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Le sismomètre SEIS

Comment est définie l’électronique du SEIS, le sismomètre français qui vient d’atterrir sur la planète Mars avec InSight

L’atterrissage de la sonde InSight sur Mars est considéré comme un grand succès compte tenu du fait que la vitesse d’arrivée dans l’atmosphère de la planète rouge était de 20 000 kilomètres à l’heure et que de nombreuses missions avaient échoué par le passé en raison de la difficulté de ne pas écraser les véhicules envoyés au sol. Une fois de plus, c’est la Nasa qui a réalisé l’opération, mais le succès est en partie dû au français qui ont développés certaines technologies clés, présentes dans la sonde pour le succès de la mission. L’outil le plus important, le sismographe SEIS, est une technologie développée principalement en France. Le SEIS a été conçu par l’Agence Spatiale Française, le CNES à Toulouse.

SEIS, le sismomètre de InSight

Le Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS, expérience sismique pour la structure intérieure) est un sismomètre à trois axes qui prend des mesures précises des séismes et autres activités internes sur Mars, afin de mieux comprendre l’histoire de la planète et la confirmation de sa structure. SEIS, qui a un poids total de 29,5 kg, est composé des capteurs sismiques, associés à des capteurs de température, un boitier électronique pour l’acquisition des données, un système de déploiement et un logiciel chargé de faire fonctionner l’ensemble.

Au cœur de l’instrument se trouvent trois pendules extrêmement sensibles, capables de détecter les plus infimes mouvements de la surface martienne. Il est si sensible qu’il peut détecter des mouvements de surface inférieurs à un atome d’hydrogène. Le déplacement de la partie mobile du pendule est très précisément mesuré électroniquement.

Le sismomètre SEIS

Le sismomètre SEIS : de l’extérieur vers le centre, on distingue le bouclier thermique et éolien WTS, l’enveloppe de protection thermique RWEB, puis l’enceinte de confinement sphérique qui protège les pendules VBB. Le berceau de mise à niveau motorisé ainsi que les capteurs de courte période sont également visibles (© IPGP/David Ducros).

Le cerveau électronique du SEIS

Bien qu’une petite partie de l’électronique contrôlant le sismomètre SEIS ait été installée près de la sphère contenant les pendules (électronique de proximité conçue pour préamplifier les signaux), la plupart se trouvent à une certaine distance sur le module d’atterrissage InSight, à l’intérieur d’un boîtier appelé eBOX. Avec une masse de 5 kg et maintenu au chaud dans un compartiment spécialement conçu pour le protéger des rigueurs du climat martien, le eBOX héberge neuf cartes électroniques, toutes indispensables au bon fonctionnement de SEIS.

La première carte électronique (DC) contrôle l’alimentation en énergie de l’instrument SEIS. Elle reçoit de la part de l’atterrisseur un courant de 28 volts, qu’elle convertit en différentes tensions nécessaires au fonctionnement des différents composants du sismomètre. Etant donné son importance, cette carte est présente en deux exemplaires, pour des questions de redondance. Si un dysfonctionnement se produit sur la première carte, la seconde carte identique peut être utilisée en secours.

La deuxième carte (AC) La seconde carte (A/C) est responsable de l’acquisition des données et du contrôle de l’instrument. Elle est interfacée avec les cartes électroniques de rétroaction, ainsi que celles dédiées au système de mise à niveau et aux micro-capteurs SP.

Carte électronique SEIS

Carte électronique de rétroaction située dans la boîte électronique eBOX (© IPGP)

 

C’est de cette carte que proviennent les ordres de démarrage d’un pendule VBB, ou que s’effectue la sélection des deux modes de fonctionnement de SEIS : le mode d’ingénierie (grâce auquel l’instrument peut être paramétré) et le mode scientifique, qui permet l’acquisition des signaux sismiques.

La troisième carte (rétroaction) Le boitier électronique eBOX accueille ensuite trois cartes électroniques dites de rétroaction, une par pendule VBB. Couplées au dispositif de rétroaction (composé d’un aimant et d’un ensemble de 3 bobines) qui équipe chaque pendule, ces cartes assurent la gestion de la boucle de contre-réaction. Cette dernière fait en sorte qu’à chaque instant, le moindre mouvement de la masse mobile soit contrebalancé par une force exactement opposée, les pendules étant ainsi assurés d’être en permanence ramenés à leur position d’équilibre.

 Les deux dernières cartes (SP / LVL) Les deux dernières cartes qui sont enfichées au sein de la boîte électronique sont responsables de la gestion du sismomètre SP à courte période, lui aussi contre-réactionné, ainsi que du contrôle du mécanisme de mise à niveau. Les trois pendules VBB à très longues périodes enfermés dans la sphère sont effectivement épaulés par trois micro-sismomètres sensibles aux courtes périodes. Etant un peu moins critique que les pendules VBB, des composants électroniques non spatiaux ont pu être utilisés, après avoir bien entendu subi un cycle drastique de qualification. D’un volume plus faible que celui des VBB, les trois sismomètres SP peuvent ainsi s’appuyer sur une seule carte électronique pour leurs trois circuits respectifs de contre-réaction. Ni les capteurs VBB ou les capteurs SP ne sont redondés. Ils partagent cependant tous les deux la même gamme de mesures entre 100 secondes et 0,02 secondes, avec de meilleures performances pour les SP sur des périodes plus faibles que 0,2 secondes, et à l’inverse, de meilleures performances pour les VBB sur des périodes plus grandes que 0,2 secondes. Si l’un des six axes venait à tomber en panne à cause d’un dysfonctionnement, il sera de fait remplacé par les survivants, et la mesure tri-axiale de l’accélération du sol martien sera donc maintenue. Le mécanisme de  mise à niveau (LVL) dispose de sa propre carte électronique de contrôle. Ce dispositif va permettre, grâce à l’action de trois pieds motorisés, d’aligner avec une grande précision l’instrument SEIS avec l’horizontale, et donc la gravité martienne. Etant donné que ce mécanisme ne sera mis en oeuvre qu’au tout début de la mission, après la dépose au sol de l’instrument par le bras robotique, la carte électronique de contrôle n’a pas été redondé.

carte électronique SEIS

Détail de la carte de contrôle de la boucle de contre-réaction (© IPGP)

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