Une mission qui ne tient qu'à un fil

Jusqu'en juin 2002, Jean Guérard était professeur agrégé à l'Université Pierre et Marie Curie, à Paris. Aujourd'hui, il occupe un poste d'ingénieur de recherche au sein du Département Mesures Physiques (DMPH) de l'ONERA que dirige Pierre Touboul. Dans ce haut lieu de l'accélérométrie ultrasensible, cet ingénieur est "responsable performances " dans le cadre de la mission GOCE de l'ESA, pour laquelle six accéléromètres sont en cours de réalisation à l'ONERA. Objectif de cette mission, sans doute l'une des plus étonnantes de la décennie dans le domaine des sciences de la Terre : déterminer et cartographier le champ de gravité terrestre avec une précision jamais atteinte.

Après une formation dans le domaine de l'électronique et de l'instrumentation, Jean Guérard se lance dans une thèse en acoustique musicale, qu'il soutient à l'Université Pierre et Marie Curie en 1998. Nommé ensuite professeur agrégé dans cette même université, il dispense alors ses enseignements dans le cadre d'une formation d'ingénieur par apprentissage où les élèves se partagent entre leurs cours à l'université et l'entreprise. Pour ce jeune professeur, c'est l'occasion de toucher à de nombreux domaines, de l'automatique à l'électronique en passant par le traitement du signal. Parallèlement, il s'investit dans différents projets étudiants de construction de fusées et de ballons sondes en collaboration avec l'organisme Planète Sciences et le CNES.

Pour autant, la recherche scientifique commence à lui manquer. Aussi décide-t-il de prospecter dans le public et le privé. Ces démarches vont le conduire à rencontrer Pierre Touboul en décembre 2001 et à intégrer l'ONERA en juillet 2002. "Avec un peu de recul, je me rends compte que le sujet de ma thèse n'était pas si éloigné des accéléromètres sur lesquels je travaille aujourd'hui", note Jean Guérard. "Moi aussi je mesurais un gradient, un gradient acoustique, à l'aide d'une série de micros alignés sur un tube", précise-t-il.

Six accéléromètres ultrasensibles pour un gradiomètre en 3D

En effet, la cartographie du champ de gravité terrestre passe par la mesure directe du gradient local de gravité en orbite. La mission GOCE (Gravity field and Ocean Circulation Explorer) est la première à relever le défi avec une résolution de 10-12 m/s2. C'est aussi la première des quatre missions baptisées "Earth Explorer" de l'ESA. GOCE permettra aux géophysiciens d'affiner le géoïde, et d'en déduire par exemple des modèles de circulation océanique grâce auxquels les météorologistes parviendront à optimiser leurs prévisions. GOCE permettra aussi de 'voir' l'intérieur de la Terre à travers sa signature gravitationnelle.

Alenia, l'industriel italien, est le maître d'œuvre de ce projet dont la réalisation a été lancée officiellement par l'ESA en 1999, lors de la conférence de Grenade. Pour sa part, l'entreprise Alcatel Space est chargée de construire la plate-forme et l'ensemble de la partie instrumentation scientifique dont le gradiomètre, Astrium réalisant le satellite lui-même (panneaux solaires, antennes). "Pour mesurer le gradient de gravité en 3 dimensions, il faut concevoir un gradiomètre à 3 axes supportant chacun une paire d'accéléromètres dont Alcatel Space a confié la réalisation à l'ONERA", explique Jean Guérard. Chaque paire différentielle mesure les écarts d'accélération subie par les deux masses d'épreuve et donne ainsi une composante du gradient.

Des prouesses nécessaires à toutes les étapes du projet

"Il s'agit d'une mission extrêmement complexe et difficile", avoue Jean Guérard qui rappelle que la résolution de l'instrument (10-12 m/s2) est supérieure à celles de CHAMP et de GRACE, deux missions actuellement en vol et qui exploitent des accéléromètres conçus par les équipes du DMPH et dont s'inspire celui de GOCE. Néanmoins ce dernier comporte quelques aspects mécaniques et électroniques innovants qui n'ont encore jamais volé. Depuis l'automne 2002, ce projet est officiellement en phase C de son développement, c'est-à-dire en phase de réalisation active. Les performances finales attendues sont vérifiées à chaque étape de l'intégration, à travers des contrôles de la qualité de chaque pièce, de chaque circuit, puis du fonctionnement de chaque sous-ensemble.

Qui pourrait penser en regardant ces sortes de petits cubes dorés que sont les accéléromètres ultrasensibles qu'il s'agit là de véritables "Rolls Royce" dont la fabrication fait appel à un savoir-faire exceptionnel que seules quelques personnes détiennent au sein de l'ONERA. Pas étonnant alors que l'assemblage en salle blanche d'un seul de ces accéléromètres nécessite deux mois de travail, l'usinage de chaque pièce dont il est constitué ayant également pris plusieurs semaines. "Rien que pour l'intégration des six accéléromètres, il nous faudra plus d'un an de travail", indique-t-on dans les ateliers de l'ONERA. En fait, cette mission est un peu à l'image de la prouesse technique réalisée par le "technicien maison", Pierre Leseur, dont les "doigts de fée" vont devoir monter le fil d'or qui relie la masse d'épreuve à son châssis pour la polariser. Deux jours de travail seront en effet nécessaires pour coller ce fil, dont le diamètre de 5 microns (20 fois plus fin qu'un cheveu) le rend à peine visible à l'œil nu et impossible à tenir entre les doigts.

L'instrument ne sera testé au sol que sous 1 g, ce qui représente une autre difficulté pour les ingénieurs. "La majeure partie du travail d'ingénierie de l'intégration consiste donc à mettre en place des procédures qui permettront, à partir de certains tests réalisés au sol sous 1 g et les performances associées, de garantir le fonctionnement et les performances de l'instrument dans l'espace jusqu'à 10-12 m/s2", explique Jean Guérard. Ajoutez à cela que le délai de réalisation de GOCE est extrêmement court étant donné le saut technologique que représente la mission, et vous comprendrez pourquoi les ingénieurs connaissent parfois quelques angoisses.

Impérativement sur une orbite basse autour de 2007

Pas question en effet de retarder indéfiniment la mission qui doit impérativement être lancée au plus tard avant 2007. "Pour mesurer le gradient de gravité dû aux différents reliefs de la Terre, il est nécessaire que le satellite soit placé sur l'orbite la plus basse possible. Les performances que nous attendons de GOCE ne pourront être obtenues que si le satellite est à 250 km de la Terre", indique Jean Guérard. Or pour rester durablement sur cette orbite, il faut que la haute atmosphère terrestre soit particulièrement calme, ce qui ne se produit que lors d'un minimum d'activité solaire, c'est-à-dire autour de 2007. Sinon, il faudra attendre le cycle suivant et repousser la mission en 2012, ce qui n'est pas envisageable.

Placé sur une orbite héliosynchrone dans l'axe du soleil de manière à être toujours éclairé afin de ne pas subir de variations de températures, GOCE devrait effectuer sa mission durant vingt mois. Au cours de ces longs mois, les six accéléromètres, chacun comportant huit paires d'électrodes, mesureront 48 positions et 48 accélérations, d'où un énorme débit de données réceptionnées au sol qu'il va falloir traiter, un aspect de la mission dans lequel l'ONERA est également impliqué. Décidément, GOCE semble être la mission de tous les défis. Pour autant, Jean Guérard ne donnerait pas sa place pour tout l'or du monde.