Essais & Simulations n°133

mesures Méthode Mesures

mesures Méthode Mesures et analyse de micro-vibrations a très basse fréquence L’observation de la Terre est devenue un enjeu majeur dans bien des domaines et la géopolitique doit partager ce domaine avec l’économie, l’agriculture ou la santé. Prendre une photographie depuis l’espace semble facile car l’absence de mouvement peut laisser penser que la plateforme est plus stable que sur la Terre. Cependant, si le calme environnemental spatial a longtemps suffi, la précision demandée pour obtenir des photos de plus en plus détaillées est telle que les plus infimes perturbations sont devenues au fil du temps intolérables. Or celles-ci perturbations ne manquent pas à bord d’un satellite. Pour mesurer les efforts générés, le spécimen est encastré par le biais de capteurs de force très sensibles sur une « grosse masse » selon la même technique utilisée dans les codes éléments finis pour modéliser un encastrement « parfait ». De manière pratique, pour les équipements, cette masse est souvent un bloc de granit de l’ordre du mètre cube suspendu sur coussins d’air. On obtient ainsi un plan horizontal avec une masse de 1 à 3 tonnes, dont le premier mode propre est proche de 1000 Hz, et dont les modes de suspension se trouvent aux alentours du Hertz. Le banc d’essai micro-vibrations d’Airbus Defence & Space (anciennement Intespace) a été développé dans les années 90 en tenant compte de ces spécifications [1]. Le projet METOP et les instruments d’observation Parmi lesdites perturbation, il y a d’abord les roues à inertie qui tournent en permanence et dont les légers déséquilibres (balourds) créent une série de raies qui sont autant de micro-perturbations à chaque fréquence excitée. Il y a les mécanismes de pointage d’antenne ou ceux qui servent à orienter les panneaux solaires en fonction de la position du satellite sur son orbite. Pour les satellites d’observation de la terre, on peut aussi citer par exemple, les groupes de refroidissement liés à l’utilisation des détecteurs. Pour résumer, il y a donc à bord des équipements perturbateurs et d’autres qui en sont les victimes. Depuis de nombreuses années, des études ont donc été menées d’une part pour caractériser la perturbation et d’autre part mesurer son influence sur les équipements victimes. Méthodes et bancs d’essais Le projet METOP-SG (SG pour Seconde Génération) avec ses instruments MWI (Micro Wave Imager) et ICI (Ice Cloud Imager), apporte pour les essais de nouveaux défis à relever. Ces deux instruments (Fig. 1) ont ceci en commun qu’ils sont lourds (150 à 300 kg au lieu des 12-20 kg habituels pour un roue à inertie) et constitués d’une partie tournante massive (une centaine de kg) tournant à très basse fréquence (0.75 Hz). Il s’agit donc de mesurer des fréquences à partir de 0.10 Hz. La caractérisation doit se faire par rapport à une référence qui, dans le cas des micro-vibrations, doit permettre des mesures très précises. Deux méthodes s’imposent alors pour caractériser la perturbation : on mesure soit les forces soit les accélérations générées. La difficulté de la deuxième méthode est que la mesure des accélérations générées doit se faire à l’interface entre le spécimen et une structure porteuse représentative de l’interface réelle en opération tant au point de vue de la géométrie que du comportement dynamique. En effet, ces accélérations sont le résultat du couplage dynamique du spécimen perturbateur et de sa structure porteuse. Les difficultés de mise en œuvre d’une telle méthode ont fait que celle-ci a été peu à peu abandonnée au profit de la mesure des forces. Figure 1 Instruments METOP-SG : Micro Wave Imager (MWI) and Ice Cloud Imager (ICI) Par ailleurs ces deux instruments sont potentiellement générateurs de perturbations micro-dynamiques qui nécessitent une mesure de très faible amplitude. 40I ESSAIS & SIMULATIONS • N°133 • mai-juin 2018

