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| 13.03.09 |
Le
gradiomètre de GOCE
(Gravity Field
and Steady State Ocean Circulation Explorer) |
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Dans cet article qui présente la mission GOCE, Max
Bard, le Chef de projet du gradiomètre chez (instrument principal), répond à nos questions
et apporte son éclairage sur cette mission d'une grande complexité
qui vise à sonder l'intérieur de la Terre. Il s'agit pour les scientifiques
de déterminer et de cartographier de façon très précise le champ
de gravité terrestre.
GOCE a été réalisé par un consortium Européen. Dans le cadre de
ce partenariat,
a fabriqué la plateforme et Thales Alenia Space, en plus de la maîtrise
d'œuvre satellite, 'a fourni le gradiomètre,
l'instrument principal de la mission, en étroite collaboration avec
l''.
Ce satellite a pour 'mission
de mesurer les anomalies gravitationnelles et de redéfinir le géoïde
à 1 ou 2 centimètres près'. Cette mission s'inscrit dans
la lignée de 2 missions passées (Champ et Grace) mais avec 'une
évolution de performance de 1 à 2 ordres de grandeurs (soit 10 fois
à 100 fois plus précis)'. Afin d'atteindre cet objectif
GOCE sera placé à une altitude inhabituelle de 260 km au plus prés
de l'objet à caractériser.
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Géoïde de la Terre
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Le gradiomètre de GOCE
Cet instrument embarque 'six accéléromètres
fonctionnant par paire,' les deux accéléromètres de chaque
paires constituant un bras sont distants de 50 cm l'une de l'autre.
Les trois bras ainsi constitués sont assemblés perpendiculairement
les uns part rapport aux autres, l'ensemble devant être aligné de
façon 'parfaite' et maintenu
dans une position stable afin 'd'éviter
un mélange des mesures issues des différents accéléromètres et atteindre
ainsi les précisions requises'.
Notez que si un des six accéléromètres venait à ne plus fonctionner,
l'instrument continuerait d'assurer sa mission, 'grâce
à un e
recombinaison possible des mesures des accéléromètres restants'.
Grâce à sa masse d'épreuve de 350 grammes (parallélépipède en platinium-rodhium)
en lévitation dans un champ électrostatique chaque accéléromètre
mesure à son niveau, selon les 6 degrés de liberté, 'la
perturbation d'accélération avec une précision inégalée de 10 -12
g. soit l'équivalent de l'impact d'un flocon de neige sur un super
tanker !'
Le gradiomètre intégré
dans la plate-forme du satellite Crédit ESA
'Cette perturbation d'accélération vue
sous la forme d'une force est mesurée en ajustant/adaptant l'intensité
du champ électrostatique à l'aide d'électroniques d'acquisition
et de commande analogiques à très faible bruit, associées à un calculateur
afin de tenir la masse d'épreuve à sa position de référence. Les
différences d'accélérations entre les 2 accéléromètres d'une même
paire combinées à la mesure des autres paires permettent de déduire
des variations de gravité terrestre'.
La mise au point de ce gradiomètre n'a pas été simple car il doit
mesurer les perturbations externes, venant de la Terre et non pas
celles générées en interne comme, par exemple, la dilation du bras
(entre les 2 accéléromètres de la même paire) ou, encore plus original,
la variation du champ de gravité interne entre les accéléromètres
et les divers éléments du satellite.
Thales Alenia Space a donc 'développé des
éléments de structure unique au monde utilisant une technologie
carbone-carbone ( fibres de Carbone insérées dans une matrice carbone)
qui permet une très grande stabilité thermo-élastique ( de l'ordre
de 10-7 ) et hydrique( effet de l'absorption de l'eau), sans hystérésis
après application de charges et présentant un gain de masse significatif'.
Cette technologie est 'associée à un contrôle
thermique jamais inégalé (de l'ordre de 0,01 mK sur 200 s) '.
Elle sera bien évidemment ré- utilisée dans le futur pour des instruments
d'optiques ou autres ayant besoin d'exigences de stabilité aussi
élevées.
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Le gradiomètre
Crédit Thales Alenia Space |
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Particularités du satellite
Le satellite GOCE a la particularité d'être très longiligne (5 m
de long et 1 m de diamètre pour 1 tonne environ). Cette 'forme
inhabituelle pour un satellite d'observation de la Terre'
s'explique par sa faible altitude de travail où subsiste une atmosphère
résiduelle. Afin de minimiser la résistance due à la friction de
cet air, même raréfié, 'le satellite présente
un profil aérodynamique proche de celui d'un avion de façon que
sa trainée soit la plus faible possible'.
La surface de sa section perpendiculaire par rapport au sens du
vol mesure moins d'1 mètre carré. Ce résultat a été obtenu en étirant
la cellule dans le sens de la lo ngueur.
