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Construire, tester, répéter – l'assemblage de l'équipement spatial est un travail manuel

Maria Hieta et Timo Nikkanen travaillant en salle blanche, au FMI
Maria Hieta
Finnish Meteorological Institute, Research Engineer, Planetary Research and Space Technology Group
Published: Jul 9, 2020
Exploration spatiale
Innovations et inspirations

Des années consacrées à la fabrication d'instruments de mesure arriveront à un tournant important lors du lancement de la fusée. Avant le compte à rebours, les chercheurs ont passé des centaines d'heures à tester, améliorer et affiner les détails.

Le rover Perseverance de la NASA qui ira sur Mars, est équipé d'un matériel fabriqué par l'institut météorologique finlandais FMI, destiné à mesurer l'humidité et la pression dans l'atmosphère martienne.
Les produits de masse de mauvaise qualité ne conviennent pas aux missions spatiales. Les instruments utilisés sont conçus et fabriqués séparément pour chaque projet. En général, le développement d'un seul élément du matériel spatial prend plusieurs années. 

Plusieurs modèles de périphériques sont construits, à commencer par les prototypes soumis à différents tests, suivis des modèles structurels, pour conclure avec un modèle spatial affiné et ses pièces de rechange. Les différents modèles remplissent différents objectifs, et certains ont été fournis à la NASA avant le produit finalement lancé, dans le cadre du développement du Rover.

L'espace aussi pose de hautes exigences aux matériaux

De nombreux composants des instruments ne sont pas en vente dans le commerce. En effet, les matériaux sélectionnés pour les instruments envoyés dans l'espace doivent être homologués et testés selon différents critères spatiaux, ce qui pose des défis supplémentaires. 

Le vide dans l'espace et les températures froides qui règnent sur Mars causent un problème à la plupart des matières plastiques, des revêtements et de la colle : par exemple, ils peuvent s'évaporer dans le vide ou devenir friables à basses températures. L'instrument de mesure de l'humidité fourni pour Perseverance a été testé pour résister à des températures aussi basses que -135 °C.

Les exigences des matériaux s'appliquent à tous les éléments de l'instrument spatial, des cartes imprimées aux éléments mécaniques. Pendant toute la durée du développement de l'instrument, les matériaux et les composants sont aussi testés, et les meilleurs sont retenus.

Il faut du temps, parfois même des mois ou des années avant de trouver les matériaux et les composants nécessaires. Les réseaux de coopération sont une source d'information précieuse dans ce travail de détective. Parfois, il faut l'aide d'un partenaire compétent pour trouver une solution.

L'assemblage nécessite un grand soin et une certaine expertise

Après le développement de l'instrument et la fourniture des matériaux, le travail d'assemblage peut commencer. L'institut météorologique finlandais FMI dispose d'une salle blanche pour l'assemblage, et son accès nécessite un travail de préparation méticuleux. Impossible de pénétrer tout simplement à l'intérieur.

Les quantités de particules et tout autre risque de contamination sont surveillés constamment pendant l'assemblage de l'instrument. En salle blanche, les gants de protection sont obligatoires. Les instruments doivent être également maintenus à un état microbiologiquement propre afin d'empêcher les organismes terriens de se propager sur Mars.

L'instrument est assemblé manuellement. Le soudage du matériel est effectué par un soudeur disposant d'un certificat pour le travail aérospatial. Le résultat est inspecté par un expert certifié en soudage aérospatial. Ils sont rares en Finlande.

La fabrication des produits inclut aussi l'assemblage des pièces mécaniques. Avant l'encapsulation et le serrage des vis, le périphérique est testé dans le laboratoire de l'institut météorologique finlandais pour s'assurer qu'il fonctionnera correctement sur Mars.

Pendant les tests, les périphériques sont exposés de manière répétée aux conditions spatiales 

Avant d'utiliser le modèle final pour la mission spatiale, un modèle test, appelé modèle de qualification, est construit en utilisant les mêmes matériaux et les mêmes méthodes.  Il est soumis à des tests rigoureux pour déterminer s'il résiste aux vibrations et aux chocs, par exemple. Le périphérique est aussi soumis à un cycle de vide thermique. Il est alors exposé de manière répétée aux températures les plus froides et les plus chaudes de son environnement opérationnel.

