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Quelles sont les similitudes entre la mise en œuvre de nos systèmes optiques et celle du télescope James-Webb ?
En mars 2022, la NASA a terminé les premières étapes du calibrages des miroirs du télescope James-Webb. Ces premiers réglages ont permis d’obtenir une image nette d’une étoile de la Grande Ourse. La fabrication d’un tel télescope nécessite de suivre des étapes précises pour définir son architecture et s’assurer qu’il réponde aux objectifs des scientifiques.
Que ce soit pour un télescope à plusieurs milliards de dollars conçu par la NASA, ou pour des projets menés à plus petites échelles, la même méthode s’applique. Chez Evosens nous suivons donc les mêmes étapes que les ingénieurs de la NASA lors de nos développements et mises en œuvre de systèmes optiques. Chacune a son importance et ses spécificités que nous allons détailler.
Étape 1 : L’étude de faisabilité
Cette étape consiste à dimensionner et définir les fonctionnalités du système par rapport aux besoins.
La NASA
Les études amonts dans le cadre du développement de JWST (James Webb Space Telescope) avaient pour objectif d’imaginer un successeur au télescope spatial en service Hubble (lancement en 1990, relève prévue en 2005 initialement). La finalité de ces instruments scientifiques est de comprendre et d’expliquer l’origine des planètes et galaxies à travers l’univers. Comme souvent, ils permettent d’explorer des domaines non accessibles jusqu’à présent de part les connaissances et technologies existantes.
Dans le cadre du projet JWST toutes ces réflexions ont orienté vers un télescope travaillant dans un spectre fin du visible (rouge) à l’infrarouge lointain (0,6 à 24 µm). Les atmosphères et poussières, de par leur diffusion optique et absorption, sont limitantes dans les bandes visibles. La phase d’étude a permis de définir les instruments à développer et de dimensionner les moyens associés.
Evosens
Dans ses projets, Evosens accompagne ses clients pour définir les spécifications et moyens associés à leurs besoins. L’étude de faisabilité permet de limiter les risques et les coûts de développement. Elle donne lieu à un cahier des charges précis et détaillé qui détermine un maximum de critères et performances visées :
- Dimensions physiques
- Performances (sensibilité, rapidité, consommation)
- Techniques (mesures, imagerie, éclairage)
- Normes à respecter
- Coûts
Les contextes techniques, environnemental et financier orientent les axes de développement de la phase suivante de conception.
Étape 2 : La conception
Cette phase se décompose en plusieurs étapes très techniques qui permettent de définir les caractéristiques techniques du produit souhaité (dossier de définition). Ce dossier liste les éléments et techniques nécessaires pour répondre au cahier des charges
La NASA
La simulation numérique
La simulation numérique est utilisée pour construire et calculer des sous-ensembles optiques. Dans le cadre du développement du télescope James Webb, c’est cette étape qui a notamment permis de définir la taille optimale des miroirs et les méthodes de mesure et d’observation du télescope.
Maquettes et tests de sous fonctions
Des maquettes sont réalisées lors de ces phases pour vérifier et affiner les calculs expérimentalement
Maquette au 1/6 de la partie optique réalisée pour valider l’architecture du futur télescope. Source : NASA
Conception finale
Les ingénieurs utilisent des logiciels spécifiques pour modéliser et assembler les différents éléments virtuellement. C’est ce qu’on appelle la Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Cette étape permet d’affiner la position et la dimension des différents composants du produit.
La dimension thermique dans le développement du télescope atteint des proportions conséquentes qui ont mobilisé des ingéniosités considérables.
Protection thermique du Télescope JWST. Source : NASA CC
Evosens
La simulation numérique
Lors de cette phase de conception, Evosens s’appuie sur ses experts en optique. Ils utilisent notamment le logiciel Zemax lorsqu’un projet nécessite de la simulation optique.
Vue d’une simulation optique avec le logiciel ZEMAX. Source : Evosens
Maquettes et tests de sous fonctions
Nous réalisons également des tests pour nous assurer du bon fonctionnement des produits et de leur conformité avec le cahier des charges.
Source : Evosens
Conception finale et dossier de conception
Les experts d’Evosens utilisent des logiciels performants et spécifiques pour mener à bien cette conception comme par exemple le logiciel de CAO SolidWorks. La superposition des modèles optiques et mécaniques permet de contrôler les dimensionnements.
La gestion des effets thermiques est indispensable dans l’intégration de solutions photoniques. À son échelle Evosens dimensionne des systèmes dissipateurs thermiques pour le bon fonctionnement des dispositifs de ces clients (LED, LASER).
