LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL

VI.1.1. Historique des différentes évolutions du guiderope

Depuis les premiers essais sur la dune de Lillaste en Décembre 1990, jusqu'aux essais en Mars 1995 du Modèle d'Identification CNES (le "MI") sur la dune du Pyla, on a conduit de nombreux tests de comparaison ou de validation, avec plusieurs configurations de guideropes. Le MI du CNES est un modèle démonstrateur complet utilisant l'assemblage et les techniques d'intégration destinées à un modèle de vol. Les autres guideropes, prototypes de laboratoires, constituent une sorte de "Mécano" où l'on a pu échanger et tester des têtes haute fréquence, des modules numériques, des systèmes d'alimentation, plusieurs modèles d'articulation, différents montages de la queue, du câblage interne, ou encore différentes longueurs de guiderope. Certains assemblages ont par exemple servi seulement une fois pour valider rapidement, en cage de Faraday, un détail particulier ou la compatibilité d'un sous système. D'autres versions de guiderope, bien caractérisées, ont servi à maintes reprises pour des sondages sur sites extérieurs, et ont pu être traînées à même la glace ou sur le sable sur plusieurs dizaines de kilomètres au total.

Le premier guiderope-radar, de fabrication lettonne et russe, testé en Décembre 1990, transmettait les données analogiques résultant directement de la "transformation stroboscopique" vers un enregistreur à cassette, doublé d'un petit tube oscillographique.

La première version de guiderope numérique, intégrée en France en Février 1991, incorporait d'une part, dans un gros cylindre l'automate séquenceur et, dans un autre gros cylindre, la conversion, l'addition et la mémorisation du signal d'autre part. Une tête HF de type MA (Modèle Amélioré), conçue et fabriquée à Riga, s'interfaçait directement à ces fonctions numériques. Les différentes tensions d'alimentation nécessaires étaient fournies par un banc de convertisseurs continu-continu à découpages non synchronisés, responsables d'un important bruit large bande. Comme pour tous les modèles suivants, ce guiderope communiquait à travers des fibres optiques avec un petit ordinateur portable. Celui-ci permet la visualisation

immédiate et sert à stocker les résultats des profils de sondage.

Ce premier système autonome, peu pratique à tirer à cause des deux cylindres numériques de gros diamètre, a servi de démonstrateur suffisamment convaincant sur le terrain, et a ensuite permis d'étudier en cage de Faraday, la compatibilité électromagnétique avec les convertisseurs d'alimentation, et avec les mécanismes et le câblage au niveau des articulations.

En Septembre 1991, on testait un guiderope de forme plus représentative d'un modèle de vol, car tous les cylindres étaient de même diamètre. Toute l'électronique numérique était concentrée dans un seul petit volume blindé duquel toutes les liaisons électriques sortaient avec des filtres de traversées passe-bas multiples. Ce module blindé était logé dans un segment du guiderope de diamètre nominal. C'est le module dit CANACCU-MX (comme Modèle eXpérimental). Cette configuration du guiderope était équipée avec la même tête haute fréquence, modèle HF-MA, mais les régulateurs de tension à découpage avaient été remplacés par des régulateurs en série, "silencieux", alimentés par deux batteries primaires, une pour chaque polarité. La longueur de ce guiderope était de 6,60 mètres. Cette configuration a permis les tests sur le glacier du Mont-de-Lans en Janvier 1992, puis les premiers tests sur la dune du Pyla en Mars 1992.

En Avril 1992, ce guiderope a été équipé d'une nouvelle tête haute fréquence à grande dynamique, dite HF-MX, pourvue du gain variable en fonction du temps ( fonction "Varu"). Cette nouvelle configuration dispose à la fois de batteries rechargeables au Cadmium-Nickel, et d'un jeu de piles au Lithium en secours. Cette version performante du guiderope a été montée en deux exemplaires: le premier destiné à l'équipe française et à tous les essais avec le CNES, et un autre destiné aux travaux de l'équipe de Riga, pour tester des améliorations du fonctionnement Haute Fréquence, et aussi pour des campagnes de sondage propres à l'équipe de Riga. Dans ces deux configurations complètes, appelées modèles expérimentaux (MX), la conversion du signal se faisait à 30MHz. Il y a eu des petites différences entre les deux guideropes dans le câblage interne, non spécifié au départ, des fils électriques de recharge des batteries d'alimentation. Ces différences ont permis ultérieurement de mieux cerner puis de corriger les effets de résonance interne (voir Annexe III.2).

