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Les isolateurs de vibration à rigidité négative de Minus K ont permis au télescope spatial James Webb de décoller pour sa mission dans l'espace extra-atmosphérique

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La mise au point du télescope spatial James Webb (JWST) a nécessité 30 ans, des essais sous vide cryogénique extrême et près de 10 milliards de dollars. Il est décrit comme l'une des plus grandes entreprises scientifiques du 21e siècle

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Janvier 2022
Les isolateurs de vibration à rigidité négative de Minus K ont permis au télescope spatial James Webb de décoller pour sa mission dans l'espace extra-atmosphérique
La mise au point du télescope spatial James Webb (JWST) a nécessité 30 ans, des essais sous vide cryogénique extrême et près de 10 milliards de dollars. Il est décrit comme l'une des plus grandes entreprises scientifiques du 21e siècle

Lancement du JWST depuis la Guyane française Noël décembre 2021
Après plus de deux décennies de développement, le jour de Noël 2021, la NASA a lancé le télescope spatial James Web (JWST) depuis la Guyane française, sur la côte nord-est de l'Amérique du Sud. Le site de lancement était proche de l'équateur afin de donner la poussée supplémentaire nécessaire pour atteindre le point d'observation du JWST dans la direction opposée au soleil. Le point de Lagrange 2 (L2) Soleil-Terre se trouve à près de 1 million de miles (1,6 million de km) de la Terre, directement derrière la planète. Un objet placé à L2 fera le tour du Soleil avec la Terre sans se laisser distancer.

Séparation du JWST du deuxième étage de la fusée Ariane 5
Le deuxième étage de la fusée Ariane 5 s'est séparé du JWST 27 minutes après le décollage. Peu après, à T+30 minutes après le lancement, le JWST a déployé ses panneaux solaires et a indiqué que le vaisseau spatial était "à puissance positive" Le télescope spatial James Webb a dû être envoyé dans l'espace plié, car il est trop massif pour tenir dans une fusée existante dans sa forme finale. Bien que la fusée Ariane 5 qui l'a transporté dans l'espace fasse près de 5,4 mètres de large, elle n'était pas assez grande pour transporter le JWST dans l'espace complètement déployé. Il a donc été compacté à la manière d'un origami pour tenir à l'intérieur de la fusée.

Le JWST encapsulé dans la soute de la fusée Ariane 5

Au cours du voyage de 29 jours vers L2, le JWST a dû déployer ses 18 segments de miroir en béryllium plaqué or à l'aide de 132 actionneurs. Il a déployé son pare-soleil en origami à cinq couches et s'est refroidi à moins de 50 K (Kelvin) (-223°C ou -370°F). La face orientée vers le soleil sera à environ 230F (110 C), et la face froide sera à environ -394F (-236,6C ou 36K). Le pare-soleil à cinq couches empêche la lumière du soleil d'interférer avec les instruments sensibles du télescope. Le télescope fonctionne sous une température de 50K (~-370F)

Cette période a été baptisée "30 jours de terreur", car il y a 344 défaillances potentielles en un seul point dans le vaisseau spatial, dont 80 % sont associées aux mécanismes de déploiement. Le pare-soleil, par exemple, comprend 140 mécanismes de déclenchement, 70 assemblages de charnières, huit moteurs de déploiement, environ 400 poulies et 90 câbles d'une longueur totale de 400 mètres.

Il était difficile de mettre en place une redondance totale au sein d'un mécanisme de déclenchement. De nombreux essais de déploiement ont été effectués sur plusieurs années, tant sur des modèles de petite taille que sur des modèles de taille normale. Si quelque chose ne se passait pas bien pendant le processus de déploiement, il existait plusieurs plans d'urgence pour tenter de résoudre le problème.

Au cours de la première semaine du voyage vers L2, les boucliers solaires se sont déployés pour refroidir le télescope. Au cours de la deuxième semaine, le radiateur arrière a été déployé, la structure de support du miroir secondaire et les deux ailes du miroir primaire ont été dépliées.