Source : Evosens
Les étapes de calcul permettent de trouver les contraintes et tolérances de fabrication. Durant la phase de conception ces résultats sont répartis sur les différents éléments du système. (matériaux, espacements, courbure, orientation…).
Veille technique et vérification des composants
La veille technique permet d’identifier les composants pouvant répondre aux spécificités techniques du projet. Dans le cadre du projet de réalisation de sources lumineuses pour les Phares et Balises, les équipes d’Evosens ont été confrontés aux limites de certains composants (efficacité des LED, drivers de courant) et ont heureusement pu profiter de l’arrivée sur le marché d’éléments suffisamment matures et efficaces pour répondre aux exigences des donneurs d’ordre.
Grâce à cette étape de veille et de suivi des évolutions technologiques, Evosens a apporté une expertise très innovante sur ce projet. À l’issue de cette phase, un dossier de conception est rédigé. Il reprend les différents plans et schémas réalisés ainsi qu’un dossier de montage incluant les procédures et contrôles à mettre en œuvre durant la fabrication.
Étape 3 : La fabrication
La NASA
La NASA, à l’image de l’échelle du projet, a assemblé le télescope James Webb dans une salle blanche immense. Une salle blanche est une pièce dans laquelle le niveau de poussière est très bas.
Elle est contrôlée afin de limiter les dépôts sur les optiques. Les entrées et sorties du matériel et du personnel suivent des procédures rigoureuses afin de limiter la pollution : nettoyage, tenues spécifiques (combinaisons, gants, charlottes, masques).
Le miroir géant du JWST dans la salle blanche du NASA’s Goddard Space Flight Center’s. Source : NASA CC
Evosens
C’est lors de cette étape que le produit prend forme à l’aide de nos équipements de pointe. Les différents éléments et composants sont approvisionnés grâce à un réseau de partenaires et distributeurs sélectionnés par Evosens. Il peut y avoir différents intervenants (technicien optique, mécanique, spécialisé en électronique…) en fonction des besoins nécessaires à la fabrication : distribution mécanique / électronique, EMS, usinage, moules, fabrication de lentilles ect…
Les éléments spécifiques sont controlés lors de la réception. Le suivi est assuré par l’équipe des achats qui s’appuie sur un ERP. Ce dernier est alimenté initialement par les nomenclatures du Bureau d’Études. L‘équipe de techniciens procède ensuite au montage suivant les plans et procédures mises en place en phase de conception.
Ces phases sont réalisées en salle blanche pour les systèmes optiques très sensibles aux pollutions.
Expert d’Evosens réalisant une manipulation optique sensible en salle blanche. Source : Evosens
Étape 4 : La mise au point
La phase de mise au point débute ensuite. Elle consiste à régler les différents éléments, les aligner et trouver les points de fonctionnement. Des bancs de réglages et mesure sont déployés. D’éventuels allers-retours avec les simulations sont réalisés afin de comprendre un maximum de phénomènes.
À l’issue de la mise au point le système est caractérisé à travers un plan de test qui décrit la méthode de contrôle de tous les critères définis au préalable (lors de la conception). Ces critères sont mesurés et enregistrés dans un PV de test. Les essais peuvent se faire dans des environnements spécifiques proches de l’environnement d’utilisation.
Dans le cas du télescope, des enceintes spécifiques ont été fabriquées an de vérifier le fonctionnement dans l’espace (plage de température élevée, vide, rayonnement). Les essais finaux de validation sont réalisés avec le client, ils sont appelés la recette usine.
Étape 5 : Le déploiement
La NASA
Cette phase est assez exotique et spectaculaire pour le JWST. En effet le télescope est transporté par fusée pour être envoyé dans l’espace. Sa phase de déploiement est ensuite réalisée à distance par les ingénieurs et scientifiques. Ils règlent les éléments depuis la terre pour calibrer les miroirs.
Schémas du déploiement du James Webb Space Telescope dans l’espace. Source : European Space Institute
Evosens
Le produit est ensuite expédié chez le client pour être installé. Ce transport s’effectue à l’aide de caissons spéciaux qui garantissent une protection optimale des systèmes optiques.
Evosens a d’ailleurs conçu une boîte de transport sur mesures pour protéger un simulateur d’étoile. Une fois arrivé à destination, le produit est testé en conditions réels chez le client avec le support de nos équipes.
Caisson de transport pour systèmes optiques avec mousse de protection réalisée sur mesure. Source : Evosens
Evosens – 20 mai 2022
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