Assemblage d'un faisceau de câbles pour Deep Space

Nov 14, 2023

Europa Clipper de la NASA effectuera 44 survols d'Europa, la quatrième plus grande lune de Jupiter, à partir d'avril 2030. Photo publiée avec l'aimable autorisation de la NASA

Le faisceau de câbles de l'Europa Clipper se compose de quelque 2 600 conducteurs et pèse 150 livres.Photo avec l'aimable autorisation de la NASA

Pour assembler le harnais, APL a construit un appareil à grande échelle qui correspondait aux surfaces courbes du corps du vaisseau spatial. Le harnais ne pourrait pas être construit sur une planche de coffrage traditionnelle, car il serait enveloppé dans une feuille de cuivre. Photo publiée avec l'aimable autorisation de la NASA

Dans une salle blanche de l'APL, le harnais du module de propulsion d'Europa Clipper est transféré du luminaire au vaisseau spatial. Photo publiée avec l'aimable autorisation de la NASA

Un ensemble capteur d'instrument à plasma est chargé dans une chambre à vide thermique pour être testé à l'APL. Le grand nombre de fils visibles démontre la configuration complexe du test. Photo publiée avec l'aimable autorisation de la NASA

Un technicien ajuste les connexions électriques sur le spectromètre de masse de l'Europa Clipper. Photo publiée avec l'aimable autorisation de la NASA

Près de 10 pieds de large, l'antenne à gain élevé de l'Europa Clipper enverra des données scientifiques sur Terre et permettra aux contrôleurs au sol d'envoyer des commandes au vaisseau spatial. Photo avec l'aimable autorisation de la NASA

Quelle est l'origine de la vie sur Terre ? Est-ce qu'il y a de la vie sur les autres planètes?

Ces questions séculaires trouveront enfin une réponse lorsque Europa Clipper de la NASA effectuera 44 survols d'Europe, la quatrième plus grande lune de Jupiter, à partir d'avril 2030. Le vaisseau spatial effectuera une reconnaissance détaillée d'Europe et déterminera si la lune glacée pourrait abriter des conditions propices à la vie. .

Légèrement plus petite que la Lune terrestre, Europe est principalement constituée de roche silicatée. Il a une croûte de glace d'eau et probablement un noyau de fer-nickel. Il a une atmosphère très mince, composée principalement d'oxygène. Sa surface est striée de fissures et de stries, mais les cratères sont relativement peu nombreux.

Europa a la surface la plus lisse de tous les objets solides du système solaire. La jeunesse et la douceur apparentes de la surface ont conduit à l'hypothèse qu'un océan d'eau existe sous la surface, ce qui pourrait éventuellement abriter une vie extraterrestre.

La mission d'Europa Clipper est de savoir si c'est le cas. Le Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) à Laurel, MD, a conçu le corps d'Europa Clipper en collaboration avec le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA à Pasadena, CA, et le Goddard Space Flight Center à Greenbelt, MD.

D'une hauteur de 10 pieds et d'une largeur de 5 pieds, le vaisseau spatial est un cylindre en aluminium rempli d'électronique, de radios, de tubes à boucle thermique, de câbles et du système de propulsion. Avec ses panneaux solaires et autres équipements déployables rangés pour le lancement, Europa Clipper sera aussi grand qu'un SUV ; lorsqu'ils sont étendus, les panneaux solaires donnent à l'engin la taille d'un terrain de basket. C'est le plus grand vaisseau spatial de la NASA jamais développé pour une mission planétaire.

Prévu pour être lancé en octobre 2024, l'Europa Clipper est équipé de neuf instruments pour étudier l'intérieur et l'océan d'Europe, la géologie, la chimie et l'habitabilité. Les instruments seront protégés des radiations par un blindage en titane et aluminium de 150 kilogrammes. Les instruments sont :

Le corps principal de l'Europa Clipper est terminé et a été livré au JPL en juin. Au cours des deux prochaines années, ingénieurs et techniciens termineront l'assemblage de l'engin spatial avant de le tester pour s'assurer qu'il pourra supporter le voyage vers Europe.

La structure principale se compose de deux cylindres en aluminium empilés parsemés de trous filetés pour le boulonnage sur la cargaison du vaisseau spatial : le module de radiofréquence, les moniteurs de rayonnement, l'électronique de propulsion, les convertisseurs de puissance et le câblage. Le sous-système de radiofréquence alimentera huit antennes, dont une énorme antenne à gain élevé qui mesure 10 pieds de large.

