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CIDRE

Thématique INSU : Astronomie - Astrophysique

Objectifs scientifiques

La bande de fréquences 2,3-2,8 THz recèle plusieurs raies très intéressantes pour l’étude du milieu interstellaire : on y trouve en particulier la transition fondamentale de la molécule HD (hydrogène-deutérium) et de OH. Cette bande de fréquence n’est pas observable du sol même pour des sites exceptionnels comme le Dôme C en Antarctique. Pourtant il y a un grand intérêt astronomique à observer l’univers à des fréquences THz, où il y a une abondance de transitions moléculaires, dont les transitions de HD et OH ne sont que deux exemples parmi les plus importants. Pour cette raison, des développements importants sont en cours, surtout sur les mélangeurs et les OL (oscillateurs locaux) dans le domaine du THz, dont le LERMA est un des leaders. Le LERMA est dans une excellente position pour exploiter ces développements et a naturellement pris le leadership du projet CIDRE (Campagne d’Identification du Deutérium par Réception hEtérodyne).

Description technique

Vue d’ensemble de l’instrument CIDRE

Le concept de CIDRE est basé sur un télescope de 90 cm de diamètre, installé dans une nacelle emportée à 40 km d’altitude sous un ballon stratosphérique afin de s’affranchir de la vapeur d’eau qui gêne les observations.

D’un point de vue technique, des analogies sont vite apparues entre CIDRE et l’instrument PILOT du CNES, mais il a fallu prévoir une nacelle et un miroir primaire propres à CIDRE, et non tenter de les récupérer.

La structure de CIDRE est divisée en une partie mobile (incluant toute l’optique dont le primaire, l’OL, le cryostat, le système de pointage, etc) et une partie statique (système d’acquisition, batteries, etc) dans les murs de la nacelle Carmen du CNES.

Contribution / rôle / tâches / livrables de la DT

CIDRE ayant été sélectionné par le CNES pour une étude de phase A dès 2012, le LERMA a demandé le soutien de la Division Technique sur les points suivants :

  • Implantation mécanique des sous-systèmes sur la nacelle, couplage au télescope, miroir de rotation de champ et injection de l’oscillateur local dans la configuration de capteur mono pixel puis multi pixels.
  • Design préliminaire thermique de l’instrument, étude de sensibilité de l’instrument aux changements de températures.
Bolomètre à 4 pixels de CIDRE

Conception et réalisation en mécanique :
La DT a réalisé la conception du bolomètre à 1 et à 4 pixels.

Vue 3D du Martin-Puplett de CIDRE

Autre exemple : la conception et la réalisation de l’interféromètre Martin-Puplett, utilisé dans l’injection quasi-optique de l’oscillateur local sur le mélangeur, et permettant à la chaîne de fonctionner à la fréquence nominale de 2,7 THz.

Simulation thermique par calculs aux éléments finis :
Un modèle complet de l’instrument et de la nacelle avec sa couverture isolante a été créé à la DT, dans le but de prendre en compte tous les types de transfert de chaleur et de simuler par exemple un cas extrême de l’environnement thermique externe d’une campagne ballons à Timmins (Canada).

Déformée thermo-élastique de la structure du télescope de CIDRE

Le calcul de certaines déformations thermo-élastiques a montré que les tolérances optiques de stabilité sur 1h et celles de positionnement durant le vol ne pouvaient pas être tenues, ce qui entraînait un dépointage hors spécification des miroirs primaire et secondaire. La solution, dont l’étude devait être finalisée en phase B, aurait été d’utiliser une régulation thermique active.

Modèle éléments finis de CIDRE et visualisation des températures calculées dans le cas d’un vol à Timmins (Canada)

Planning

Phase A : 2012-2013

  • Meeting n°1 d’organisation des études de phase A, 8 mars 2012
  • Point clé pour le choix du concept optique, 1 février 2013
  • Meeting point-clé instrument (PK2), 27 juin 2013
  • Revue de fin de phase A au Centre Spatial de Toulouse, 13-14 janvier 2014

La synthèse a porté sur les études détaillées qui ont été menées sur la définition de l’optique et ses contraintes de stabilité, sur l’optimisation du volume et des inerties mécaniques, sur l’étude thermique et l’étude thermo-élastique de la DT de même que sur les essais de performances réalisés sur un prototype de la chaîne de détection montrant sa faisabilité. Le groupe de revue a recommandé le passage en phase B, en recommandant de commencer dès le début de la phase une optimisation du design.
Cependant, début mars 2014, le projet est arrêté par manque de financement du CNES.

Contact :
Christophe BERTHOD, modélisation et calcul de structure mécanique et thermique


Joseph Spatazza, en charge de la conception mécanique