III. Darwin des défis technologiques
III.3. Les développements technologiques et les missions de préparation
L’étude de pré-phase A comprenait la définition d’un programme de développements technologiques. En effet de nombreuses technologies requises par Darwin doivent disposer d’un niveau de maturité non encore atteint. Ces recherches sont menées par trois programmes distincts, réalisés par l’ESA : le Technical Research Programme (TRP), le General Support Technology Programme (GSTP) et le Core Technology Programme (CTP).
Conjointement à ces programmes, des missions de préparation, dirigées par l’ESA et regroupées dans le programme SMART23, doivent tester les nouvelles technologies et
méthodes directement en orbite.
La liste des technologies requises pour Darwin est vaste, allant de softwares ou de propulseurs, jusqu’aux déphaseurs achromatiques ou aux bancs optiques de grande stabilité. Ce chapitre décrit une vue d’ensemble des activités de développement identifiées jusqu’à présent.
III.3.1. Les tests en orbite
Un des challenges les plus audacieux de la mission Darwin est de positionner une flottille de satellites avec une précision de 1 cm. Le contrôle de la configuration durant l’observation est réalisée à l’aide d’une propulsion FEEP d’une poussée de 1 µNewton. Le déploiement et l’acquisition des sources cibles sont réalisées par une propulsion d’une poussée de 1 mNewton. Un système GPS permet de maintenir les positions des satellites avec une précision de l’ordre du centimètre, tandis qu’un système de métrologie laser mesure leurs positions à 5 nm près. Une voie indépendante du recombinateur de faisceaux observe les franges créées par l’étoile pointée par l’interféromètre et suit le mouvement des franges. L’information est transmise au système de contrôle de la formation qui rectifie alors la position et l’orientation des satellites.
Les technologies requises ne peuvent pas être testées au sol, il est donc nécessaire de les valider en vol. Pour ces raisons, le second satellite du programme SMART est dédié à la démonstration de technologies exigées par Darwin (et LISA). Le lancement de SMART-2 est prévu pour l’année 2006. Les études devraient donc être conclues courant 2003. Les principales activités de développement de Darwin/SMART-2 sont les suivantes (ESA 2000) :
le contrôle de la formation libre des satellites, dont les distances varient du mètre à quelques centaines de mètres. Cette activité comprend les déploiements et le contrôle de la flottille sur une longue période
un système de métrologie en trois niveaux, décrit dans le chapitre III.1.3 un système de propulsion FEEP, de poussée de 1 mNewton et 1 µNewton
III.3.2. Les tests au sol
D’autres technologies, requises par Darwin mais non testées dans le programme SMART, sont développées au sol et devraient être disponibles en 2006. Ce sont :
le développement de fibres optiques monomodes entre 5 et 18 µm, non encore existantes à ces longueurs d’onde. Le but final est de réaliser un filtrage spatial performant des fronts d’onde
l’étude d’un système de refroidissement sans vibration. Les composants actuels produisent des vibrations de forte amplitude, incompatible avec la stabilité opto-mécanique exigée la création de composants optiques dédiées à l’interférométrie, comme des lignes à retard et des unités d’ajustement des amplitudes et des polarisations
le développement de déphaseurs achromatiques pour l’interférométrie à frange noire l’élaboration des optiques intégrées à ces longueurs d’onde, dédiées à la recombinaison de faisceaux. Le banc optique pourrait être ainsi plus stable et réduit en taille et masse En parallèle à ces activités sont développés les suiveurs de franges, les écrans solaires et les miroirs destinés aux télescopes.
III.3.3. Des démonstrateurs en laboratoire de l’interférométrie à frange
noire
Acquérir de l’expérience et qualifier une interférométrie à frange noire, présentant les performances requises pour Darwin, exigent la réalisation de démonstrateurs du concept en laboratoire. Ces études sont menées en plusieurs lieux :
aux USA au JPL (Serabyn 2000)
en France à l’IAS (Ollivier 1999) et à Alcatel Space (Haguenauer 2000) en Allemagne à Astrium (Flatscher et Johann 2002)
Les développements de nouvelles technologies sont actuellement ou seront bientôt réalisées afin de surmonter les points durs identifiés dans la réalisation du futur instrument. L’un des obstacles technologiques majeurs est l’emploi de déphaseurs achromatiques. Plusieurs approches, conduisant à des APS aux performances requises (extinction de l’étoile de 10-6), sont à l’étude et sont basées respectivement sur :
le passage d’une onde par un foyer (APS focus crossing)
la rotation de 180° du vecteur des champs électriques (APS field reversal) le couplage de lames dispersives (APS dispersive plates)
Une solution alternative à l’emploi des APS, tel que décrit, et incluant la recombinaison des faisceaux, est basée sur l’utilisation du Coronographe Interférentiel Achromatique (CIA). Ce concept est décrit dans le chapitre IV suivant.
A l’heure actuelle…
Depuis la parution du rapport de l’ESA en 2000, où la configuration Robin-Laurance était adopée, une nouvelle configuration dite « bow-tie » a été imaginée (Absil et al. 2003) et préférée.
Comme le montre la Figure III-7, celle-ci est composée de deux GAC et présente au final six télescopes disposés sur un hexagone irrégulier. Chaque GAC est formé de quatre télescopes dont les poids relatifs sont (1, 1, 0.5, 0.5) et les déphasages achromatiques à introduire respectivement (π, 0, π, 0).
La modulation interne est réalisée entre les deux GAC.
Figure III-7 - Description de la configuration « bow-tie » (Absil et al. 2003), composée de deux interféromètres GAC. Au final six télescopes sont disposés sur un hexagone irrégulier. Les deux moitiés des flux collectés par les télescopes 1 et 4 sont respectivement dirigées dans chaque GAC.
La configuration bow-tie est préférée à celle de Robin-Laurance car :
le schéma de recombinaison est plus simple puisque les séparations énergétiques nécessitent uniquement des lames 50/50
l’efficacité maximale de modulation atteint 65 %, soit deux fois plus que la configuration Robin-Laurance φ=π φ=π φ=π φ=π φ=0 φ=0 φ=0 φ=0
télescope de poids relatif 1 télescope de poids relatif 0.5
1/2 1/2 fractionnement énergétique des télescopes n°1 et n°4 π/4 1 2 3 4 5 6 GAC 1 GAC 2
Que la configuration interférométrique soit Robin-Laurance ou bow-tie, le cahier des charges de la recombinaison reste le même et convient au système, appelé « cascade de CIA » (cf. chapitre IV), étudié dans ce manuscrit : recombiner quatre ondes en introduisant sur deux d’entre elles un déphasage de π achromatique.
Ces exigences correspondent au cas où la modulation est réalisée entre plusieurs interféromètres GAC (cf. chapitres II et III). Une autre technique de modulation, dite « naturelle », a été proposée par O. Absil, A. Karlsson et L. Kaltenegger (Absil et al. 2003), basée sur la recombinaison de tous les télescopes d’une flottille. Le nombre des ondes à recombiner peut être supérieur à quatre et les déphasages achromatiques à introduire différents de π.
La recombinaison demandée n’est alors plus compatible avec la cascade de CIA. C’est pourquoi je ne parlerai pas davantage de cette modulation et renvoie le lecteur à l’article Absil et al. 2003 pour une description détaillée de son principe.