L'étape suivante consistait à aligner les 18 miroirs individuels qui composent le miroir primaire de l'observatoire. L'activation et le déplacement de chacun des 18 segments du miroir primaire (qui sont réglables), une fois sortis de leur configuration de lancement, nécessitent plusieurs jours et plusieurs étapes.

Les segments du miroir primaire sont déplacés par six actionneurs fixés à l'arrière de chaque miroir, un septième actionneur étant situé en son centre et permettant d'ajuster la courbure du segment du miroir.

Le miroir primaire est la principale surface de collecte de lumière du JWST. Il réfléchit la lumière vers le miroir tertiaire situé sur des perches à l'avant du télescope, qui fait ensuite rebondir la lumière vers les instruments du JWST. Chacun des 18 segments du miroir primaire est recouvert d'une couche d'or brillante mais très fine. S'ils étaient laissés en position de lancement, ils agiraient comme des télescopes individuels dont les images seraient floues et peu claires. Une fois alignés, les segments du miroir agiront comme un seul miroir géant de 6,5 mètres de diamètre, le plus grand jamais installé dans l'espace.

Le télescope spatial Hubble a observé des galaxies naissantes jusqu'à environ 400 millions d'années après le big bang. Le JWST sera capable de voir beaucoup plus loin dans le passé, jusqu'à 100 millions d'années après le big bang, une période où la matière n'était constituée que des éléments primordiaux et commençait tout juste à se regrouper pour former des étoiles et des galaxies.


NASA GSFC CIL JWST in space renderingJWST observera certains des objets les plus éloignés de l'univers. Par conséquent, au cours de son voyage de plus de 13 milliards de kilomètres, la lumière de l'objet est fortement décalée vers le côté rouge du spectre électromagnétique. Les miroirs primaires du JWST sont plaqués en or 24 carats, car l'or reflète mieux la lumière rouge que presque tous les autres métaux. L'or permet aux miroirs du JWST d'être réfléchissants à 98 %, contre 85 % pour les miroirs standard. Les couches d'or qui recouvrent les miroirs du télescope ne sont épaisses que de 1 000 atomes. Seule une quantité d'or de la taille d'une balle de golf a été utilisée pour revêtir l'ensemble du miroir d'une largeur de 2,5 mètres.

La température de fonctionnement primaire du télescope n'est que de 50 degrés au-dessus du zéro absolu (-459º F). Plus la température est froide, moins les atomes se déplacent. Au zéro absolu de 0 degré Kelvin, la température la plus froide possible (-459º F), les atomes cessent pratiquement de bouger. Les instruments de haute technologie à bord du JWST fonctionneront donc à une température proche du zéro absolu pour déchiffrer les données avec précision.

Le télescope ne fonctionnera pas tant qu'il n'aura pas atteint sa température basse et stable. Ensuite, pendant les cinq mois suivants, le télescope sera testé et calibré en vue de sa mission scientifique, qui débutera au milieu de l'année 2022



Participation de Minus K aux tests sans précédent du JWST avant sa sortie dans l'espace
Tous les tests de vide cryogénique au niveau des systèmes du JWST ont été réalisés dans la chambre A du Centre spatial Johnson de la NASA (JSC). La chambre A est aujourd'hui la plus grande chambre d'essais optiques cryogéniques sous vide poussé au monde. Elle est devenue célèbre pour avoir testé les capsules spatiales de la mission Apollo de la NASA, avec et sans l'équipage de la mission. Elle mesure 16,8 mètres de diamètre et 27,4 mètres de haut. La porte pèse 40 tonnes et s'ouvre et se ferme hydrauliquement. L'air contenu dans la chambre pèse 25 tonnes. Une fois tout l'air retiré, la masse restante à l'intérieur équivaudra à la moitié d'une agrafe.
Pendant trois ans, les ingénieurs du JSC de la NASA ont construit et réaménagé l'intérieur de la chambre pour l'adapter à la température nécessaire pour tester le télescope spatial James Webb. La chambre A a été équipée d'une enveloppe d'hélium, à l'intérieur de l'enveloppe d'azote liquide existante, et est capable d'abaisser la température de la chambre plus que jamais, soit 11 degrés au-dessus du zéro absolu (11 kelvins, -439,9 Fahrenheit ou -262,1 Celsius).

