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Mise à jour 15 Décembre 2021.

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF

De Philippe LAUDET

Astrophysicien au CNES, Responsable projet SEIS sur Insight

« SEIS un sismomètre français sur Mars.

Une aventure humaine et technologique.»

Organisée par la SAF

En présence du public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF

Le Mercredi 8 Décembre 2021 à 19H00

 

Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire

La présentation est disponible sur ma liaison ftp , rentrer le mot de passe, puis CONFÉRENCES SAF ensuite SAISON 2021/2022 ; elle s’appelle : SEIS-Laudet-SAF-OK-shrt.pdf

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

 

La vidéo de la réunion est accessible :  https://youtu.be/M45SqqPx7E4 

 

Tous les autres enregistrements sont accessibles sur la chaine YouTube SAF.

 

 

 

À l’occasion de cette conférence, la SAF a remis à Philippe Laudet le Prix international 2021 d’astronautique SAF qu’il partage avec Philippe Lognonné de l’IPGP pour la réalisation de l’instrument SEIS.

 

Notre ami Roger Maurice Bonnet, ne pouvant pas être présent leur a fait parvenir une courte vidéo qui a été passée pendant la cérémonie
Félicitations

 

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Gilles Dawidowicz Vice-Président de la SAF et Pierre François Mouriaux Président de la commission d’astronautique remettent le prix à Philippe Laudet.

Le message vidéo de RMB est diffusé dans l’amphithéâtre.

 

 

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Philippe Laudet, est responsable du projet du sismomètre SEIS monté à bord de la sonde martienne InSight, il travaille au CNES à Toulouse.

 

Rappelons que Philippe était aussi le chef du projet Corot, le télescope spatial dédié à la découverte d’exoplanètes.

 

Mais ce n’est pas la seule corde à son arc, c’est aussi un musicien hors-pair.

 

Il dit qu’il y a de nombreuses similitudes entre jouer dans un orchestre et poser un instrument sur Mars.

 

Voir son site personnel.

 

Mais maintenant nous allons parler science.

 

 

 

 

 

 

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Le rebond du virus a fait que de nombreuses personnes ont préféré annuler leur présence physique dans l’amphi pour suivre la conférence sur le canal YouTube de la SAF.

 

 

QUELQUES RAPPELS SUR MARS ET SUR INSIGHT.

 

La difficulté avec Mars, c’est l’existence d’une fenêtre de lancement, la mécanique céleste est ainsi faite, que l’on ne peut viser Mars que lorsque la Terre et la planète rouge ont un certain alignement favorable, et cela n’arrive que tous les 26 mois.

Ce qui veut dire que si l’on loupe une fenêtre, il faut attendre la suivante avant de lancer.

C’est ce qui arrivera à InSight !

 

L’originalité de cette mission est que l’on va s’intéresser à l’intérieur de cette planète en étudiant sa sismologie.

 

Je reprends quelques commentaires que j’avais écrits à l’époque :

 

InSight, c’est LA mission martienne américaine de 2016 (va devenir 2018 !!!). C’est l’acronyme de INterior exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Elle est consacrée à l’étude de l’intérieur de la planète Mars, comme son sigle l’indique.

 

Elle est composée d’un atterrisseur fixe, véritable station géophysique, puisqu’elle comprend trois instruments :

·         Le SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) pour étudier l’activité tectonique de la planète ; fourni par le CNES avec participations de l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), de l’ETH suisse, du Max Planck MPS, de l’Imperial Colleg et du JPl. Donc équipement international.

·         Le HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) pour mesurer les échanges de chaleur notamment, instrument fourni par l’agence allemande DLR.

·         Le RISE (Rotation and Interior Structure Experiment) doit mesurer les variations éventuelles de l’axe de rotation martienne, il est fourni par le JPL.

 

 

Les expériences menées par InSight doivent aboutir à nous en apprendre plus sur l’évolution des planètes rocheuses et notamment sur le processus d’évolution de Mars ; elle doit nous aider à la :

·         Détermination de la taille exacte du noyau et son état physique.

·         Détermination de l’épaisseur et de la structure de la croûte.

·         Détermination de la composition et de la structure du manteau

·         Détermination de l’état thermique de l’intérieur martien et sa vitesse de refroidissement.

·         Mesure précise de l’activité sismique

·         Mesure du taux d’impacts météoritiques sur la surface.

 


 

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Comme vous le voyez sur la photo, la sonde ressemble à Phoenix dont elle a un design similaire, Phoenix s’était posée dans la zone polaire Nord de Mars.

 

 

 

Elle est aussi construite par Lockheed Martin à Denver Colorado.

 

Une vue d’artiste du lander posé sur Mars.

