17 Novembre 2014

Instrument SEIS

SEIS : le sismomètre "martien"

L'instrument SEIS est un sismomètre constitué principalement de 2 capteurs sismiques longue période (VBB - Very Broad Band), c'est-à-dire adaptés à mesurer de signaux de fréquence très basse ou de grande longueur d'onde (Plusieurs dizaines à plusieurs centaines de kilomètres). Ces capteurs présentent un très faible niveau de bruit (). Ce sismomètre "martien" est donc capable de mesurer les composantes verticale et horizontale des signaux de grande longueur d'onde et des signaux de "marée". Ces capteurs sismiques ont initialement été développés par l'IPGP au travers d'une action de R&T financée par le CNES. Le développement du sismomètre comprenant les senseurs sismiques et la sphère qui les protège de l'environnement extérieur a été conduit dans le cadre de la mission NetLander et a abouti à la réalisation d'un démonstrateur fonctionnel.

Instrument SEIS
Capteur sismique large bande (VBB) 1 axe, monté sur sa platine de test.

Pourquoi un sismomètre sur Mars

On connaît peu de choses sur la structure interne de la planète Mars, ainsi que sur sa composition. D'importantes incertitudes subsistent également, en ce qui concerne l'activité tectonique de la planète, ou bien le nombre d'impacts météoritiques. L'outil scientifique le plus adapté pour répondre à ces questions est la sismologie. Alors qu'une expérience sismique simple était incluse dans les atterrisseurs Viking (1976) qui auraient pu donner un certain nombre de premières réponses à ces questions géophysiques fondamentales, un des deux instruments ne fonctionna pas correctement, et le retour scientifique fut de plus extrêmement pénalisé par la localisation du senseur dans la partie haute de l'atterrisseur, leur faible sensibilité, ainsi que la sévère limitation de la quantité de données allouée à l'expérience.

Les principales sources sismiques naturelles sur Mars sont probablement les "tremblements de Mars" ainsi que les impacts météoritiques. Du fait de l'arrêt probablement précoce (moins d'un milliard d'années après sa formation) des mécanismes similaires à la tectonique des plaques sur la Terre, on suppose que les principaux mécanismes à l'œuvre sont similaires au séismes intra-plaques sur Terre, ou dus au stress thermique du refroidissement de la planète. Par ailleurs, les données récentes en provenance de Mars Express tendent à accréditer l'idée d'une planète en "fin de vie géologique" plutôt qu'une planète "morte" géologiquement : on a ainsi pu détecter une activité volcanique "récente" sur les flancs d'Olympus Mons et d'autres volcans martiens.

L'établissement d'un, de deux, puis enfin d'un réseau de sismomètres sur Mars permettra ainsi une évaluation du niveau et de la distribution géographique de l'activité sismique, via la localisation et l'estimation de la magnitude des évènements. Avec un nombre suffisant de stations, un tel réseau de sismomètre devrait pouvoir permettre d'effectuer une étude de la corrélation entre l'activité sismique, les régions où les modélisations prédisent les plus fortes contraintes au niveau de la croûte de la planète, mais aussi de confirmer une possible activité volcanique.

De plus, l'étude des profils des séismes, ainsi que l'étude des temps d'arrivée des différents trains d'ondes sismiques permettra d'accroître de façon spectaculaire notre connaissance de la structure interne "profonde" de la planète, en permettant par exemple de déterminer les profils de vitesse sismique en fonction de la profondeur. L'étude fine de ces profils permet tout à la fois de connaître les épaisseurs, ainsi que les propriétés physiques des principales couches internes de la planète ( noyau, manteau, croûte). Enfin, l'estimation de l'atténuation sismique des différentes couches nous aidera à déterminer la structure thermodynamique à l'échelle de la planète.

Même si la configuration optimale d'un réseau sismique requiert au moins quatre stations opérant ensemble, il n'en reste pas moins vrai que le retour scientifique d'une seule station permettra une avancée spectaculaire dans notre compréhension des mécanismes fondamentaux régissant l'évolution à long terme de la planète. Un tel instrument nous donnera les clefs pour comprendre pourquoi cette planète, en apparence si semblable à la Terre, et ayant vu couler de l'eau pendant de longues périodes de son histoire, a pu devenir le désert froid et sec qu'elle est aujourd'hui.

Petit historique de la sismologie spatiale

1961-1962 : Echec des missions lunaires américaines Rangers 3-4-5 qui embarquaient toutes un sismomètre.
1969-1973 : Succès des missions américaines Apollo qui ont permis l'installation d'un réseau sismique sur la Lune, opérationnel jusqu'en 1977.
1975 : Missions américaines Viking sur Mars. Deux atterrisseurs embarquant chacun un sismomètre. Expérience peu concluante en raison de la sensibilité au vent de la plateforme sur laquelle l'instrument était installé.
1996 : Mission Russe Mars96, comprenant deux modules de surface (petit atterrisseur) équipés chacun d'un sismomètre français OPTIMISM (IPGP). Un échec au lancement conduira ces sondes au fond de l'océan pacifique.
2004 : Sismomètre deux axes développé dans le cadre du projet NetLander. Sphère contenant les deux senseurs sismiques longue période VBB
Evolution des performances et masses des sismomètres spatiaux au cours du temps

Description de l'instrument

Le VBB est basé sur un pendule mécanique qui se met à osciller lorsqu'il est excité par un mouvement de très faible amplitude (en l'occurrence un séisme). Afin de disposer d'une grande sensibilité sur les signaux de longues périodes (plusieurs milliers de seconde), le pendule est asservi à sa position d'équilibre, grâce à une bobine qui exerce une force sur la partie mobile.

