III.1 De la modélisation à la réalisation
III.1.1 Spécifications
III.1.1.1 Conditions d’environnement
La température d’utilisation du miroir primaire sera variable en fonction du site
de lancement. La figure III.2 présente le profil de température moyen en fonction
de l’altitude, obtenu depuis le site de Kiruna. Ces courbes sont données à titre
d’exemple, cependant, en considérant une altitude plafond d’environ 40 km (soit
une pression équivalente de 1 hPa), on peut estimer que la température plafond sera
comprise entre -70 °C à +40 °C, avec une température plafond typique de -20 °C.
1
10
100
1000
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40
Température (°C)
P
re
s
io
n
(
h
P
a
)
Août
Septembre
Novembre
Décembre
Janvier
Février
Mars
Figure III.2: Relevé de profil de température en fonction de la pression, effectué
sur le site de Kiruna.
Concernant les déformations sous gravité au lancement et pendant les
obser-vations, on considère une accélération de 1G. Pour les déformées sous gravité, il est
nécessaire de considérer l’ensemble des angles d’élévation de l’instrument qui seront
compris entre 20 et 60°. Il faut également s’assurer que les déformations induites par
l’ouverture du parachute et le décrochage du ballon sont élastiques. Ces
accéléra-tions sont considérées comme quasi statiques avec 10G vertical/5G horizontal pour
l’ouverture du parachute et 15G vertical/7.5G horizontal au moment du décrochage
sous ballon.
III.1. De la modélisation à la réalisation 69
Enfin, le dernier paramètre pouvant affecter les caractéristiques optiques est la
corrosion liée à l’humidité. On estime que l’humidité relative pourra atteindre 100
% pendant la montée du ballon. Il faut par conséquent s’assurer que le revêtement
permettra de protéger le miroir sur ce point.
III.1.1.2 Choix du substrat/Contrainte de masse
Le miroir sera à température ambiante et non réglable en vol. Il est par
consé-quent important d’avoir une structure mécanique et un miroir constitué du même
matériau, de façon à ce que les déformées en conditions d’environnement se
com-pensent au maximum.
L’utilisation d’un substrat en verre (type zérodur) n’était pas envisageable,
notamment en raison des contraintes de masses, malgré un très bon comportement
en température (coefficient de dilatation faible) et en vieillissement. Les céramiques,
type carbure de silicium, étaient également des candidats intéressants. Cependant
le coût associé n’était pas envisageable dans notre cas. L’aluminium est finalement
le substrat le mieux adapté à notre projet.
La masse totale du miroir et de sa plaque de support ayant un budget
infé-rieur à 40 kg, il est nécessaire d’avoir un concept allégé, prenant en compte cette
contrainte de poids et minimisant les déformations thermo-élastiques et sous gravité.
De plus, les 3 pieds du miroir sont conçus de manière à absorber au maximum les
déformations.
Figure III.3: Vue sur la partie allégée du miroir primaire.
III.1.1.3 Revêtement
Le revêtement doit protéger le miroir sur l’ensemble de la durée de la mission et
doit être compatible avec un procédé standard de nettoyage. De plus, afin de limiter
le bruit de fond de l’instrument, son coefficient de réflexion doit être supérieur à 0.98.
Un revêtement classique de type Silice est donc tout à fait adapté à nos besoin, le
substrat aluminium ayant naturellement un fort pouvoir réfléchissant.
70 Chapitre III. Performances en vol du miroir primaire
III.1.1.4 État de surface
La précision et la rugosité demandées sont respectivement de 5 µm RMS et
0.2 µm RMS. On estime généralement qu’une surface est de qualité suffisante pour
faire de l’imagerie quand la précision de surface est de l’ordre de λ/20 RMS. On
choisit ici de se limiter à λ/50 RMS car au delà, on atteint une qualité de surface
optique, donc plus onéreuse.
Il est important de noter que la qualité de surface demandée est optimale à
nos longueurs d’onde d’étude mais de « faible qualité »pour les fournisseurs
habi-tués à travailler dans des longueurs d’onde plus courtes. La réalisation de ce miroir
n’est cependant pas aisée notamment par l’utilisation d’un substrat aluminium et
la nécessité d’une structure allégée pour les contraintes de masse de l’instrument.
III.1.1.5 Dimensions du miroir
Le miroir primaire a une surface utile projetée de 730 mm de diamètre.
Toute-fois, de manière à s’affranchir au maximum des lumières parasites, il est nécessaire
d’avoir une surface physique plus importante que la surface utile. L’étude des
lu-mières parasites n’avait pas encore été effectuée au moment de l’appel d’offre. Nous
nous sommes servis de l’expérience acquise sur d’autres instruments pour quantifier
le pourcentage de marge de surface nécessaire (Crill et al., 2002). Nous avons
éga-lement dû prendre en compte les contraintes mécaniques, ce qui nous amène à un
compromis égal à 22 % de la surface totale soit un diamètre physique projeté de 830
mm (figure III.4).
y
z
O
H 2a'
a)
2b'=930 mm
2
a
'=8
3
0
mm
x
O
y
b)
2
a
=7
3
0
mm
2b=820 mm
Figure III.4: a) Distance hors axeOH et diamètre utile projeté 2a, b) Dimensions
des grands axe et petit axe de la surface utile (2a et 2b) et de la surface totale (2a’
et 2b’).
III.1.1.6 Caractéristiques optiques
Les résultats de l’étude de tolérance, effectuée sur l’ensemble du système
op-tique nominal, ont été confronté avec les moyens de mesure des fournisseurs
poten-tiels, de manière à définir deux paramètres importants concernant les
caractéris-III.1. De la modélisation à la réalisation 71
tiques optiques : la tolérance de fabrication et la précision de la connaissance du
paramètre.
La distance focale théorique du miroir primaire est de 750 mm. Il n’est pas
nécessaire d’obtenir rigoureusement cette valeur. En effet, le plus important est
de connaître avec précision sa valeur, pour pouvoir aligner correctement le miroir
primaire et le photomètre. Il faut malgré tout ne pas trop relâcher cette tolérance
de fabrication pour des raisons d’encombrement dans la structure mécanique.
En prenant en compte ces éléments ainsi que les moyens de mesures du
fabri-cant, nous avons fixé la tolérance de fabrication à ±2 mm avec une précision sur la
connaissance de ±0.2 mm.
La distance hors axe du miroir primaire est de 700 mm. La problématique est
la même que pour la distance focale. On aboutit par conséquent au même résultat,
c’est à dire une tolérance de ±2 mm et une précision sur la connaissance de ±0.2
mm.
La constante de conicité est un paramètre plus critique que la distance focale
et hors axe. Il est nécessaire d’obtenir une valeur aussi proche que possible de la
valeur théorique pour ne pas dégrader la qualité optique et minimiser la polarisation
instrumentale. La constante de conicité du miroir primaire est de -1. La tolérance est
de±0.001 avec une connaissance de±0.0005. Ces valeurs sont issues d’un compromis
entre le calcul de tolérance optiques effectués sur l’ensemble du système et la plus
petite valeur mesurable (liée à l’état de surface demandé).
