La charge utile principale du JWST
ISIM
Il abritera les quatre principaux instruments mais pas seulement. Intégrer 4 instruments majeurs et de nombreux sous-systèmes dans une seule charge utile est une tâche ardue. Pour la simplifier, les ingénieurs ont divisé l’ISIM en 3 régions.
L’ISIM divisé en 3 régions
La région 1
Comprend le module cryogénique. Il refroidit les détecteurs en dessous de 39 K, une première étape nécessaire dans le processus de refroidissement pour que la chaleur propre du vaisseau spatial n’interfère pas avec la lumière infrarouge (qui est une forme de chaleur) provenant de sources cosmiques distantes. La gestion du sous-système thermique de l’ISIM/OTE fournit un refroidissement passif. D’autres dispositifs abaissent encore plus la température des détecteurs (voir MIRI).
La région 2
Contient le compartiment électronique, qui procure les surfaces de montage et un environnement ambiant thermiquement contrôlé à l’électronique qui pilote les instruments.
La région 3
Situé à l’intérieur de la plate-forme (bus) du vaisseau spatial est constituée des sous-systèmes de commande de l’ISIM et de traitement de données, avec le logiciel de vol intégral de l’ISIM, les assemblages des harnais (ensembles de faisceaux de câbles), ainsi que le compresseur du Cryo-refroidisseur et son électronique de contrôle (pour MIRI).
La structure
La structure cryogénique de l’ISIM est une structure composite collée de dernier cri, et c’est la première du genre aussi grande (de 2 m x 2,3 m x 2,3 m, pour 860 kg) à avoir été construite et testée pour le JWT. Non seulement elle abrite les 4 instruments de scientifiques, mais elle fournit le support structurel pour les tests au sol et pour le lancement, et maintient la position des instruments l’un par rapport à l’autre, et par rapport au télescope (OTE) avec une précision d’environ 80 microns dans des conditions de cycle cryogéniques thermiques et de lancement d’une fusée chargée. En ce qui concerne la partie des cycles cryogéniques une précision de 25 microns a été vérifiée avec des tests.
C’est un cadre tridimensionnel de tubes carrés de 75 mm de coupe transversale faits de matériau composite d’ester de cyanate, renforcé de fibres de carbone, collés ensemble par des goussets faits de ce composé et des attaches faites d’un alliage de fer-nickel à 36% possédant un taux de dilatation thermique d’environ un dixième de celui de l’acier au carbone à des températures allant jusqu’à 204° C (appelé Invar 36).
Le matériau composite a été choisi pour sa forte rigidité spécifique et son bas coefficient d’expansion thermique (CTE). L’Invar 36 a été choisi pour son CTE bas, mais aux dépens d’une solidité relativement faible et d’une grande densité. Le titane a été choisi pour sa forte solidité spécifique. La topologie tubulaire a été motivée par la nécessité d’une attache stable à l’OTE près du miroir primaire, d’une adaptation stable des instruments près de la sortie de la lumière venant de l’OTE, et des limites de l’espace physique disponible dans l’architecture globale du JWST.
L’Invar 36 est utilisé dans certains endroits bien précis, en particulier aux interfaces entre OTE et GSE (équipement de support au sol). Les instruments sont soutenus par des systèmes en forme de selle faits d’Invar 36, qui sont collés aux tubes, et attachés par des interfaces de plaques de Titane, chacune faite sur mesure, pour procurer un alignement très précis des instruments (l’un par rapport à l’autre, et par rapport au télescope).
Les défis clés
Les défis clés de la conception étaient non seulement d’assurer un alignement précis qui pouvait être conservé pendant les cycles cryogéniques, et qui pouvait survivre au lancement de la fusée, mais aussi de réduire les distorsions pendant le refroidissement depuis la température ambiante jusqu’aux températures cryogéniques à une valeur inférieure à 0,5 mm (la largeur d’une mine d’un crayon à papier). De plus, les prédictions critiques des performances optiques du JWST sont faites en utilisant des modèles mathématiques, y compris un modèle mathématique de la structure de l’ISIM. Une corrélation précise du modèle mathématique thermique avec les résultats des tests de mesure de la distorsion a pu être faite avec la structure de vol.