Après l'assemblage du modèle final, d'autres tests sont effectués. Les périphériques sont soumis à des tests approfondis pour vérifier leur fonctionnement dans les conditions particulières qui règnent dans l'espace. Des efforts sont entrepris pour s'assurer que les dispositifs fourniront des résultats étalonnés après chaque lancement, pendant le long séjour dans l'espace et l'atterrissage.

Dans le laboratoire de l'institut météorologique finlandais, les périphériques chargés de mesurer la pression et l'humidité sont étalonnés pour les conditions martiennes et soumis à des tests avec cycle de vide thermique. Les instruments ont fait l'objet de tests de vibration dans la société Eurofins Expert Services d'Espoo. Après le test, les instruments sont réinspectés et réétalonnés.

Certains tests relatifs à l'environnement sont confiés à d'autres laboratoires. Le test de vide thermique appliqué au périphérique de mesure de l'humidité jusqu'à -135 °C a été effectué en Espagne, et les tests supplémentaires, destinés à soutenir l'étalonnage, furent même réalisés aux États-Unis, dans l'état du Michigan.

Après l'institut météorologique finlandais, les périphériques ont été fournis d'abord à l'Espagne afin de les intégrer aux instruments MEDA. Encore une fois, MEDA a subi différents tests, y compris un test de fonctionnement et de nouveaux tests environnementaux. L'instrument MEDA a été alors remis à la NASA qui l'a implanté dans le rover Perseverance et retesté. Les chercheurs de l'institut météorologique finlandais ont participé aux derniers étalonnages du Rover effectués dans le Jet Propulsion Laboratory de Pasadena.

La Finlande est réputée pour la fiabilité de ses instruments

En plusieurs décennies, la Finlande s'est forgée une réputation de fabricant d'équipements fiables et de qualité élevée. Cette réputation est bien méritée : les instruments de mesure produits en commun par l'institut météorologique finlandais et Vaisala ont déjà été envoyés deux fois sur Mars (Phoenix et Curiosity) et une fois sur Titan, l'une des lunes de Saturne (Cassini-Huygens). Au cours de ces projets, les périphériques ont prouvé leur fiabilité.

Pour la fabrication des instruments, l'institut météorologique finlandais a utilisé d'emblée des composants finlandais, un point important. La coopération étroite entre l'institut météorologique finlandais et Vaisala a permis de sélectionner des capteurs produits pour les conditions terriennes, puis adaptés aux conditions martiennes.

D'autres sociétés finlandaises ont participé au développement des hygromètres et des instruments de mesure de la pression envoyés sur Mars, comme SkyTron, Peura Oy engineering office et TalviOja Consulting Oy.

Au cours de la fabrication du matériel, nous veillons à intégrer toute la technologie à un minimum d'espace. Le matériel qui fait partie de la charge utile d'une fusée doit être petit, léger et peu énergivore.

Encore une fois, les instruments de mesure qui remplissent ces normes, sont le résultat de la coopération étroite entre plusieurs entreprises finlandaises. 

Et ce dans un seul objectif, construire des instruments capables de mesurer la pression et l'humidité dans l'atmosphère martienne.

Photo : Maria Hieta et Timo Nikkanen travaillant en salle blanche, au FMI. Photo réalisée par Tero Pajukallio

Maria Hieta, FMI

Maria Hieta

Maria Hieta
Institut météorologique finlandais, Ingénieur de recherche, Groupe Recherche planétaire et Technologies spatiales

Maria est chargée de tester le matériel spatial, d'effectuer les contrôles de qualité et fait partie de la direction du projet. Elle participe à la conception et à la fabrication de nouveaux équipements et missions. Elle a participé aux missions Exomars 2016 et Exomars 2022. Elle a par ailleurs travaillé sur les systèmes Mars 2020 MEDA PS et MEDA HS à titre d'ingénieure.

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