Test d’illumination d’un instrument conçu pour la mission Solar Orbiter

Solar Orbiter est une mission spatiale portée par l’Agence Spatiale Européenne (ESA), à laquelle contribue la NASA. Elle a pour objectif d’étudier les propriétés et la dynamique de l’héliosphère, ce plasma généré par le Soleil et dans lequel baigne notre Système Solaire tout entier. Le satellite d’observation sera lancé en 2017 par une fusée Atlas. Il embarquera divers instruments dont PAS (Proton/Alfa Senseur), conçu par une équipe de l’IRAP, et qui vient de passer avec succès son tout premier test d’illumination.

Philippe Louarn, chercheur à l’IRAP et responsable de cet instrument, nous expose le principe et l’enjeu de ce test d’illumination :

Subir un flux de 13 constantes solaires (17 kW/m2) et garder son intégrité – essai auquel l’instrument PAS de l’IRAP vient d’être soumis – n’est-ce pas une forme d’ordalie ? Cette épreuve moyenâgeuse suprême et terrible – le « jugement de Dieu » – était souvent un test du feu destructeur, comme saisir un fer rouge, devant « établir » un jugement ou assurer qu’on n’allait pas éliminer un « protégé divin ». Dans notre cas, il s’agissait plus pragmatiquement de vérifier que le comportement et le design thermique de PAS étaient convenablement compris et conçus… le test de bienveillance divine n’étant pas imposé par les agences spatiales !

Dans la phase la plus chaude de la mission, l’enjeu est de dissiper les quelques 700 W reçus par PAS, instrument le plus « exposé » de Solar Orbiter, en utilisant son unique face « froide », sachant que la température dans le boîtier électronique doit rester en dessous de 50°. Solar Orbiter passant également un temps considérable loin du soleil, il fallait aussi éviter de trop se refroidir. 2 à 4W de chauffage additionnel devaient garantir une température de -40°, au minimum, alors que cette boite était exposé aux 3K du « deep space ». Avions-nous la bonne architecture de notre « heatshield » ? Avions-nous choisi les bons matériaux réfléchissants et émissifs ? Avions-nous bien dimensionné nos radiateurs ? Plus généralement, avions-nous compris le comportement thermique de ce système ?

Tout cela a été vérifié au cours d’un test continu d’une dizaine de jours, à la mi-Octobre, dans une chambre de simulation spéciale de l’ESTEC (la « Solar Facility »). Ce test a été l’aboutissement du développement d’un modèle STM (Structural and Thermal Model) particulièrement sophistiqué, équipé de soixantaine de senseurs de température. Ce test, de fait quasiment une expérience de physique, était le résultat de près d’un an de travail d’une équipe mélant l’IRAP (C. Amoros, R.Baruah, S. Bordon, A.Fedorov, C.Garat, E.Lecomte, P. Louarn,R. Mathon, G.Orttner, M. Petiot, P.Rouger, J.Rubiella, H.C.Seran, G.Terrier), le CNES (C.Brysbaert), les entreprises Epsilon (A. Albert) et MecanoID (D.Zely).

Après deux jours intenses de montage et de réglages, différentes phases thermiques, chaudes, froides et transitoires, ont été testées. Suivre les évolutions de températures enregistrées par les 60 senseurs, et vérifier en direct le lien avec les prédictions du modèle a été le quotidien de l’équipe pendant une semaine, jours et nuits. Au final, tous les cas prévus ont été testés ; à 12 constantes solaires : 350° sur le heatshield et ~35° pour l’électronique, soit plutôt mieux que prévu dans le cas « chaud » ; par contre, besoin d’un peu plus de chauffage pour résister au froid sidéral (à confirmer). En clin d’œil, pas de miracle et l’ordalie n’aurait peut-être pas réussie : on ne peut résister sans aide à la fois au feu et à la glace…

En conclusion, une qualification fondamentalement réussie : l’instrument résiste aux flux extrêmes et les températures enregistrées sont dans les gammes prévues par le modèle. Cette campagne de tests restera aussi un excellent souvenir d’équipe. Bravo à tous !