L'ajout d'un ensemble de six isolateurs de vibration à rigidité négative de Minus K Technology a été un élément clé de la chambre A. Les isolateurs passifs de Minus K n'ont pas d'effet négatif sur la température. Les isolateurs passifs Minus K ne nécessitent ni air ni électricité et offrent une meilleure isolation que l'air et les systèmes d'isolation actifs. Un facteur important dans la sélection des isolateurs de vibrations a été le fait qu'ils isolent les vibrations non seulement verticalement, mais aussi horizontalement à moins de 1 Hz.

Le JWST a été conçu pour fonctionner dans l'espace, où les perturbations sont très contrôlées et ne proviennent que du vaisseau spatial, alors que sur Terre, toutes les perturbations au sol, telles que les pompes et les moteurs, et même la circulation, peuvent affecter les essais. Les isolateurs de vibrations Minus K ont fourni une isolation dynamique des sources de vibrations externes afin de créer un environnement de perturbations proche de celui d'un vol.

Les isolateurs utilisent le dispositif compensateur breveté Thermal Responsive Element (TRE) de Minus K, un dispositif mécanique passif qui ne nécessite ni air ni électricité, tout comme les isolateurs. Le compensateur TRE a ajusté les isolateurs en fonction des changements de température tout au long des essais au JSC, maintenant le JWST dans la bonne position.

L'examen critique de la conception du système d'isolation vibratoire entre le vaisseau spatial et le télescope optique a été achevé un mois plus tôt que prévu, à la fin de l'année 2011. Les six isolateurs de vibrations à rigidité négative Minus K ont été installés sur le dessus (comme le montre le graphique ci-dessous) de la chambre à vide thermique A du Centre spatial Johnson en mars 2014.

Le JWST avait besoin d'une structure de support à l'intérieur de la chambre à vide pour accueillir l'équipement nécessaire aux tests. Les ingénieurs ont installé une plate-forme massive en acier suspendue aux six isolateurs de vibrations par des tiges d'acier d'environ 18,2 mètres de long chacune et d'un diamètre d'environ 38,1 mm, pour accueillir le télescope et les pièces clés de l'équipement de test. L'équipement de test du télescope optique sophistiqué comprenait un interféromètre, des miroirs plats à collimation automatique et un système de caméras de photogrammétrie "d'arpentage de précision" dans un alignement relatif précis à l'intérieur de la chambre, tout en étant isolé de toute source de vibration, telle que le flux d'azote et d'hélium à l'intérieur de la plomberie de la chambre et les pulsations rythmiques des pompes à vide.

Pour que les ingénieurs puissent garder un œil sur le JWST pendant les essais, des équipements supplémentaires de soutien aux essais, notamment des spectromètres de masse, des caméras infrarouges et des caméras de télévision, ont également été connectés à la structure de soutien suspendue et isolée des vibrations par les isolateurs à rigidité négative Minus K.

Les essais du JWST Pathfinder ont été planifiés en trois grandes campagnes d'essais avant l'essai final sous vide cryogénique des éléments de télescope optique (OTE) de vol entièrement assemblés et du module d'instrumentation scientifique intégré (ISIM). Les trois tests Pathfinder sont OGSE1, OGSE2 et le "Thermal-Pathfinder" (TPF).