Juin 1992, caractérisation, puis en Novembre 1992, essais endurant et préparation) a servi, avec succès, pour la mission GIMAR réalisée, durant l'été austral en Terre Adélie (Janvier 1993), par Alain Hérique (CEPHAG, St Martin d'Hères,38 ), Richard Ney (CETP, St Maur, 94) et Guy Marec (LGGE, St Martin d'Hères, 38). On lira le compte rendu de ces mesures et de leurs traitements dans la thèse d'Alain Hérique (Hérique A., 1995).

Après cette campagne, conformément aux directives du projet Aérostat Martien, la longueur du guiderope expérimental de l'équipe française a été réduite à 5 mètres. Pour ce faire, on a dû alors supprimer les cylindres contenant les piles de secours au Lithium. Pour accompagner l'élévation de fréquence liée au raccourcissement, la fréquence de travail de l'automate et de la conversion a été portée à 40 MHz. L'électronique accélérée porte l'appellation "CANACCU"-MX40. La configuration raccourcie (et accélérée) porte alors l'appellation MX40/SX ou simplement SX (comme "Short eXperimental guiderope"). Afin de le distinguer, l'autre guiderope expérimental, celui de l'équipe de Riga, non raccourci, est renommé LX ("Long eXperimental guiderope").

A partir de sa livraison au CNES en Juillet 1993, on a procédé aux essais d'un nouvel ensemble de modules électroniques constituant le "Modèle d'Identification" (MI) de notre instrument. Il devait être conforme au cahier des charges spécifique fourni par le CNES: type de boîtiers des composants, règles de routage, de fabrication et de câblage des circuits imprimés, blindage du module numérique par une feuille de Kapton.... Fonctionnant à la fréquence nominale de 30 MHz lors de sa livraison et des premiers essais, l'horloge du module numérique du MI a été portée ensuite à 40 MHz (pour suivre l'effet du raccourcissement du guiderope).

En septembre 1993, on a remplacé le module HF-MI fourni au départ par l'Institut de Riga, par une nouvelle tête haute fréquence dite HF-MT (Modèle Technologique). Cette nouvelle tête MT a été fabriquée avec des composants et des circuits intégrés occidentaux de haute qualité, assemblés sur deux circuits imprimés français entièrement conformes aux spécifications du CNES. L'ensemble a été intégré dans une mécanique redessinée au Service d'Aéronomie, et usinée par la société SAU (91, Ballainvilliers) avec des matériaux sélectionnés par cette société pour la mission martienne, en accord avec les spécialistes du CNES.

Deux ensembles électroniques identiques ( avec Canaccu MI et tête MT) de notre instrument ont été fabriqués. Tandis que le modèle livré au CNES subissait les essais d'interface et les premiers essais d'environnement (cycles thermique martiens), l'autre a été intégré dans une portion de guiderope fabriqué par le CNES. Ce tronçon est alors formé de quatre segments tronconiques articulés et d'une queue (Coustillac X, 1994).

Cette extrémité instrumentée de guiderope, dénommée MY, a pu être substituée à la partie fonctionnellement équivalente du guiderope expérimental raccourci SX. Les deux tronçons instrumentés MX40 et MY sont toujours restés facilement interchangeables. On distingue ainsi, pour les essais, la configuration MX40/SX, guiderope entièrement expérimental, de la configuration MY/SX: quatre segments mécaniques CNES avec électronique MI-MT couplés au reste du guiderope expérimental. Cette configuration MY/SX a permis en particulier de mettre au point, au bout du guiderope, le montage avec excitation électrique de la queue CNES, puis, à l'autre bout du guiderope, là où fonctionne dans le modèle de vol le module émetteur de télémesure, le système interne d'adaptation d'impédance. Celui-ci évite les réflexions multiples parasites. On a pu ensuite, sur le site du Pyla, ajuster les réglages et comparer la qualité des échos reçus.