Sous l'effet d'un séisme, le pendule (ici très amorti) se met à osciller - en réalité son amortissement est très faible.

Les capteurs court terme (DCS) et long terme (OCS) ont pour fonction de mesurer les mouvements de la partie mobile, chacun de ces capteurs étant meilleurs dans une certaine gamme de fréquence du mouvement du pendule. Le capteur court terme permet une mesure précise des mouvements rapides de la masse mobile, mais dérive au court du temps. Le capteur long terme fournit une information moins fréquemment, mais ses caractéristiques sont plus stables au court du temps. 

Le moteur d'équilibrage permet d'ajuster avec une grande précision la position d'équilibre de la partie mobile.

Le ressort applique une force de rappel au pendule. Il doit avoir des caractéristiques mécaniques les plus stables possibles dans le temps et en fonction de la température compte tenu des variations de température diurne-nocturne qui sont présentes sur Mars.

Le pivot relie la partie fixe à la partie mobile et constitue "l'axe de rotation" du pendule. Il doit avoir la raideur la plus faible possible mais cependant supporter les chocs induits par l'atterrissage du module de surface (200 g -20 ms). 

La masselotte Terre sert à compenser l'écart de gravité entre la Terre et Mars (rapport 3) afin de tester le VBB et mesurer ces performances durant son intégration sur Terre.

Le sismomètre complet est constituée de :

  • Un premier ensemble, composé de 2 senseurs sismométriques "large bande" (c'est-à-dire fournissant des mesures de mouvement du sol sur des échelles de temps allant de quelques fractions de seconde à quelques heures) positionnés tête bêche, associés à un senseur sismométrique "à courte période" (c'est-à-dire fournissant des mesures des mouvement du sol sur des échelles de temps allant de quelques centaines de Hertz à quelques secondes ~0.1 Hz), afin d'être en mesure de déterminer la direction du signal dans les trois direction. Le senseur sismométrique courte période est un capteur conçu par le JPL (Jet Propulsion Laboratory - USA), une des premières applications spatiales des micro-technologies dites "MEMS"


VBB montés tête bêche sur la couronne
centrale de la sphère (vue de dessus)
© SODERN
 
(vue de dessous)
© SODERN

  • Un deuxième ensemble, composé d'un trièdre de sismomètres MEMS JPL,
  • Un ensemble de capteurs annexes (pression / acoustique, température, inclinaison), servant soit à la gestion, soit de mesure scientifique,
  • Un système d'installation, qui compte tenu de sa dépendance avec le concept du véhicule porteur et de l'arrêt du programme NetLander, est resté à l'état de concept (© SODERN-COMAT),
  • Une électronique de gestion et d'interface.

Caractéristiques

Les travaux réalisés ont abouti à l'obtention d'un démonstrateur fonctionnel (hors système d'installation) très proche au niveau de la conception et des caractéristiques physiques de ce que sera le modèle de vol et d'un modèle structurel (STM) permettant de caractériser le comportement mécanique et thermique de la sphère et de recaler les modèles mathématiques.

Les différents tests conduits sur ce démonstrateur permettent de conforter les dimensionnements imposées par les contraintes environnementales de la mission (tenue aux chocs, excursion en température) et de vérifier leur compatibilité avec les spécifications (scientifiques et techniques) de l'instrument.

Matériel réalisé

Les principales caractéristiques de l'instrument sont présentées dans le tableau ci-dessous :

Masse Instrument (g)Sans MargeAvec MargeCommentaire
16151915Sans Electronique d'acquisition.
Inclut 2VBB et 1 SP (*)

(*) Chaque senseur court terme pèse 32 g et a une consommation de 55 mW.

 MoyenneMaxCommentaire
Consommation (mW) DéploiementN/A240Déploiement 1 heure (TBC)
Consommation (mW)
Moyenne (if ON)
273
(420)
729
(876)
Consommation primaire
Consommation (mW)
Moyenne sur 1 sol (ON/OFF moyenne)
273
(420)
729
(876)
Le sismomètre est toujours ON
 
 ValeurCommentaire
Quantité de données / sol (Mbits)2.7 Mbits2.7 Mbits/sol routine
6 Mbits par événement
Mémore de Masse requise (Mbits)2 GbitsStockage de 15 sol de données
Besoin en télécommande (kbits)TBD 
 
 MinMaxCommentaire
Température opération (°C)-120°C50°C 
Température Stockage (°C)-120°C+120°CCompatible avec les exigences de
Non contamination planétaire.

Organisation

Trois laboratoires scientifiques se sont impliqués dans ce développement :

Principal Investigateur
Philippe Lognonné
IPGP
4 avenue de Neptune,
94107 St Maur des Fossés Cedex
Tél : (01) 45 11 42 51
Courriel : lognonne@ipgp.jussieu.fr
Responsable Instrument
David Mimoun
ISAE / IPGP
10 avenue Edouard Belin
BP 54032
31055 Toulouse cedex 4
Tél : (0)5 61 33 81 08
Courriel : david.mimoun@isae.fr

  • Le Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ - Suisse) fourni toute l'électronique,
  • Le Jet Propulsion Laboratory (JPL - Etats-Unis) fourni les senseurs sismiques courte période (technologie MEMS)

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