes,
grande vitesse
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La technologie SiC
Fabrication de pièces monolithiques
De la poudre aux pièces
en SiC fritté
jusqu’à 1,5m x 1,0m
Rectification
A chaque fois que l’on
recherche des
géométries ou des
dimensions précises
Meules Diamant
Déliantage et Frittage
Frittage Naturel (sans pression)
réalisé vers 2100°C sous
atmosphère protectrice
Retrait isotrope, prédictible et très
bien maîtrisé
Tolérance / longueur : +/- 0.4%
Rugosité Ra ~ 0.5 µm
Défauts de forme
compris entre 2 et 100
µm selon la taille de la
pièce
Rugosité Ra ~ 0.3 µm
Capacité de nos
rectifieuses, jusqu’à :
- planes : 2m x 0,9m
- courbes : ø 3,5 m
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La technologie SiC
Fabrication de pièces monolithiques
Contrôle Final
Métrologie à l’aide d’un laser tracker ou de machines à mesurer
tridimensionnelles
Ressuage fluorescent
Inspection visuelle ou sous binoculaire , caméra numérique
De la poudre aux pièces
en SiC fritté
jusqu’à 1,5m x 1,0m
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La technologie SiC
Fabrication de pièces monolithiques
Test d’épreuve mécanique (statique)
Sur spécification des clients
Mis en œuvre par l’équipe BOOSTEC
Suivi par un ressuage fluorescent garantissant l’absence d’endommagement
Permet de garantir l’absence de défauts critiques cachés au cœur des pièces
De la poudre aux
pièces en SiC fritté
jusqu’à 1,5m x 1,0m
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La technologie SiC
Obtention de très grandes pièces par brasage
Pièces SiC prêtes pour
Readyletobrasage
braze parts
Contrôle
Final
Final Control
Assemblage mécanique
Mechanical assembly
MIP
Brasage
Brazing
Test Optional
d’épreuveProof
et Ressuage
test
Dye penetrant
inspection
Optionnel
MIP
Nettoyage
Final
Final Cleaning
Optional ou
grinding
Rectification
Rodage
optionnel
or lapping
DRB
Grandes pièces en SiC :
de 1 à 3,5 mètres
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La technologie SiC
Obtention de très grandes pièces par brasage
Grandes pièces en SiC :
de 1 à 3,5 mètres
Poudre de
silicium +
additifsall
Pièce en
SiC N° 1
Pièce en
SiC N° 2
Alliage de
silicium
fondu
Vers 1500°C, l’alliage
de silicium fondu
infiltre par capillarité
le jeu qui sépare les
2 pièces SiC. Après
refroidissement et
solidification les 2
pièces sont soudées.
On obtient des joints
d’épaisseur 1 à 50
µm, typiquement.
Pièce en
SiC N° 1
Pièce en
SiC N° 2
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La technologie SiC
Obtention de très grandes pièces par brasage (jusqu’à Φ 3,5 m)
Grandes pièces en SiC :
de 1 à 3,5 mètres
Le BRASAGE a été utilisé avec
succès pour la réalisation des
miroirs primaire d’ALADIN , du banc
optique de NIRSpec et de la
structure torique du télescope GAIA.
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HERSCHEL
• William HERSCHEL est un musicien allemand qui, devenu
astronome britannique, a fait de nombreuses découvertes
dont notamment la planète Uranus et le rayonnement
infrarouge (en 1800).
• C’est la raison pour laquelle l’ESA a donné son nom à
l’observatoire spatial en infrarouge et submillimétrique qui a
été lancé par Ariane 5 le 14 mai dernier.
• Les objectifs essentiels de la mission spatiale HERSCHEL sont :
• étudier la formation des galaxies et leur évolution, il y a
10 milliards d’années
• comprendre la formation des étoiles et leur interaction
avec le milieu interstellaire,
• étudier la chimie moléculaire de l’univers
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HERSCHEL
•
•
•
•
Herschel est le plus grand des télescopes en orbite dédié à l'exploration de
l'univers le plus froid.
Il est équipé d'un télescope doté d'un miroir primaire en carbure de silicium de 3,5
m de diamètre, d'une surface plus de deux fois supérieure à celle du miroir de
Hubble pour un poids près de 3 fois moindre (300 kg contre 840 kg).
C'est le premier observatoire spatial à couvrir le spectre entre 55 et 672 µm
(infrarouge lointain et rayonnements submillimétriques) pour détecter des objets
irradiants à des températures entre 5 et 50K (-268/-223°C).
Il est également le premier télescope à voir au-delà du « brouillard » causé par les
poussières cosmiques pour observer la lumière fossile des phénomènes les plus
anciens de l'univers.