Lors des essais de terrain, afin de protéger des effets de l'eau ou du sable, l'instrument, les liaisons électriques, les articulations et la structure mécanique en général, on a glissé les guideropes dans une gaine en polyane transparent de faible épaisseur (4/10 de mm). Lors d'une des campagnes au Pyla, on a vérifié que cette faible épaisseur de diélectrique autour du guiderope n'apportait aucune modification ni à la circulation du courant sur l'antenne, ni à la réception des signaux. Pour les essais sur de longues distances, lorsque le guiderope est tracté à grande vitesse (jusqu'à 10m/s), Guy Marec du LGGE nous a donné l'idée de glisser le guiderope dans un tuyau souple de pompier. Le tuyau utilisé a un diamètre 110mm et une épaisseur de 3mm, en multicouche diélectrique de caoutchouc et de fibres tissées. Bien qu'on n'ait pas pu effectuer la mesure des courants transitoires sur l'antenne ainsi protégée (diamètre trop faible de la sonde de courant), on a pu retrouver les mêmes échos sur le site de référence du Pyla, avec ou sans le tuyau de pompier. Ainsi habillé, le guiderope a parfaitement supporté les essais difficiles de traînage sur la surface irrégulière de la glace entre les points D10 et D33 en Terre-Adélie.

VI.1.2. Système d'Alimentation

Le guiderope est autonome. Les sources d'énergie sont intégrées dans les segments du guiderope. Les développements et essais ont eu deux objectifs: d'une part valider des solutions exploitables sur le modèle de vol, mais aussi faire du guiderope un moyen d'essais pratique pour réaliser des sondages terrestres et mettre ainsi au point les techniques de traitements des signaux recueillis sur le terrain.

Le guiderope expérimental doit avoir la même longueur que le modèle de vol, mais il est moins instrumenté. Il ne comporte que le radar, ses régulateurs et l'interface optique qui relie l'instrument au micro-ordinateur. Ainsi, par rapport au modèle CNES, de nombreux segments sont vides et donc disponibles. Il était important de tester l'instrument avec les piles au Lithium LSH20 de SAFT sélectionnées par le CNES, et de câbler ces piles sensiblement de la même façon que celle prévue pour le MI. Mais il était gênant d'utiliser pour les essais de terrain des sources électriques non rechargeables. On a donc utilisé les segments libres pour placer des éléments rechargeables au Cadmium Nickel, en 2ème jeu. Alors qu'un élément Lithium présente en fonctionnement une différence de potentiel de 3 volts, un élément Cadmium-Nickel ne dépasse pas 1.2 volt. On utilise 9 piles Lithium au total pour le premier jeu, mais 24 éléments Cadmium-Nickel de même taille pour le jeu rechargeable, plus encombrant. On peut placer au maximum 3 éléments par cylindre du guiderope expérimental. Quand on a raccourci le guiderope expérimental, on a supprimé le jeu de piles Lithium. La charge des batteries au Cadmium-Nickel de taille R20 est de l'ordre de 4 ampères-heures. Le courant débité est de 400mA sur les éléments positifs, et de 200 mA sur les éléments négatifs. L'autonomie est donc de l'ordre de 10 heures pour un instrument allumé en permanence. La charge nominale complète des batteries prend 16 heures avec un courant de 400mA. Pour tenir compte de la différence de décharge des éléments positifs et négatifs, après une journée de travail, on charge les éléments négatifs avec un courant deux fois plus faible (typiquement 200 mA). Le système de charge incorpore un gabarit avec réduction du courant en fin de charge. Afin d'éviter les effets de mémoire inhérents à l'électrolyte, une décharge complète est opérée après chaque mission du guiderope.

