Design de Gaia : réussir l’impossible ?

Le design du satellite a été fait pour respecter ces 3 besoins :

  • Détecter 1 milliard d’objets jusqu’à la magnitude 20 (à savoir qu’une étoile de magnitude 20 est 1 million de fois moins brillante qu’une étoile de magnitude 5)
  • Assurer la stabilité de l’Angle de Base qui sépare les deux directions de visée
  • Assurer la stabilité de pointage
magnitude

Magnitudes des étoiles

Pour réussir ces performances inégalées à ce jour, le design a été fondamental :

3 instruments partagent le même plan focal

  • Photométre (bleu & rouge) avec 2 prismes
  • Radial Velocity Spectrometer (RVS)
  • Astromètre
Schéma de principe du télescope Gaia (©Astrium)

Schéma de principe du télescope Gaia : 3 instruments partagent le même plan focal (©Astrium)

2 Télescopes partageant le même plan focal que les instruments

Pour acquérir l’image des étoiles

Schéma de principe du télescope Gaia (©Astrium)

Schéma de principe du télescope Gaia : 2 télescopes partagent le même plan focal (©Astrium)

  • 2 miroirs primaires: 1.45 m x 0.5 m

Le plan focal comporte des détecteurs dédiés à la mesure astrométrique, photométrique et de la vitesse radiale

Un total de 106 CCDs constitue le plan focal de Gaia. Des techniciens d'Astrium France, maître d'œuvre de la mission Gaia, ont fixé et aligné les CCDs sur leur structure de support, dans les locaux de Toulouse (©Astrium, source http://sci.esa.int/gaia/48890-the-complete-gaia-ccd-array-flight-model/)

Un total de 106 CCDs constitue le plan focal de Gaia. Des techniciens d’Astrium France, maître d’œuvre de la mission Gaia, ont fixé et aligné les CCDs sur leur structure de support, dans les locaux de Toulouse (© Astrium)

  • Plan focal: 42 x 85 cm
  • Environ 100 CCD, ~ 1 Gpixel

Pendant toute la durée de la mission, l’Angle de Base entre les lignes de visée des deux télescopes ne doit pas changer de plus de quelques micro-arc-secondes.

Pour répondre à une telle exigence de stabilité, il faut se mettre dans des conditions les plus stables possibles d’un point de vue thermique et mécanique. Cela a conditionné le choix de la position du satellite dans l’espace et son architecture mécanique et thermique.

Gaia sera en orbite autour du point de Lagrange L2 Terre/Soleil (environ 1,5 millions de km de la Terre)

De masse négligeable devant la Terre et le Soleil, le satellite peut occuper 5 positions dans l’espace qui lui permettent d’être entraîné à la même vitesse que la Terre dans sa rotation autour du Soleil.

Ainsi le satellite est dans une configuration stable par rapport au Soleil et à la Terre.

Le point L2 est très adapté à l’observation du cosmos (WMAP, Herschel-Planck).

Gaia en orbite autour du Point de Lagrange L2 Soleil-Terre

Gaia en orbite autour du Point de Lagrange L2 Soleil-Terre

Des contraintes thermiques importantes

Pour obtenir une température de -130 °C dans la cavité de la charge utile et minimiser les distorsions thermo-élastiques des télescopes, la charge utile est isolée du rayonnement du Soleil par plusieurs protections successives :

  • Un pare-soleil (Deployable Sunshield Assembly- DSA) de 10m de diamètre qui maintient la Charge Utile à l’ombre. Il est plié pour le lancement et déployé par pyrotechnie en orbite. Sa planéité en orbite est spécifiée à 0,2 deg. Il support 8 panneaux solaires déployables.

  • Une tente thermique (TTS) qui procure un environnement stal et protège des micrométéorites
  • Des matelas isolants multi-couches (MLI) de couloir noire, aluminisée ou dorée selon la propriété thermique désirée.
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Éclaté du satellite Gaia (© Astrium)

Une stabilité en orbite hors norme

Le contrôle d’orbite est assuré par un système de propulsion bi-liquide(CPS) équipée de 2×8 tuyères de 10N. Le contrôle d’attitude hyper stable est assurée par un  système « micro-propulsion gaz froid» (MPS) avec 2×12 tuyères de poussée entre 1µN et 500µN.

La Charge Utile (les 2 télescopes, les 3 instruments, le Plan Focal) d’environ 700kg est installée sur le Module de Service, liée par 6 pieds (liaison iso-statique) dont 3 sont présents pour permettre à la charge utile de support les accélérations de 7–8g vues au décollage. Mais en opération, la Charge Utile doit être isolée des perturbations mécaniques et thermiques du Module de Service, ces 3 pieds seront alors découplés à la mise en orbite, il ne restera alors que 3 pieds en fibre de verre pour lier les 2 sous-systèmes.

Un double système de supportage de la Charge Utile (©Astrium)

Un double système de supportage de la Charge Utile (©Astrium)

On interdit toute pièce en mouvement dans le satellite qui perturberait son contrôle d’attitude.

En particulier, l’antenne de télémesure (Phase Array Assembly) qui doit pointer la Terre en permanence et doit donc suivre son mouvement de rotation est une antenne dite « active » dont le faisceau d’émission-réception est orienté électroniquement sans aucun mouvement mécanique.

Une puissance de calcul incroyable

Sans aucune connaissance a priori de la carte du ciel, le satellite doit détecter de façon autonome les étoiles qui s’imagent sur le plan focal.

Ce besoin a obligé à embarquer une très grande puissance de calcul logicielle avec 7 calculateurs de 1000 Mips chacun, permettant de gérer la détection de 10 000 étoiles/seconde !

Un algorithme sophistiqué a été développé pour effectuer cette détection automatique, mettre en forme les données mesurées pour les transmettre au sol avec de très nombreuses contraintes :

  • dynamique de signal de 1 million,
  • rejet des rayons cosmiques,
  • gestion des objets proches, définition de priorités d’observation,

Avec en moyenne 100 Go de données télémesurées par jour, on atteint 1 Peta-octet (1000 To) à la fin de la mission !

Schéma d'architecture de Gaia (©Astrium)

Schéma d’architecture de Gaia (©Astrium)

 

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Source des photos ou des schémas : le site web de l’ESA ou ASTRIUM Gaia project

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