Les panneaux solaires parallèles au sens du vol ne sont pas déployables
mais solidement fixés. Le gradiomètre qui occupe à peu près le tiers
du volume du satellite a été positionné a son centre de gravite
afin d'éviter les perturbations latérales du satellite.
GOCE : Premier satellite
de conception aérodynamique (en forme de flèche) pour
limiter les effets du frottement causé par l'atmosphère
résiduelle à 260 km d'altitude. Crédit
ESA
Comme 'il est fondamental de ne pas perturber
les mesures, et de ne mesurer que les effets des anomalies gravitationnelles
terrestre', il n'y a aucune pièce en mouvement, pas d'électroaimant
et aucun mécanisme qui bouge.
L'autre particularité, 'est la très faible
altitude du satellite qui induit une durée de vie très courte'.
Elle sera d'une vingtaine de mois avec 2 périodes de mesures opérationnelles
de 6 mois avec possibilité d'une extension de mission. Entre ces
2 premières périodes, le satellite sera mis en hibernation et son
altitude relevée afin d'économiser son énergie. Le choix de cette
altitude s'explique encore une fois par 'la
spécificité de cette mission, plus on s'éloigne de la Terre, moins
bonne est la mesure'.
La trainée atmosphérique
Malgré sa forme aérodynamique, GOCE sera 'confronté
à une trainée atmosphérique importante pouvant perturber son fonctionnement'.
Afin d'en minimiser et d'en maîtriser les effets les équipes de
Thales Alenia Space ont développé un 'système
de compensation qui s'appui sur l'utilisation de moteurs ioniques'.
Comme nous l'explique Max Bard 'A l'effet
de gravité se superpose celui de la friction atmosphérique. Toutefois,
la décélération constante provoquée par l'air est, elle aussi, enregistrée
par le gradiomètre, qui est capable de la distinguer de l'accélération
due à des anomalies gravitationnelles. Le calculateur de bord analyse
les données d'accélération et actionne un moteur à propulsion ionique
qui ainsi minimise les perturbations liées à la friction en adaptant
la poussée délivrée. Ce système est appelé 'compensation de traînée''
La mission de Rockot
GOCE sera lancé par le lanceur russe Rockot opéré
par Eurockot Launch Services. Rockot doit positionner le satellite
sur 'une orbite plus élevé que l'orbite
opérationnelle'. Il s'agit ainsi de bénéficier de 'la
descente du satellite jusqu'à son orbite définitive'
pour permettre aux ingénieurs et scientifiques de la mission de
faire la recette du satellite et la calibration du gradiomètre.
Cette orbite n'a pas été choisie au hasard. Il va de soit que les
scientifiques auraient préféré une orbite encore plus basse mais
ces 260 km d'altitude constituent 'le meilleur
compromis entre retour scientifique, trainée atmosphérique et activité
solaire' (qui influe sur la densité d'atmosphère résiduel).
GOCE fera un tour de la Terre en 90 minutes sur une orbite héliosynchrone.
Objectifs scientifiques
La sismologie et l'océanographie sont les 2 grands domaines d'application
du satellite GOCE. Les données permettront notamment aux géophysiciens
d'affiner la connaissance du géoïde (une surface proche de la forme
réelle de la Terre prenant en compte les variations de densité de
la planète. Quant aux océanographes, ils pourront en déduire des
modèles de circulation océanique.
Les aspects climatiques de la mission sont nombreux de sorte que
GOCE abordera 'la problématique du changement
climatique sous un angle inhabituel'. Les mouvements
de masse d'eau dans les océans qui transfèrent des quantités d'énergie
colossal, l'évolution des glaces ou encore la connaissance des anomalies
interne de la Terre qui peuvent expliquer la présence de matériaux
plus de dense, voire des réserves de pétrole, sont autant de domaines
d'études qui bénéficieront à plein de GOCE.
Les résultats obtenus durant les vingt mois que doit durer cette
mission occuperont les scientifiques 'pendant
de nombreuses années'.
La Gravite: une source d'erreurs
La gravité est une loi fondamentale de la nature, une force d'attraction
entre toutes les masses. Les corps volumineux comme notre planète
produisent un champ de gravité : toute masse est attirée vers le
centre du corps. Cependant plusieurs facteurs induisent des variations
locales de ce champ, par exemple les différents matériaux présents
sous la croûte terrestre ou la distorsion de la forme de la Terre
due à sa rotation.
Note
Diplômé de l'Ecole Nationale Supérieure
des Arts et Métiers en 1977, Max Bard travaille pour Thales
Alenia Space France depuis plus de 30 ans. Chef de projet du gradiomètre
de GOCE depuis 2001, cet ingénieur a également participé
de près au programme .
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