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HERSCHEL
•
Le fournisseur direct de l’ESA pour la mission HerschelPlanck était Alcatel Space, maintenant Thalès Alenia
Space (369 M€)
•
Astrium France a fourni le télescope (25 M€), avec pour
principaux sous-traitants :
– Boostec qui a fabriqué le hardware en SiC (8,5 M€)
– Optéon (Finlande) qui a poli le miroir primaire
•
Astrium Allemagne a fourni le cryostat
• HERSCHEL embarque également 3 instruments :
•
•
•
HIFI, un spectromètre à haute résolution dédiée l’étude de la chimie
de l’Univers,
PACS, une caméra de bolomètres pour cartographier l’émission
infrarouge des grains de poussière et
SPIRE, qui remplit les mêmes fonctions que PACS mais à de plus
grandes longueurs d’onde, dans l’infrarouge submillimétrique.
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HERSCHEL
Le satellite Herschel…
– Il a été lancé avec succès par Ariane 5
depuis Kourou le 14 mai 2009, en même
temps que le satellite Planck
– Il est maintenant en orbite autour du
point de Lagrange L2 suivant une large
orbite de Lissajous; L2 est à 1,5 millions
de km de la terre, soit 4 fois la distance
terre-lune
– Le télescope est maintenant à sa
température nominale de 70 K
– Il a fourni ses premières images en Juin
2009 (galaxie M51), permettant
notamment de qualifier le télescope
– Actuellement , le spectromètre HIFI
connaît des problèmes d’alimentation
Produced from the very first test observation, these images lead
scientists to conclude that the optical performance of Herschel and its
large telescope is so far meeting their high expectations.
Communiqué de l’ESA du 19 juin 2009
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HERSCHEL
l’exemple d’un projet spatial, vu par le céramiste
Un grand projet spatial se
déroule en 3 étapes :
– La phase A : étude, vérification de
la faisabilité du système et de sa
capacité à répondre aux objectifs
de la mission,
– La phase B : spécification et
design (non détaillé),
– La phase C-D : design détaillé,
approvisionnements, fabrication,
intégration, essais
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HERSCHEL
l’exemple d’un projet spatial, vu par le céramiste
La Phase A : 1997-98
– Principal challenge identifié: la
parabole en SiC ø > 3 mètres (M1)
– Participation aux choix importants
de design et de technologie, aux
cotés de MATRA MARCONI
SPACE
– Réalisation d’un démonstrateur
reprenant les principales difficultés
technologiques
• Ø 1,35 m, sphérique concave
• Constitué de 9 segments de 40°
assemblés par brasage
• Poli puis testé avec succès par
MATRA MARCONI SPACE
– Premier chiffrage, très estimatif
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HERSCHEL
l’exemple d’un projet spatial, vu par le céramiste
La Phase B : 12/1999 – 05/2001
– Participation au design (non
détaillé) aux cotés d’ Astrium
– Réalisation d’un démonstrateur :
un segment échelle 1 du miroir
primaire qui en compte 12
– Chiffrages estimatifs puis remise
d’une offre ferme
– Planification du projet
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HERSCHEL
l’exemple d’un projet spatial, vu par le céramiste
La Phase C-D : 07/2001 – 04/2005
– Signature d’un contrat de 8,5 M€, à
l’issue d’une compétition Europe /
Etats-Unis de 6 ans; rôle clé des
démonstrateurs
– Programme d’investissement de 7 M€ :
bâtiments, CAO CATIA, fraiseuses CN,
fours, rectifieuses, laser tracker…
– Mise en place d’un plan de
développement
• Validation de certains designs,
• Qualification des nouveaux
équipements de fabrication,
• Validation des procédés de fabrication,
notamment le brasage
– Fabrication de maquettes ou pièces de
qualification à usage interne ou externe
– Planification du projet
– …
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HERSCHEL
l’exemple d’un projet spatial, vu par le céramiste
La Phase C-D : 07/2001 – 04/2005
– Participation au design détaillé aux
cotés d’EADS Astrium
– Design et réalisation d’outillages
spécifiques
– Fabrication des éléments en SiC du
télescope (1 modèle vol et 1 modèle
de secours, récurrent)
•
•
•
•
•
•
06/2003: échec du brasage du 1er M1
09/2003: livraison du 1er hexapode
02/2004: livraison du 2nd hexapode
04/2004: livraison des 2 M2
05/2004: livraison du 1er M1 (vol)
04/2005: livraison du 2nd M1(spare)
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HERSCHEL
Le miroir primaire du télescope HERSCHEL est
constitué de 12 segments brasés
- Face optique concave, parabolique,
- ø 3,5 m, 300 kg soit 25 kg/m²
- Fréquence propre, 1er mode > 100 Hz axial; > 50 Hz latéral
Après avoir été poli par Optéon (Finlande), il a été
revêtu d’une fine couche d’aluminium protégé par
de la silice (Observatoire du Calar Alto en Espagne)
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HERSCHEL
Le miroir secondaire et l’hexapode qui le relie au primaire sont également en SiC
Lors des tests de qualification, le télescope a subi 10g
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GAIA, la mission
•
•
•
Comme Herschel, GAIA est une mission
phare, d’observation de l’univers, lancée
par l’ESA
Elle succède à HIPPARCOS (lancé en 1989
par l’ESA)
Objectif: étudier, cartographier en 3D la
voie lactée, notre galaxie
– 1 milliards d’étoiles étudiées (soit 1% des
100 milliards!)