 

 

 

 

 

 

 

LA FORMATION DES PLANÈTES TELLURIQUES ET LA SISMOLOGIE MARTIENNE.

 

Les corps rocheux du système solaire, gros et moins gros débutent par une phase d’accrétion, à l’état de poussières grâce aux forces électrostatiques puis ensuite la gravitation prend le relais pour atteindre des dimensions plus ou moins importantes (planètes, satellites ou astéroïdes).

La taille augmentant, l’intérieur se réchauffe et passe à l’état liquide ou pâteux (phase de différentiation), les éléments lourds étant précipités au cœur du noyau. Au cours du temps, ce corps se refroidit, une croûte se forme, un manteau, et une atmosphère aussi.

 

La plupart vont devenir des planètes telluriques comme Mercure, Vénus, la Terre et Mars, leur nombre ayant été probablement plus important au moment de leur formation.

D’autres, moins gros, évolueront vers des corps moins complexes (quoique…), comme des planètes naines ou des astéroïdes.

 

Ces planètes telluriques sont similaires au point de vue structure, mais certainement pas identiques.

D’ailleurs une des grandes questions posées en planétologie est, pourquoi Vénus, la Terre et Mars étant situées plus ou moins dans la zone habitable du Soleil, pourquoi ont elles suivi des chemins si différents ? Elles ont suivi des évolutions différentes dépendant de leur taille, densité, noyau liquide ou non etc. Enfin pourquoi Mars ne possède pas un système de plaques tectoniques ?

 

 

 

POURQUOI MARS ?

 

Si on s’est déjà intéressé à Mars, sa géologie (volcans, canyons, cratères) et à sa minéralogie de surface avec de nombreuses missions spatiales, aucune mission ne s’est encore intéressée à ce qu’il y a sous la surface.

 

Cette mission doit étudier la structure interne de la planète rouge, étudier les processus de formation et en mesurer les paramètres physiques.

 

On veut pouvoir étudier la « machine Mars », son activité, sa chaleur interne. A-t-elle toujours une activité sismique et volcanique ? Peut-on connaitre l’état de son noyau, est-il encore liquide ?

 

Mars est aussi la planète tellurique la plus accessible et on commence à connaitre sa géologie et sa chimie.

 

C’est une candidate idéale pour étudier l’évolution des planètes rocheuses, en effet, elle a conservé la trace de son passé sur sa surface, due à l’absence d’activité tectonique qui recycle la croûte dans le manteau comme sur Terre. Mars aurait débuté une phase d’évolution qui s’est avortée assez tôt.

En fait, on aimerait bien savoir pourquoi la Terre et Mars ayant certainement eu des conditions au départ relativement identiques, à cause de quels processus et pourquoi celle-ci est devenue rapidement un désert glacé ? Bref, on souhaiterait comprendre mieux ce qui se passe à l’intérieur de Mars.

Et ce sont toutes ces interrogations auxquelles on souhaiterait que la mission InSight apporte des réponses.

 

Mais nous ne disposons que d’un seul point de mesure. Comment faire ?

 

Après un séisme sur Mars de magnitude 4,5 ou plus, la sonde InSight détectera les ondes de surface et le redétectera après un tour de la planète. Cela fournira la vitesse de ces ondes, puis la distance entre le séisme et la station. Cette donnée permettra d'interpréter les ondes de volume qui informeront sur l'intérieur de Mars. © Bruno Bourgeois

 

 

Le problème est d’être capable d’effectuer des mesures à l’aide d’un seul capteur ! Généralement il en faut plusieurs pour localiser exactement l’évènement. C’est pour cela que l’on enregistre non pas le premier tremblement mais les retours qui ont fait le tour de la planète, comme il est expliqué dans la vidéo ci-après :

 

 vidéo :  https://youtu.be/nfN9agkpWXQ

 

 vidéo :

 

 

 

L’INSTRUMENT SEIS.

 

L’étude sismique de Mars a été un des buts de la mission des Vikings des années 1976, mais leurs sismomètres n’étaient pas assez performants et les résultats non conclusifs.

C’est donc avec impatience que le monde scientifique attend les résultats de SEIS, matériel beaucoup plus performant que celui des années 1970. Il doit résister aux chocs, aux vibrations et aux radiations.

On va pouvoir enregistrer les séismes martiens, les impacts d’astéroïdes ou les effets de marée pouvant être provoqués par Phobos. Sensibilité approx : 10-9 de la gravité martienne.

 

Cet instrument est sous la responsabilité scientifique de l’Institut de Physique du Globe de Paris, qui a mis au point l’expérience et anime le consortium scientifique, avec plusieurs laboratoires Européens et Américains et plus particulièrement en France le Laboratoire de Géodynamique et de Planétologie de Nantes et l’Institut de l’Aéronautique et de l’Espace de Toulouse.  Le maître d’œuvre de l’expérience est l’Agence Spatiale Française, CNES et la société Sodern.