Pour relever ces défis, le projet a développé un bloc de construction complet, de façon à pouvoir mesurer la distorsion cryogénique pendant le refroidissement, la solidité des matériaux constitutifs et des éléments de la structure à températures ambiante et cryogéniques, à des niveaux de l’assemblage successivement croissants :
- – composé stratifié/laminé, adhésifs et métaux
- – tubes à couches multiples
- – jointures des goussets, et clips de fixation, sur les tubes, et joints de raccord des tubes
- – armature collée personnifiée
Tout le travail de développement au sol devait valider la conception du modèle de vol, et corréler le modèle mathématique de distorsion thermique élaboré en 2008, la structure de vol construite en 2009, et les tests cryo-vide réalisés au Goddard Space Flight Center (GSFC). Des mesures photogrammétriques ont été réalisées à température ambiante et à température cryogénique opérationnelle avec une précision supérieure à 0,025 mm, et ont montré que le niveau de distorsion était largement inférieur à la limite requise (0,5 mm).
Après la vérification de la cryo-distorsion, une série de tests a été réalisée au GSFC pour vérifier la robustesse et la rigidité de l’ISIM.
Un test cryogénique fut conduit en octobre 2010 pour démontrer que la structure résisterait aux tests de performance des instruments. Un test de vue d’ensemble modal s’est achevé en mars 2011 pour caractériser le comportement dynamique ambiant de la structure et le corréler avec la structure du modèle définitif.
ISIM descendu dans la chambre cryo-vide du GSFC
Les tests
Le test de la structure principale à température ambiante s’est achevé en juin 2011 et celui de la structure secondaire en août 2011. Ils ont démontré que les deux structures survivront du lancement.
Le test de la structure principale a été accompli avec la centrifugeuse de grande capacité (High Capacity Centrifuge, HCC) du GSFC, qui a appliqué une série d’accélérations centripètes qui ont agi sur la structure et les simulateurs de la masse des instruments scientifiques pour reproduire les forces qui seront éprouvées quand le JWST sera lancé par la fusée Arianne 5.
L’effet est le même que celui expérimenté par des enfants sur un manège de chevaux de bois en mouvement, quoique considérablement plus grand : durant le test avec le HCC, le bras tournait à des vitesses de près de 19 tours/min créant une accélération de jusqu’à 7 fois celle causée par la gravité, qui a été appliquée à l’ensemble de la structure et des simulateurs de la masse des instruments, aboutissant à 7 tonnes de force nette aux points d’attachement au télescope.
Test de vibrations avec le HCC du GSFC
Répartition des champs de vue des 4 instruments hébergés dans l’ISIM
L’acoustique
L’ISIM peut être considéré en quelque sorte comme étant les yeux et les oreilles du JWST. Un des objectifs principaux des tests environnementaux est de vérifier que ces yeux et ces oreilles seront compatibles avec l’environnement électromagnétique de l’engin spatial.
Dans le laboratoire d’interférences électromagnétiques (EMI) de la NASA au Goddard Space Flight Center à Greenbelt (Maryland). A l’intérieur de la salle blanche où des structures coniques jaillissent des murs, l’équipe des ingénieurs et techniciens en charge doit se revêtir de « costumes de lapin » blancs (pour éviter d’introduire toute contamination), afin de pouvoir réaliser l’un des tests environnementaux clés de l’ISIM.
( NASA/Chris Gunn)
Une fois dans la salle blanche, l’équipe en charge installe des antennes pour différents tests. Sa première tâche consiste à mesurer les émissions électromagnétiques de l’ISIM afin d’évaluer la probabilité d’interférence avec le reste du vaisseau spatial. Dans ce but, il lui faut aussi « éclairer » l’ISIM avec des ondes électromagnétiques. Ces tests doivent être effectués dans une chambre anéchoïque (en latin pour « no echo »).
Les structures coniques en saillie des parois que l’on voit sur la photo absorbent l’énergie électromagnétique afin de minimiser les réflexions. Même si une cabine de son travaille à minimiser la réflexion des ondes sonores, le matériau anéchoïque minimise les réflexions des ondes électromagnétiques afin qu’elles ne rebondissent pas et se combinent avec les ondes originales, ce qui perturberait la validité du test.