– détection des étoiles et de leur mouvement,
permettant de comprendre la formation de
la galaxie; chaque étoile sera observée
environ 70 fois
– Découverte également de plus de 10000
planètes au-delà du système solaire,
d’astéroïdes et de comètes du système
solaire, de supernovas, de quasars…
– … ce qui permettra de vérifier la théorie de
la relativité d’Einstein
•
ASTRIUM est le « prime contractor »
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GAIA, la mission
•
•
•
•
•
•
•
Le satellite sera lancé avec un
lanceur Soyuz équipé de l’étage
supérieur Frégat, depuis Kourou
Lancement prévu en décembre
2011
Mise en orbite type Lissajous autour
du point de Lagrange L2, à 1,5
million de km de la terre
Orbite de 180 jours et 340000 km x
90000 km
Le satellite tourne sur lui-même (1
tour en 6h) et son axe incliné de 45°
par rapport au soleil tourne autour
de ce dernier (1 tour en 63 jours),
ce qui permet de balayer la sphère
céleste
Durée d’observation > 5 ans
Communication avec la terre
environ 8 heures par jour et 5 Mbit
/ seconde
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GAIA, le satellite
•
Le satellite comprend
– La charge utile (Pay Load Modul):
• l’instrument optique ( maintenu à 170K) ...
• et son électronique de commande et de traitement
des données
– Le module de service mécanique:
•
•
•
•
•
La structure qui porte l’ensemble
Le système de micro-propulsion
La tente thermique
Le pare soleil qui porte les panneaux solaires
Le câblage
– Le module de service électrique
• Pilotage du pointage du satellite
• Contrôle et distribution de l’énergie électrique
• Gestion des données et Télécommunications avec la
terre # 30 000 CD Roms en 5 ans !
•
•
Masse au lancement : 2 030 kg dont 525 pour le
PLM
12 panneaux solaires qui se déploient dans
l’espace, diamètre 10 m soit 12,8 m² et 1,9 kW
dispo
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GAIA, la charge utile (PLM)
• 3 fonctions
– Astrométrie
• La position des étoiles
• Leur déplacement
– Photométrie
• Analyse spectrographique en continu de chaque étoile sur large
bande 320 – 1000 nm
– Radial Velocity Spectrometer (RVS)
• Mesure la vitesse avec laquelle l’étoile se rapproche ou s’éloigne
du satellite : spectrographie haute résolution sur bande étroite
847 – 874 nm, effet Doppler
• …regroupées sur 1 seul instrument
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GAIA, la charge utile (PLM)
• Design
– Double télescope (ASTRO) : 2 TMA
identiques (M1 – M2 – M3) formant un
angle très précis de 106,5°
– Recombinaison de leurs faisceau (M4 – M’4)
puis transport vers le plan focal via M5 –
M’5 en passant par le Radial Velocity
Spectrometer
– Un plan focal unique mais avec zones
dédiées aux différentes fonctions; 106 CCDs;
refroidi passivement à 170 K
– Un système ultra-précis (interférométrie
laser) de contrôle de l’angle formé entre les
2 grands TMAs : le Basic Angle Monitoring
– Une structure stable en forme de tore de 3
mètres de diamètre au centre de laquelle se
trouve une nacelle, reliée par des barres en
SiC (Folding Optic Structure)
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GAIA, la charge utile (PLM)
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GAIA, la charge utile (PLM)
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GAIA, la charge utile (PLM)
• Un instrument d’une précision extraordinaire
– Résolution angulaire de 20 µas comparable à la détection d’un cheveu
distant de 1000 km !
– Depuis la terre, Hipparcos aurait vu un astronaute situé sur la lune;
Gaia distinguerait l’ongle de son pouce !
• Le plus grand plan focal jamais réalisé : 1m x 0,5 m; 106 CCD, 1Gpixels
• Rôle clé du carbure de silicium pour la stabilité de l’instrument
– Faible masse,
– Isotropie,
– Stabilité thermo-élastique et dimensionnelle en environnement
spatial,
– Contrôle thermique passif suffisant
D' HERSCHEL à GAIA, une nouvelle génération de télescopes spatiaux en carbure de silicium
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GAIA
Les “anciens” démonstrateurs
Démonstrateur M1, CVD Schunk, poli à 20 nm
rms, traitement argent protégé, testé à 150 K et
en vibrations à 20 g rms
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GAIA
Les miroirs vol (hors BAM)
M3
M5
M1
Tous livrés depuis mai 2008
M4
M2
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GAIA
La structure torique
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Anneau torique formé de 17 segments
– Brasés bout à bout,
– Tous différents mais certains d’entre eux présentent des symétries 2 à 2 ,
– Pièces « 3D » complexes, très innovantes pour Boostec
– Section creuse pseudo-elliptique (1 circulaire)
– Diamètre environ 3 mètres
– 2 supports M1 à braser dans la même opération
– Masse tore brasé = environ 200 kg
C’était le principal challenge technique du projet pour Boostec ! La structure vol a
été réalisée avec succès et livrée à ASTRIUM début Août 2009
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GAIA chez BOOSTEC
La structure torique
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