mesures Il est intéressant de noter que comme les programmes font des demandes longtemps avant de venir faire les essais, les spécifications ne sont pas figées et souvent même le design du spécimen reste encore à finaliser. Pour le centre d’essai il faut cependant s’engager sur une mesure « de très faible amplitude » sans savoir si l’on parle de mg ou de g en termes d’accélération. C’est là que l’expérience du laboratoire d’essais compte énormément pour travailler avec le client à spécifier des objectifs atteignables ou du moins à indiquer les voies de recherche possibles pour aller aussi loin que possible dans la mesure. Compte-tenu des caractéristiques des instruments, il est apparu clairement trois soucis : - le banc d’essais micro-vibrations actuel était trop étroit pour recevoir des spécimens de grande taille (1,60 m de diamètre contre 1,10 m disponible) ; - le système d’acquisition associé au banc existant ne descendait pas en-dessous de 5 Hz ; - quel que soit le banc choisi, les fréquences de suspension entre 1 et 5 Hz allaient se retrouver dans la bande de fréquence de mesure et donc perturber cette dernière. Il fallait donc répondre en deux temps : - développer un nouveau banc plus grand en améliorant la chaîne d’acquisition pour la rendre capable de mesurer au moins jusqu’à 0.3 Hz ; - développer un post-traitement des mesures pour éliminer l’influence des modes de suspension sur la mesure des données spécimen. Le post-traitement étant indépendant du banc, il est apparu que celui-ci pouvait être développé sur la base de l’ancien banc puis appliqué dans un deuxième temps au nouveau banc. Le nouveau banc Pour la définition du nouveau banc, le principe de l’ancien, ayant fait ses preuves, a été retenu. L’objectif était d’avoir un marbre plus important, avec des fréquences propres au moins égales. Le design a demandé de l’optimisation afin que la masse totale ne dépasse pas la charge au sol maximum admissible du laboratoire. La suspension a repris celle utilisée dans le banc de l’ESTEC développé en 2011 et qui a donné toute satisfaction [4]. Le marbre est donc un carré de 1.60 m de côté, pèse 4 tonnes et est suspendu par six plots à air amortisseurs qui lui confèrent une grande stabilité (Fig. 2). Le dessue est percé de nombreux trous filetés permettant la reprise en plusieurs endroits de cellules de force adaptées. Figure 2 Schéma du futur banc micro-vibrations Le banc n’est pas uniquement constitué d’un marbre et la partie mesure doit être adaptée en sensibilité et en fréquence. Pour ce qui est des capteurs accélérométriques, une étude spécifique a été menée pour faire une sélection sur les capteurs disponibles sur le marché. Dans un premier temps 4 principes de mesures ont été étudiés pour les accéléromètres : - piézo-électrique ; - piézo-électrique à électronique intégrée ; - servo-accéléromètres ; - MEMs (Micro Electro Mechanical Systems). Les capteurs ont ensuite été sélectionnés sur leur fiche technique, puis il a été demandé aux fabricants en question un prêt pour les essayer. Quelques-uns ont accepté mais il est nécessaire dans ce cas de prêter la chaine complète car un accéléromètre ne peut être évalué seul, le conditionneur adapté au capteur et aux très basses fréquences était indispensable. Compte tenu du créneau d’essai unique (tous les capteurs ont été essayés sur l’ancien banc micro-vibrations), il n’a pas été possible de tester toutes les solutions envisagées. Ont été sélectionnés et/ou testés les capteurs suivants (Table 1) : Table 1 Sélection de capteurs micro-vibrations De l’analyse des essais réalisés, il vient que la technologie MEMs capacitive pourrait être un bon candidat dans les années futures car les résultats semblent très précis sur la partie basse fréquence jusqu’à au moins 50 Hz. Il n’en reste pas moins que certains résultats ont été inexpliqués et demanderaient des essais complémentaires. La technologie piézo-électrique reste pour notre besoin le meilleur candidat précision/ coût/robustesse. Comme pour mesurer les mouvements du banc, il n’y avait pas de limitation en termes de poids, les ENDVECO 731A descendant à 0.1 Hz ont été choisis (poids environ 800 grammes). Deux tri-axes et un mono-axe ont été montés sur trois des coins du banc. Pour les petits spécimens, la balance d’effort KISTLER 9281B12 est toujours celle de l’ancienne configuration. Pour les nouveaux instruments à tester, les cellules de force KISTLER 9377C ESSAIS & SIMULATIONS • N°133 • mai-juin 2018 I41