Les étapes des tests Pathfinder sont OGSE1, OGSE2, le 'Thermal-Pathfinder' (TPF) et les éléments du télescope optique de vol entièrement assemblés (OTE) ainsi que le module d'instrument scientifique intégré (ISIM) appelé (OTIS)
Ces essais ont été rendus plus complexes afin de caractériser pleinement l'installation d'essai, y compris la chambre d'essai cryogénique et l'équipement de soutien au sol (GSE). Les articles d'essai de type "vol" dans le cadre des essais Pathfinder ont été conçus pour comprendre les comportements thermiques dans l'environnement cryogénique.

L'essai OGSE1 de 30 jours s'est achevé en mai 2015 après la mise en service réussie de la chambre A du JSC en 2014 pour l'utilisation du JWST. Le test sous vide cryogénique de 35 jours OGSE2 s'est achevé en octobre 2015 et tous les objectifs primaires, secondaires et tertiaires ont été atteints. L'achèvement réussi de l'essai OGSE2 a marqué une étape importante pour le JWST. Ce test a été le premier grand test cryogénique avec les éléments optiques du télescope de vol et un équipement optique spécialisé alimenté par fibre. Il s'agissait du premier test avec l'assemblage de la plaque source du sous-système optique arrière (AOS) ou ASPA, conçu pour éclairer les optiques du télescope à travers les plans focaux. Le miroir tertiaire de vol (TM) et le miroir de guidage fin (FSM), regroupés dans un ensemble appelé sous-système optique arrière, ont été testés optiquement dans une configuration intégrée dans leur environnement cryogénique opérationnel.

En juin 2015, après les essais OGSE1 et OGSE2 et avant l'essai "Thermal-Pathfinder" (TPF), L3Harris (anciennement ITT Exelis), qui a mis en service et installé les six isolateurs de vibrations à rigidité négative au sommet de la chambre A, a procédé à des ajustements avec l'aide de Minus K sur les isolateurs de la chambre, les réglant à leur fréquence naturelle prévue de 0,5 Hz. Cela a permis aux isolateurs d'améliorer la réduction des vibrations sur les deux segments de miroir primaires du test TPF.

Le test cryogénique de 35 jours du Thermal Pathfinder (TPF) s'est achevé en octobre 2016. Le TPF comprenait deux miroirs de rechange en béryllium évalués pour le vol (dont un revêtu d'or) et dix segments d'essai en aluminium non revêtus d'or pour le vol fonctionnant comme simulateurs thermiques. Lors des essais optiques, les miroirs devaient être "mis en phase" ou alignés sur une distance inférieure à la longueur d'onde de la lumière, des milliers de fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu humain, à une température de plusieurs centaines de degrés en dessous de zéro. Thermal Pathfinder a subi tous les tests thermiques et de vide que le JWST proprement dit devait également subir en 2017.

Le test final de 93 jours des éléments du télescope optique JWST entièrement assemblés et du module d'instruments scientifiques intégrés (OTIS) a commencé en juillet 2017. Il a fallu environ 10 jours pour évacuer l'air de la chambre, puis environ un mois pour abaisser les températures du JWST et de ses instruments scientifiques aux niveaux requis pour les tests.

Test de l'OTIS du JWST Architecture et sous-systèmes de l'équipement de soutien au sol (GSA)

Ces tests comprenaient une vérification importante de l'alignement des 18 segments du miroir primaire du JWST, afin de s'assurer que tous les segments hexagonaux plaqués or se comportaient comme un seul miroir monolithique. Pour ce faire, les 132 actionneurs hexapodes ont dû être testés sur 6 degrés de liberté (DOF) et sur le rayon de courbure de chaque segment de miroir. C'était la première fois que l'optique et les instruments du télescope étaient testés ensemble.

Le processus de test du JWST a été long et compliqué. Les conditions qu'il rencontrera dans le vide spatial ont été simulées au sol, afin de s'assurer que l'optique et les instruments fonctionneront parfaitement après le lancement. Ces tests étaient indispensables, car le JWST se trouvera à près d'un million de kilomètres de la Terre, en orbite à la position L2. Cette distance sera trop grande pour que des réparations puissent être effectuées, comme ce fut le cas pour le télescope spatial Hubble.