La voûte électronique robuste, construite pour résister au rayonnement intense du système Jupiter, sera intégrée à la structure principale du vaisseau spatial avec les instruments scientifiques.

À l'intérieur du corps principal du vaisseau spatial se trouvent deux réservoirs - un pour le carburant, un pour le comburant - et les tubes qui transporteront leur contenu vers un ensemble de 24 moteurs.

La connexion de tous les instruments, panneaux solaires, équipements de communication et système de propulsion nécessite beaucoup de câblage. En fait, le faisceau de câbles du vaisseau spatial se compose de quelque 2 600 conducteurs et pèse 150 livres. S'il était étiré, il parcourrait près de 2 100 pieds, soit plus du double du périmètre d'un terrain de football, explique Jacklyn Perry, superviseur de section pour le développement des harnais au secteur de l'exploration spatiale de l'APL.

Concevoir un faisceau de câbles pour un vaisseau spatial interplanétaire est plus difficile que concevoir un faisceau pour une voiture ou même un avion.

Pour commencer, il y a le problème des radiations. Europa est au cœur des ceintures de rayonnement de Jupiter, explique Perry, qui a été ingénieur en chef du harnais du module de propulsion de Clipper. À chaque orbite, le vaisseau spatial sera exposé à de plus en plus de radiations. Pour mettre son exposition en perspective, une radiographie rachidienne génère une dose de rayonnement inférieure à 0,2 rad. Le faisceau de câbles du Clipper sera exposé à 20 millions de rads.

Les particules chargées sont un autre problème. "Les particules chargées s'accumulent dans les isolateurs, et un faisceau de câbles est une isolation à 85 %", explique Perry, qui a également aidé à concevoir les faisceaux de la sonde solaire Parker de la NASA, qui orbite actuellement autour du Soleil, et de la prochaine mission Dragonfly, qui prévoit de atterrir un giravion sur Titan, la lune de Saturne, en 2034. "Ces particules s'accumuleront jusqu'à ce qu'il y ait éventuellement une décharge. Dans le meilleur des cas, les particules se déchargeront au sol. Dans le pire des cas, elles se déchargeront dans votre câblage et faites exploser vos appareils électroniques.

"Beaucoup de blindage est nécessaire pour empêcher que cela ne se produise. Cependant, les matériaux qui [résistent aux radiations] sont terribles dans un environnement chargé, et les matériaux qui ne s'accumuleront pas s'effondreront [rayonnement à haute dose] . Nous étions entre le marteau et l'enclume."

En fin de compte, les ingénieurs ont choisi d'envelopper le câblage dans du ruban de cuivre et, par endroits, même du plomb. "Cela n'a pas aidé avec notre masse totale, mais que pouvez-vous faire?" dit Perry.

Du côté positif, cependant, l'enveloppe de cuivre empêchera également les interférences électromagnétiques potentielles entre les lignes électriques et les lignes de télémétrie du vaisseau spatial.

Les températures extrêmes devaient également être prévues. Le Clipper serait exposé à des températures allant de -235 à 100 C. "C'est une grande plage de conception", dit-elle. "Beaucoup de matériaux ne sont pas classés pour ces extrêmes, nous avons donc effectué de nombreux tests cryogéniques."

Comme tous les engins spatiaux, le Clipper devra supporter des vibrations considérables lors du lancement. "Heureusement, de nombreux matériaux avaient déjà été qualifiés lors de missions précédentes", déclare Perry. "Cependant, si nous n'avions pas ces données, nous avons dû faire beaucoup de tests pour nous assurer qu'ils survivront au lancement."

Alors que le vaisseau spatial fini subira des tests d'acoustique et de vibration avant le lancement, les ingénieurs d'APL ont choisi de faire leurs propres tests de vibration uniquement sur le harnais.

De même, le choc est un autre facteur dont les ingénieurs devaient tenir compte. Pour séparer le vaisseau spatial de la fusée, il faudra une charge explosive. "A la séparation, le harnais subira une charge de choc de 6 300 g à 10 000 hertz. C'est un sacré claquement", note Perry. "Nous avons testé toutes nos interfaces de connecteurs pour nous assurer qu'elles ne s'effondreraient pas. Nous avons également testé nos attaches."