Le PI de l’instrument SEIS est Philippe Lognonné, géophysicien à l’IPGP et de l’Université Paris Diderot et le chef de projet au CNES est Philippe Laudet.

 

 

Cet instrument est composé de plusieurs parties :

·                    Une sphère en Titane avec 3 capteurs sismiques à très large bande (VBB) ou longue période ainsi que leurs capteurs de température. C’est le cœur de l’instrument, conçu par l’IPGP et réalisé par la société SODERN

·                    Trois capteurs sismiques à courte période (SP) et les capteurs de température correspondants, réalisées par l’Impérial College de Londres..

·                    Une électronique avec le logiciel correspondant, réalisée par l’École Polytechnique de Zurich.

·                    Un trépied support permettant la bonne inclinaison une fois posé sur le sol, réalisé par l’Institut Max Planck de Planétologie de Göttingen

·                    Un système de déploiement sur le sol, réalisé par le JPL.

Crédit illustration : IPGP Ducros.

 

 

 

 

Info Masse :

Masse de la sphère VBB ~3 kg ; Masse du système SEIS ( LVL+sphère+ SP) ~6 kg ; Masse de l’électronique d’acquisition  ~6 kg

Puissance de fonctionnement : 2 watt

 

 

La sonde SEIS est isolée thermiquement et le vide est maintenu à l’intérieur.

En plus, un bouclier WTS (Wind and Thermal Shield) fourni par le JPL est chargé de protéger les capteurs contre les variations thermiques extérieures et contre les vents martiens.

 

Le principe du capteur sismique à large bande est basé sur l’utilisation d’un pendule oblique.

Le ressort et la masse du pendule sont parfaitement équilibrés ; lorsque le sol bouge, le pendule commence à bouger, et ce mouvement est détecté par les capteurs de déplacement (DCS) qui transforment ce mouvement en signal électronique.

 

 

 

 

 

Les trois capteurs pour les courtes périodes (SP) sont soit horizontaux soit verticaux, ils enregistrent les mouvements du sol grâce à une masse mobile se déplaçant dans un capteur.

 

 

D’après une explication antérieure que j’avais proposée dans un CR : LE PRINCIPE DE MESURE.

 

 

Principe de fonctionnement :

 

 

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Description générée automatiquementLe principe du capteur sismique à large bande est basé sur l’utilisation d’un pendule oblique.

 

Le ressort et la masse du pendule sont parfaitement équilibrés ; lorsque le sol bouge, le pendule commence à bouger, et ce mouvement est détecté par les capteurs de déplacement (DCS) qui transforment ce mouvement en signal électronique.

 

Les trois capteurs pour les courtes périodes (SP) sont soit horizontaux soit verticaux, ils enregistrent les mouvements du sol grâce à une masse mobile se déplaçant dans un capteur.

 

 

 

 

Le déplacement de la masse est donné par la formule :

 

X = m g / K

 

X = déplacement ; m = masse ; gamma = accélération ; K = raideur du ressort.

Une raideur faible (ressort extrêmement souple) est choisie pour les applications spatiales (afin d’avoir un grand X)

La masse utilisée est de l’ordre de 400g.

 

Cet ensemble (VBB dans leur sphère et SP) est monté sur le système de déploiement et doit être parfaitement déposé sur le sol martien, c’est le rôle du bras articulé équipé de caméras, celles-ci doivent imager de façon stéréoscopique l’immédiat emplacement de la zone d’atterrissage afin de voir où vont être déposés les sismomètres et le détecteur de flux thermique HP3.

 

Les pendules du VBB :

 

 

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Crédit Illustration : IPGP D Ducros

 

Chaque pendule est constitué de :

·         Une partie fixe

·         Un Pivot assurant  une souplesse entre la partie fixe et la partie mobile. C’est le cœur du pendule.

·         Une partie mobile, dont le centre de gravité est décalé par rapport au pivot, équilibrée avec un ressort.

·         Un capteur capacitif de déplacement, situé entre les parties fixe et mobile du pendule.

 

 

Le pivot est la partie la plus importante du pendule. Il est constitué de lames ressort.

Mécanisme fragile, constitué principalement de Titane.

Il doit posséder une :

 Grande souplesse suivant un axe de rotation

 Grande raideur dans les autres degrés de liberté

 Transmission des signaux électriques vers la partie mobile.

 

Il est rigide (hyperstatique) et sa course est limitée à quelques dizaines de microns

De nombreux essais et modifications ont été nécessaires.

