L'ONERA et les accéléromètres ultrasensibles

Au départ, une « fausse bonne idée »

La découverte des accéléromètres est due au hasard... ou plutôt à une bonne intuition : au début des années 1960, des ingénieurs de l'ONERA cherchent un moyen de suspendre les maquettes en soufflerie sans utiliser ni dard ni fil. Ils choisissent de les faire léviter, c'est-à-dire de les sustenter dans un champ électromagnétique. Le volume et la masse des maquettes rendent la lévitation très instable : le projet est abandonné, mais l'idée reste.



Les scientifiques de l'ONERA emprisonnent cette fois une bille dans une petite cage sphérique, et la maintiennent en lévitation par un champ électrique. Les variations d'accélération tendent à faire bouger cette masse, qui se rapproche alors d'une des parois du réceptacle. Un asservissement fait varier le champ électrique, afin de maintenir cette masse centrée. Ce sont ces variations du champ électrique qui fournissent la mesure de l'accélération.

Coeur de l'accéléromètre CACTUS : masse d'épreuve, demi-cages et électrodes

Le développement de cette technologie inédite ne se fait pas attendre : testé en chute libre dans les cages d'escaliers et d'ascenseur de l'ONERA, le premier accéléromètre ultrasensible voit le jour dans les années 70. Le Capteur Accélérométrique Capacitif à Trois axes UltraSensitifs, ou Cactus, est lancé à bord du satellite Castor (D5B) par la fusée Diamant BP4 le 15 mai 1975. La masse d'épreuve est une sphère de diamètre 4cm, en platine rhodié, de masse voisine de 670g, libre de se mouvoir dans une cage sphérique avec un intervalle de l'ordre de 60 µm.



Cactus a pour but de mesurer, à bord d'un véhicule spatial, l'accélération non gravitationnelle due aux efforts de pression exercés à la surface du satellite par le rayonnement (solaire, infrarouge terrestre, albedo) et à l'impact des molécules de gaz contre les parois du véhicule. Cette avancée est capitale à l'époque où la France cherche à réaliser ses premières missions spatiales. Les besoins militaires sont importants, mais Cactus trouve aussi une utilité dans les activités civiles : par exemple, les résultats qu'il donne en aéronomie de la haute atmosphère et sur notre connaissance du champ de gravité terrestre. Plus étonnant, la charge de la bille sous l'action des radiations solaires vient confirmer les résultats théoriques qui mettent en évidence l'anomalie de l'Atlantique Sud (région où la partie interne de la ceinture de Van Allen – ou magnétosphère terrestre - est la plus proche de la surface de la Terre)

L'accélérométrie et vous



Vous avez sûrement chez vous quelques accéléromètres... Eh oui ! Si l'ONERA se concentre sur une technologie de haute performance (à visée spatiale), il ne faut pas oublier que l'accélérométrie a également investi le champ de la vie quotidienne : les airbags, la Wii, les smartphones, mais aussi des bracelets qui détectent les chutes des personnes âgées... Tous ces instruments ne pourraient fonctionner sans la micro-accélérométrie (MEMS, ou Micro Systèmes Electro-Mécaniques). Moins précise, mais aussi moins coûteuse, cette technologie a pu être produite en série et équiper des outils, des plus utiles aux plus gadgets.

 

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Un instrument utile à plusieurs domaines

L'accéléromètre Cactus contribue à l'époque au rayonnement de l'ONERA. Sa précision intégrée, de l'ordre de 10-9 m/s2, est remarquable ! L'instrument ne tarde donc pas à intéresser différents organismes scientifiques. Dès 1980, la Dret (ancien service de recherche des armées) demande à l'ONERA un accéléromètre triaxial pour la navigation. En effet, à partir des accélérations successives enregistrées par l'accéléromètre, on parvient à enregistrer la trajectoire d'un aéronef (avion, missile...) et à mesurer le chemin parcouru.



Les chercheurs réalisent rapidement l'intérêt de l'instrument pour les applications spatiales, en particulier pour la géodésie et la mesure du champ de gravité terrestre. En connaissant la trajectoire d'un satellite et les forces exercées à sa surface, il est possible de remonter à la connaissance du champ de gravité au niveau de la mer (géoide terrestre) et à ses variations locales.

Accéléromètre ultrasensible développé pour la mission spatiale Goce

Justement, en 1989, l'Agence Spatiale Européenne - Esa - souhaite développer un nouvel accéléromètre pour des missions de géodésie. Ce sera Gradio, d'une précision de 10-12m/s2 (traduisez : on obtient un résultat à douze chiffres significatifs après la virgule) ! L'accéléromètre aurait dû être embarqué dans le satellite européen Aristoteles. Malheureusement, le projet est mis en suspens l'année suivante : la réunification de l'Allemagne a un coût et les budgets en pâtissent, notamment dans le domaine de la recherche...