Un autre défi est le contrôle de la contamination. Étant donné que le vaisseau spatial sera équipé de divers équipements d'imagerie, les ingénieurs ont dû empêcher le dégazage des adhésifs, des plastiques et des lubrifiants. "Nous avons cuit tout notre câblage avant l'assemblage, car une fois que vous avez mis toutes ces enveloppes sur le câblage, il faudra une éternité pour que les molécules s'échappent", explique Perry. "Après l'assemblage, nous avons également cuit le harnais fini, car nous avons ajouté de l'adhésif et d'autres matériaux."

Les ingénieurs devaient également prévenir la contamination biologique. Un traité international datant des premiers jours de l'exploration spatiale interdit aux pays d'introduire des microbes de la Terre sur d'autres mondes qui pourraient abriter la vie. Lors de l'assemblage, les ingénieurs ont régulièrement testé le harnais pour la contamination biologique. De plus, le harnais fini a été cuit à 116°C pendant 25 heures. Une fois le harnais stérile, les techniciens devaient désormais porter une tenue de salle blanche pour travailler dessus.

"On se masquait avant que ce soit cool !" Perry plaisante.

Près de 10 pieds de large, l'antenne à gain élevé de l'Europa Clipper enverra des données scientifiques sur Terre et permettra aux contrôleurs au sol d'envoyer des commandes au vaisseau spatial. Photo avec l'aimable autorisation de la NASA

L'un des défis de la conception et de l'assemblage du faisceau de câbles du Clipper n'avait rien à voir avec les radiations extrêmes, les champs froids ou magnétiques. C'était géographique. Avec APL sur la côte est, JPL sur la côte ouest et les panneaux solaires conçus et construits par Airbus aux Pays-Bas, il n'a pas toujours été facile de discuter avec des collègues. Quand il est 8h du matin sur la côte est, il est 5h du matin sur la côte ouest et 14h aux Pays-Bas.

"Jusqu'à ce projet, je n'appréciais pas à quel point les mots que nous utilisions étaient du jargon spécifique à APL", admet Perry. "Si j'utilisais un mot pour décrire une partie ou un processus spécifique, ce n'était pas nécessairement le même mot que nos partenaires utilisaient, alors nous avons passé quelques mois à hésiter entre ce que nous voulions dire et ce qu'ils voulaient dire."

Une technologie relativement nouvelle, la réalité augmentée, a contribué à résoudre les problèmes de conception. "Par exemple, nous essayions de résoudre un problème d'attelage avec l'un de nos instruments. Il y avait des restrictions de rayon de courbure délicates et des contraintes de manipulation que nous devions comprendre. Avec la réalité augmentée, nous pouvions avoir une conversation à ce sujet sans avoir à faire voler qui que ce soit. n'importe où », dit Perry.

Pour assembler le harnais, APL a construit un appareil à grande échelle qui correspondait aux surfaces courbes du corps du vaisseau spatial. "Nous ne pouvions pas construire le harnais sur une planche de coffrage, car il serait enveloppé", explique Perry. "Si nous l'avions enroulé à plat et que nous avions ensuite essayé de le monter dans cette configuration incurvée sur le vaisseau spatial, cela n'aurait pas fonctionné. Nous devions enrouler le harnais dans la forme qu'il aurait sur le vaisseau spatial."

La réalité augmentée a également aidé à l'assemblage. Les techniciens pourraient utiliser des téléphones intelligents ou des tablettes pendant l'assemblage pour superposer des images du modèle CAO à l'assemblage in situ. Ils pouvaient activer ou désactiver différents harnais ou faisceaux chaque fois qu'une question se posait.

"Nos techniciens l'ont adoré, et nous allons l'utiliser pour des missions ultérieures", déclare Perry.

Après la cuisson, le luminaire a été monté sur un chariot construit sur mesure, qui a été mis en place sur roues et élevé en position à côté du vaisseau spatial. "Le luminaire a donné au vaisseau spatial un" câlin aérien "", explique-t-elle. "Ensuite, nous l'avons soigneusement transféré du luminaire au vaisseau spatial. Nous nous sommes beaucoup arrêtés pour parler de qui fait quoi et quand. Il y avait beaucoup de coordination. Tout le monde avait des rôles assignés. Nous avions des attaches préinstallées pour recevoir le harnais ."