ACCÉLÉROMÈTRES SPATIAUX

Les accéléromètres électrostatiques triaxiaux

Le principe de ces instruments est fondé sur la lévitation électrostatique, sans contact mécanique, de cette masse d'épreuve, dont les six degrés de liberté sont asservis immobiles par rapport à la cage. La mesure précise des potentiels électriques appliqués sur les électrodes et la masse permet de calculer les forces et couples électriques créés. La masse est également soumise au champ de gravité et présente la même accélération cinématique que la structure de l'instrument, rigidement fixée au satellite. En définitive, l'instrument fournit, selon les trois axes de l'espace, la différence entre l'accélération cinématique de son support et le champ de gravité en son centre. Les couples appliqués permettent d'en déduire également les accélérations angulaires, pour peu que la masse puisse être considérée comme sphérique du point de vue de son moment d'inertie.

Chacune des six voies d'asservissement correspondant aux six degrés de liberté est constituée d'un détecteur capacitif dont la résolution peut atteindre 10 picomètres (soit une valeur inférieure au rayon atomique), un actionneur électrostatique permettant d'appliquer des forces plus faibles que le piconewton (10^–12 newton, soit 1 millième de milliardième de newton, ou encore 1 dixième de milliardième de gramme-force), une loi de commande définissant la bande fréquentielle de fonctionnement de l'instrument et réglant continûment les potentiels électriques opposés appliqués sur les deux électrodes en regard de la masse.

Les performances sans égales de ces accéléromètres, qui peuvent permettre de mesurer le pico-g (1 millionième de micro-g), voir le femto-g (1 millième de pico-g), sont liées aux performances exceptionnelles des électroniques réalisant les fonctions mentionnées ci-dessus – électroniques qui présentent un très faible bruit –, associées à la géométrie très précise et très stable du capteur, et en particulier de l'ensemble masse d'épreuve-électrodes. C'est la raison pour laquelle cette masse d'épreuve est réalisée par rodage optique et que ses dimensions sont vérifiées au micromètre près. Le cœur qui l'entoure est façonné au moyen d'une machine spécifique, qui fonctionne par abrasion ultrasonore et permet d'usiner des matériaux très durs ou très fragiles, comme les verres ou les céramiques. Le choix de la silice ou de l'ULE^⌖ (Ultra Low Expansion Glass de Corning) permet d'obtenir des pièces de dilatation thermique relative quasi nulle (entre 10^–6 et 10^–7 par degré) et de précision micrométrique. Ces pièces sont dorées par pulvérisation cathodique et des coupures de dorure sont réalisées pour définir les électrodes nécessaires à la gestion de la configuration électrostatique du cœur.

Un autre point essentiel relève du concept lui-même. La plupart des accéléromètres de précision, conçus pour la navigation inertielle à bord des avions par exemple, fonctionnent sur le principe masse-ressort ou masse-pendule (nous ne considérerons pas ici les systèmes piézoélectriques masse-pastille, comme ceux qui déclenchent les airbags des automobiles, qui supportent de fortes accélérations, lors des chocs notamment, mais dont la précision est très faible, bien supérieure au milli-g). Sous l'effet d'une accélération du mobile, la masse, du fait de son inertie, étire le ressort ou oriente le balancier du pendule. Comme dans le cas des accéléromètres spatiaux électrostatiques, le mouvement de la masse est détecté et contrecarré par une force, souvent magnétique, précise et mesurée. Cependant, ces accéléromètres ont des plages de mesure supérieures à la gravité terrestre, souvent de 10 à 100 g ; il leur est alors difficile de mesurer mieux que le millionième de leur[...]