En France, la charge utile des vols ballons ne peut excéder 500 kg pour des raisons de sécurité. Aussi, nous avons dû rapidement éliminer la traditionnelle nacelle pour alléger l’expérience. Le télescope de CLAIRE est par conséquent constitué de trois plateformes reliées par une structure tubulaire en fibre de carbone accroché au ballon par l’intermédiaire de la nacelle (Figure VI-I-1). La fibre de carbone a été choisie grâce à sa grande résistance mécanique et sa légèreté.
La structure du télescope comporte trois plaques en fibre de carbone dont le rôle est d’une part, d’assurer la fixation des tubes et d’autre part, de proposer une surface plane pour fixer les divers éléments de l’expérience. Ainsi, la plaque n° 1 porte l’électronique de vol, le détecteur et son blindage (non dessiné) dont la fonction est d’arrêter les photons gamma qui ne proviennent pas de la lentille. La plaque n° 2 est utilisée pour installer tous les sous- systèmes traditionnellement rangés dans une nacelle (batteries, télécommunications, etc.). Enfin, la plaque n° 3 est dédiée à la lentille, à son système de pointage fin et à la protection thermique.
Le champ de vue de la lentille est d’une minute d’arc, ce qui suppose une précision de pointage d’au moins 20 secondes d’arc. Or, le système de pointage grossier utilise des magnétomètres dont la précision peut aller jusqu’à la fraction de degré. La structure du télescope ne peut donc pointer sur la source avec une précision meilleure que 10 minutes d’arc. Elle compense les dépointages lents de grande amplitude. Il est par conséquent nécessaire de se doter d’un second système de pointage réagissant rapidement aux variations de faibles amplitudes. Ce système se compose d’un double cardan (un pour chaque rotation)
Chapitre VI : Préparation au vol ballon
animé par des actuateurs (Figure VI-I-2) et obéissant à une électronique de contrôle qui gère les données issues de trois instruments de mesure :
- le gyroscope - le senseur solaire - la lunette de réglage
Fig VI-I-1 : Schéma de la structure du télescope dans la configuration du vol ballon.
Gerald Skinner, Université de Birmingham
Le gyroscope et le senseur solaire sont installés sur le cadre intérieur pour mesurer les mouvements réels de la lentille. Leurs indications sont interprétées en continu (bande passante < 10 Hz) pour corriger le pointage fin de la lentille. Toutefois, ce système de boucle d’asservissement n’est pas suffisant pour pointer avec certitude sur l’objectif. En effet, les alignements sont effectués au sol à température ambiante. A 40 km d’altitude, la température est d’environ -40°C et les dilatations thermiques peuvent modifier les alignements. Pour parer à cette éventualité, l’image prise par le senseur solaire est régulièrement comparée à celle obtenue à partir de la lunette de réglage située au milieu de la lentille. Nous avons vu au chapitre V que l’axe de cette lunette est confondu avec l’axe gamma de la lentille. Il sert donc de référence. En cas de déformation des structures, un éventuel décalage angulaire entre l’axe du senseur solaire et celui de la lentille (ou de la lunette de réglage) peut être corrigé par comparaison des deux images.
Chapitre VI : Préparation au vol ballon
Fig VI-I-2 : Photo du double cardan de pointage fin. Photo CNES.
De la même manière, les basses températures (-30°C) régnant à l’altitude des ballons stratosphériques (40 km) par rapport à celle de la salle blanche pendant le réglage occasionneraient une dilatation thermique des plaques en aluminium, qui soutiennent les cristaux, et des vis en titane, qui maintiennent le réglage. Les vis ont un coefficient de dilatation thermique est de 8.9 10-6 K-1. La longueur des vis est de 10 mm, soit un mouvement de contraction d’environ 9 10-8 mK-1. La distance entre la zone de flexion de la plaque en aluminium et l’axe de la vis de réglage des plaques est de 10 mm en moyenne. La variation angulaire due au mouvement de contraction de la vis est donc égale à 5 10-6 radian, soit une seconde d’arc par degré Kelvin. A cette variation doit être ajoutée celle due à la plaque en aluminium dont le coefficient de dilatation thermique est 4 fois plus élevé que celui du titane. On peut s’attendre à un changement de plusieurs secondes d’arc par degré Kelvin. Par conséquent, il est essentiel de protéger la lentille des variations thermiques. Cette protection doit être légère pour ne pas pénaliser le bilan de masse, transparente aux photons gamma et efficace. Notre choix s’est porté sur le polystyrène extrudé dont la densité vaut 30 kg m-3 et la
conductivité λ 0.029 W m-1.
L’étude a consisté à mesurer le coefficient d’absorption, à priori faible, du polystyrène extrudé. Pour ce faire, nous avons intégré un premier spectre du générateur X sur une durée de 3600 secondes, puis un second après avoir placé devant le détecteur une plaque de polystyrène extrudé de 400 mm d’épaisseur. La soustraction des spectres nous a permis de déduire le taux d’absorption de ce matériau en fonction de l’énergie. La différence entre les deux spectres ne représente que 0.5% du flux. L’absorption est donc très faible au-dessus de 140 keV. Une extrapolation à 170 keV (énergie d’observation durant le vol) donne un taux d’absorption égal à 0.01 cm-1 seulement et répond aux exigences de moindre absorption du rayonnement X qui était imposé.
Il s’agit ensuite de fabriquer une boîte entourant à la fois la lentille et les cardans. L’épaisseur nécessaire pour garantir à l’intérieur de la boîte une température constante se calcule en tenant compte de la capacité de dissipation C d’une paroi d’un matériau qui est égale à :
Chapitre VI : Préparation au vol ballon
e S
C=λ (VI-1)
Dans cette équation, S représente la surface exposée au milieu extérieur et e l’épaisseur du matériau. La surface totale S est égale à 3.6 m2 pour un poids de 2.3 kg avec
une épaisseur de 5 cm. Avec ces valeurs numériques, le flux de chaleur qui se dégage de la boîte thermique est de 2 W. Ce calcul montre que les dissipations sont peu élevées et qu’un système de chauffage est inutile à l’intérieur de la boîte doit être monté pour compenser les déperditions.
I.2. L’intégration
Les cadres en aluminium définitifs (cadres noirs, figure VI-I-2) servant de cardans de rotation pour le pointage fin étaient indisponibles au moment du réglage. Un nouveau cadre, jumeau du cardan intérieur, a donc été utilisé pour le réglage de la lentille. Celle-ci a été intégrée dans le cardan définitif après cette procédure.
En conséquence, la lentille doit être démontable du premier cadre pour être insérée dans le cardan définitif. Deux conditions contradictoires dominent cette intégration. D’une part, il faut maintenir la lentille de manière rigide pour qu’elle reste fixe par rapport au cadre en aluminium. D’un autre côté, le lien doit être souple pour ne fournir aucune contrainte qui déformerait la lentille et déréglerait celle-ci au moment du démontage (disparition des contraintes). La solution adoptée est l’utilisation de pattes en CuBe placée en quatre endroits distants de 90°. Une extrémité se fixe au niveau du système de renforcement et une autre vient s’accrocher sur le dessus du cadre intérieur. Ainsi, quelle que soit la position de la lentille, au moins deux plaques participent à son maintien. Enfin, un minimum de contraintes étant appliquées sur le cadre de la lentille, celui-ci ne sera pas déformé et peut être otée du cadre utilisé pendant le réglage pour être intégrée dans le cadre définitif pour le vol ballon.