Mais l'apport des accéléromètres à la science moderne ne s'arrête pas là : nombreuses sont les informations collectées, depuis l'Espace, pour les sciences de la Terre : la mesure de la gravité et de ses variations donne des informations utiles à l'océanographie (étude des courants marins comme El Niño), aide à étudier la fonte des glaces et son incidence sur les océans, permet de surveiller les nappes phréatiques (hydrographie) et l'humidité contenue dans le sol.

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L'ONERA, manager scientifique pour l'Europe et le monde

Les Etats-Unis, intéressés par l'accélérométrie, proposent à l'Esa une mission à bord du Spacelab. Un accéléromètre « nouvelle génération » de l'ONERA (Astre pour Accéléromètre Spatial TRiaxial Electrostatique) est embarqué à bord de la navette Columbia STS 78 pour une mission de quinze jours en juillet 1996. Astre est conçu pour caractériser l'environnement microvibratoire des satellites aux très basses fréquences. En plus d'une assurance qualité au niveau technique, l'ONERA doit garantir une sécurité optimale à son instrument, car cette fois, la navette est habitée ! Les résultats de la mission sont concluants, à tel point qu'ils ouvrent un nouveau partenariat avec les Américains en avril 1997 : c'est la mission MSL1 dans la navette STS83.



Dans les années qui suivent, de plus en plus d'agences font appel à l'ONERA, qui devient le fournisseur unique au monde d'accéléromètres ultrasensibles. Si le French Aerospace Lab ne fournit « que » l'instrument de mesure, il devient vite un « prime investigator », ou manager scientifique, indispensable à la préparation des missions européennes ou américaines.

Deux accéléromètres composant l'un des trois bras du gradiomètre de la mission GOCE

L'ONERA participe ainsi à la mission Champ (Challenging mini-satellite payload for geophysical research and application) avec le Dlr, son homologue allemand. Il réalise des études pour le Cnes et prend aussi une part active à la mission Grace (Gravity Recovery and Climate Experiment, une mission américaine également en coopération avec le Dlr, et qui cherche à mesurer les variations saisonnières du champ de pesanteur de la Terre. L'Onera a développé respectivement pour ces missions les accéléromètres Star, et Super Star.

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GOCE : un défi industriel brillamment relevé

Démarrée en 2001, la mission Goce (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer) de l'Esa « relance » en fait la mission Aristoteles. Totalement européenne, la mission regroupe principalement les Allemands (pour le satellite), les Français (pour le gradiomètre et les accéléromètres de l'ONERA), sous la maîtrise d'oeuvre italienne de Thalès Alenia Space.



Il s'agit cette fois de mesurer avec une très grande précision le champ de gravité de notre planète afin de fournir un géoïde de référence. En effet, la gravité n'est pas la même en tout point de la surface de la Terre (en raison des variations locales de la masse : une montagne sera par exemple plus dense qu'un gouffre, et attirera donc davantage les corps), on a donc besoin de mesurer la gravité en chaque point afin d'en établir une « carte » précise. Cette cartographie est réalisée avec un gradiomètre à trois axes, composé de six accéléromètres électrostatiques ultrasensibles.

Premier géoïde obtenu par la mission GOCE, en juillet 2010

[crédits : ESA-GOCE High Level Processing Facility]

L'ONERA a su relever là un véritable défi technologique : pour mesurer avec précision le gradient de gravité avec une résolution accélérométrique de 10-12m/s², les accéléromètres doivent être 1500 fois plus performants que ceux de la mission Champ, et 50 fois plus que ceux de la mission Grace. Construire des accéléromètres, bijoux de précision, nécessite donc un savoir-faire hors du commun. Mais le défi est aussi organisationnel et culturel : passer de la culture du prototype à une culture quasi-industrielle (production en petite série) n'est pas forcément évident pour un laboratoire de recherche. L'ONERA, co-responsable du projet, a su s'acquitter brillamment de sa mission. Le satellite, lancé en 2009, a d'ores et déjà permis d'obtenir un premier géoïde de référence d'une précision inégalée.

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L'accélérométrie ultrasensible et Einstein

Les résultats obtenus des diverses missions incitent les agences et les chercheurs à utiliser de plus en plus les accéléromètres ultrasensibles. Prochain projet, la mission Microscope, en cours de préparation. Elle sera purement scientifique, et majoritairement française : ONERA et Cnes travaillent main dans la main afin de tester le principe d'équivalence, à la base de la théorie de la relativité générale d'Einstein (voir lien internet en bas à droite). Les chercheurs sont confiants, même si la concurrence américaine (de l'Université de Stanford) prépare dans le même temps sa mission Step, avec le même objectif d'excellence que l'ONERA...

Intégration en salle blanche du coeur mécanique des

accéléromètres pour la mission Microscope

 

Dossier réalisé par Armande Coquerez et Nacim Mokdad