VI.1.3. L'Interface Optique de commande et de saisie des données

Afin de ne pas perturber le fonctionnement électromagnétique de l'ensemble guiderope-radar, on a réalisé la télécommande et la télémesure à travers des fibres optiques de longueur 30 mètres. Cette longueur facilite la plupart des opérations et évite tous les parasites que peut générer l'ordinateur de pilotage. Plutôt que de développer une nouvelle interface avec des mots de commande spécifiques, la liaison à fibres optiques reproduit exactement l'interface entre le radar et la gestion de bord CNES qui se trouve normalement dans le guiderope, en configuration de vol. Le micro-ordinateur de pilotage exécute des programmes qui lui font simuler exactement le fonctionnement de la GBGR (Voir chapitre V.). C'est ainsi que nous utilisons quatre fibres optiques, deux dans chaque sens. L'ordinateur envoie un signal TXCOM qui déclenche la suite de tir et additions. En fin de cycle, le radar signale sur la ligne DEM qu'il est prêt à envoyer les données. L'ordinateur forme alors, sur la fibre HRADAR, un signal horloge de synchronisation, sur chaque nouveau front montant, le radar envoie sur la fibre DRADAR un nouveau bit de données. Il y en a 16384. Ainsi, le radar expérimental est aussi un démonstrateur de fonctionnement selon le protocole défini, contrôlable extérieurement. Quand le CNES a jugé inutile l'acquittement par le radar sur la ligne DEM, nous avons trouvé une nouvelle utilisation pour cette ligne. Afin d'éviter que le radar ne reste allumé entre chaque point de tir, ou lors des phases de sauvegarde, ou lors d'arrêt pour interprétation visuelle rapide, nous avons télécommandé, par un signal optique RADARON, la mise sous tension des régulateurs locaux du radar. Ce signal peut aussi correspondre à la commande mise sous tension de l'instrument générée par la gestion de bord du modèle de vol. La mise en service de cette commande, envoyée environ 150 milli-secondes avant TXCOM, et est relâchée dès la fin de la lecture des données utiles. On limite la consommation au strict nécessaire, et on allonge ainsi la durée de la charge des batteries qui peuvent ainsi assurer en principe plusieurs dizaines de milliers de points( un point de mesure et la lecture prennent de l'ordre de une seconde, la charge des batteries est de 4 Ah).

Les transformations électrique-optique ou optique-électrique sont réalisées par des circuits Honeywell qui fonctionnent avec ces fibres jusqu'à 5 MHz. Dans notre utilisation, le débit est limité à 20 kilobits par seconde.

Corps Queue Guiderope Micro-ordinateur Fibres Optiques

Figure 6-1: Dispositif Expérimental d'Essais du Radar Prism en situation.

VI.1.4. Le micro-ordinateur de pilotage et les programmes de pilotage

Afin de faciliter les opérations de sondage dans des endroits divers et plus ou moins accessibles, il était important de prévoir un système de visualisation et de stockage léger, pratique, interchangeable et nécessitant le moins de développements originaux possibles. Nous avons opté pour l'utilisation d'un micro-ordinateur standard. Des raisons économiques et de simplicité nous ont guidé vers le choix d'un micro-ordinateur portable du genre "compatible PC". Notre petite interface parallèle optique se branche directement dans la prise imprimante dite "Centronics". Cette interface, dite LPT1, est disponible sur tous les ordinateurs de cette gamme, et sa programmation est fort simple. Ainsi le radar est testable aussi bien en laboratoire que sur le terrain, et l'ordinateur de pilotage peut être remplacé à tout moment.

J'ai écrit les programmes de pilotage du radar, avec visualisation et stockage des données. J'ai utilisé le langage Turbo-Pascal (en version 6), de la société BORLAND. La grande lisibilité de ce langage m'a permis des extensions et modifications rapides, même lors de nos missions sur site. Seule la routine de lecture synchrone des données a été optimisée en langage d'assemblage ("assembleur"). J'ai aussi écrit des petits programmes pour les phases de mise au point de l'électronique, avec lesquels on peut afficher le contenu de la mémoire du radar en binaire, en hexadécimal, ou le visualiser comme sur un oscilloscope.