 

Caractéristiques des pendules VBB :

 

·         Ils peuvent mesurer un déplacement de l’ordre de 10 picomètres (diamètre d’un atome d’Hydrogène).

·         Gamme de température très large : - 105°C à + 120°C

·         Sous vide inférieur à 0,1 mbar

·         Réponse fréquentielle large : 0,25 à 200 secondes

 

L’ensemble est décontaminé à 100°C pendant deux semaines.

 

 

 

Un capteur capable de détecter un déplacement au sol de la taille d’un atome !

 

 

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Cet ensemble (VBB dans leur sphère et SP) est monté sur le système de déploiement et doit être parfaitement déposé sur le sol martien, c’est le rôle du bras articulé équipé de caméras ; celles-ci doivent imager de façon stéréoscopique l’immédiat emplacement de la zone d’atterrissage afin de voir où vont être déposés les sismomètres et le détecteur de flux thermique HP3.

 

 

Crédit :NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La séquence pour mettre en service les sismomètres est quelque peu élaborée et a requis toute la technicité des techniciens du JPL pour sa mise au point :

 

 

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·         Une fois atterri sur le sol martien, les capteurs sismiques peuvent rester plusieurs jours sur la plateforme de l’atterrisseur, sans protection thermique ;

 

·         Ensuite le bras articulé (IDA) soulève l’ensemble et le dépose sur le sol. 

 

·         Puis c’est le couvercle de protection (WTS) qui doit être posé dessus (photo), phase d’attente qui peut durer 60 jours au maximum. Bien évidemment pendant toutes ces phases, les capteurs sont mis hors tension avant l’arrivée de la protection.

 

·         Puis c’est au tour de HP3 d’être déposé sur le sol.

 

Photo: on voit les différents composants disposés sur la plateforme support du lander. Elle est inclinée à presque 90°. Un bouclier thermique recouvrira le tout.

 

Photo : Lockheed Martin

 

 

 

 

 

 

 

Une vidéo explicative du déploiement des instruments.

vidéo.

 https://youtu.be/7VVKyYhwfBk

 vidéo :

 

 

 

LA MISE AU PONT.

 

De nombreuses photos des différentes étapes de la mise au point et de la fabrication sont proposées par Ph. Laudet, en voici quelques-unes. Pour le panorama complet voir le pdf.

 

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Tout se passe à peu près et puis, c’est la tuile !

 

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Été 2015 :

 

Un connecteur n’est pas étanche, on ne peut pas réparer, le CNES annonce officiellement que l’on renonce à la fenêtre de 2016.

 

On reporte à Mai 2018 !

 

Finalement les problèmes sont résolus, on envoie l’instrument aux USA en juillet 2017.

 

 

 

 

 

 

 

 

Lancement effectué en Mai 2018 (on note que la sonde Insight est stockée la tête en bas dans la coiffe de la fusée) pour un atterrissage le 26 Novembre 2018.

 

Le SEIS est en parfait état de fonctionnement. Il poursuit sa vie de sismomètre et sa durée de vie dépendra des panneaux solaires de Insight.

 

Vous pouvez suivre sa vie sur Mars dans les actualités InSight de mon site.

 

 

CONCLUSION.

 

La réussite d’une mission scientifique n’est jamais un long fleuve tranquille, c’est ce que vient de nous prouver Philippe Laudet avec la relation des différentes étapes qui ont mené à une telle réussite.

 

Bravo à toute l’équipe.

 

 

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POUR ALLER PLUS LOIN :

 

 

Mission Insight : CR conf SAF (Planétologie) d’A. Lecocq (Sodern) du 29 Sept 2018

 

Le site de InSight au JPL.

 

Le site de InSight à la NASA et toutes les photos de la sonde.

 

Le site de InSight au CNES.

 

La mission InSight sur votre site préféré.

 

Tout sur la mission chez eo-portal

 

InSight Spacecraft Overview par spaceflight101

 

Comment fonctionne un sismomètre ? par la Sodern

 

Instrument SEIS au CNES

 

‘Marsquakes’ Could Shake Up Planetary Science  vidéo

 

 

 

 

Bon ciel à tous

 

Prochaine conférence SAF devant public :
Le mercredi 12 Janvier 2021 à 19H00  au CNAM amphi Grégoire (220 places). Aurélie MOUSSI    CNES spécialiste astéroïdes 
 chef projet Hayabusa/Mascot  et MMX/MIRS, nous parlera de : L’EXPLORATION DES ASTÉROÏDES : PETITS CORPS MAIS GRANDS EXPLOITS.  
Réservation comme d’habitude ou à la SAF directement.

Transmission en direct sur le canal YouTube de la SAF Sinon à suivre en direct : https://youtu.be/dEYzUxHXLIg

 

 

Jean Pierre Martin 

www.planetastronomy.com

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