MICROSCOPE " Les bijoux accélérométriques de MICROSCOPE " - T-SAGE : Twin-Space Accelerometers for - cnfgg
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MICROSCOPE
MICRO-Satellite pour l’Observation du Principe d’Equivalence
T-SAGE : Twin-Space Accelerometers for
Gravitation Experiement
« Les bijoux accélérométriques de MICROSCOPE »
Manuel Rodrigues, chef de projet
manuel.rodrigues@onera.fr
Sommaire
• Historique de l’accélérométrie spatiale à l’Onera
• T-SAGE dans la mission MICROSCOPE
• Quelques mesures accélérométriques de T-SAGE en
orbites
Toutes les photos sans © doivent être comprises © ONERA
2 MICROSCOPE
CHAMP, GRACE, GOCE, MICROSCOPE ...
ONERA, Future missions 2020 – 2030 ?
4 décades of know-how Geodesy NGGM (ESA) – GRACE-2 (NASA)
7 FLIGHTS
15 accelerometers in orbit
100% of success
Major science Return Accelerometer for fundamental physic
CNES / ONERA – Microscope – 2016 – 10-12 m/s2/Hz1/2
Accelerometers for geodesy
JPL / Germany – GRACE-FO – Launch scheduled in 2018
ESA – GOCE – 2009 – 10-12 m/s2/Hz1/2
JPL / DLR – GRACE – 2002 – 10-10 m/s2/Hz1/2
CNES / DLR – CHAMP – 2000 – 10-9 m/s2/Hz1/2
Accelerometer for microgravity
NASA – Missions Microgravity Space Laboratory-1 – April & July 1997
ESA – Mission Life and Microgravity Science – July 1996
CACTUS Accelerometre – 1975– 10-8 m/s2/Hz1/2
3 MICROSCOPE
Example of science return in Geodesy
LAGEOS-GEOS3 CHAMP GRACE GOCE
DLR/CNES NASA/DLR ESA
Free air gravity anomalies of South America (mGal)
1979 2000 2007 2011
GEM9 GRIM 5s GGM03s GOCE TIM4
Lerch FJ et al. 1979 Biancale R et al., 2000 Tapley et al 2007 Pail et al 2011
4 MICROSCOPE
Universality of free-fall test – MICROSCOPE
Difference of acceleration
: Objective to be evaluated @ 10-15 accuracy
Comparison of
2 test-masses acceleration
Ultrasensitive Accelerometer
Need to measure 10-15g
@ orbital frequency
SUREF : Pt/Pt => The Zero Ref
Microscope
SUEP : Pt/Ti => EP test
Galileo Galilei «Free-Fall » in space
5 MICROSCOPE
T-SAGE = charge utile ONERA de MICROSCOPE :
précision au micromètre et au microvolt
Capteur: SU PE + SU REF Electronique de proximité: FEEU Electronique numérique d’interface
• 2 accéléromètres différentiels • Un FEEU pour chaque SU satellite: ICU
• Cœur en Silice dorée réalisé par le • Electronique analogique: • 1 ICU par FEEU l’un sur l’autre
procédé ONERA d’usinage par détecteurs capacitifs, CNA, CAN, • DSP (calculateur), FPGA
ultra-sons à qq µm FPGA • Calcul: 40bits
• Précision de réalisation et • Bruit des tensions de référence • Télémétrie science = 4Hz / 24bits
d’intégration de toutes les pièces 0.2µV Hz-1/2
(céramique, silice, titane, invar, • Bruit de mesure
Principe de mesure de l’accéléromètre électrostatique
asservi
7 MICROSCOPE
Configuration des électrodes
C2 C1
SUP+
SUP+
Z1- L2 L1
Z2+ X- αc
Φ4+ Φ2-
Φ2- X- C2 αCp1 C1
Y1+
X+
Y2+ e2 e1
Y1-
Y2-
Y2- X+
Φ4- C2
Z1+
Z1-
Z2-
Z2- Φ2+
SUP-
Ci = C ( )
==ci f)f +( Lef1i )(α pi )
f i(α
i
8 MICROSCOPE
Cœur du senseur
« Chapeau » en silice pour le
centrage précis des électrodes
Réservoir 24bars
Circuits internes des
connexions coaxiales
Electro-valves
Système de blocage des
masses d’épreuve
Masses de test
Système de vide Cylindres en silice dorée
pour les électrodes
Connecteurs hermétiques
9 MICROSCOPE
THE PAYLOAD 10 MICROSCOPE
Instrument Development : Phase C2
Detailed definition of the production processes
Production of MQTH, QM, FM parts: ~ 5µm accuracy machining
Diamond drill and ultrasonic machining for silica parts
11 MICROSCOPEInstrument Development : Phase C2 METROLOGY MUCH MORE DIFFICULT THAN PRODUCTION Test-mass made in PTB, Germany Production of QM , FM parts : ~ 1à 5 µm accuracy Metallic parts free of magnetic materials (titanium alloy) Housing made in Invar for magnetic shielding (specific process of production that guarantees 50 factor attenuation) 12 MICROSCOPE
Catapult test to validate the qualification or the acceptance
in BREMEN
(c) ZARM
(c) ZARM
13 MICROSCOPECatapult test to validate the qualification or the acceptance
(Drop n°61 with QM, contribution from H. Selig - ZARM)
(c) ZARM-H. Selig
Slow motion (speed/2)
14 MICROSCOPEIntegration du satellite
2016
(c) CNES-Grimault
(c) CNES-Grimault
(c) CNES
15 MICROSCOPEMICROSCOPE GROUND SEGMENT
ONERA (CMS-M)
CNES + CNES
Ground stations
16 MICROSCOPEWhat do we measure? Each mass acceleration
ρ ρ ρ ρ
( )
N1 LEVEL = N0c + SF+alignment
1
Γmes ,is 2 Γmes ,c = Γmes ,is 2 + Γmes ,is1
2
ρ ρ ρ ρ
N2 LEVEL
Γmes ,is1 Γmes ,d =
1
2
(Γmes ,is 2 − Γmes ,is1 )
ρ ρ ρ
(
Γmes ,c ( fep) = Γresdf + C ) Reduced by drag-free & attitude control
or by construction
1
Γmes ,dx ( fep) = K1cx ⋅ δ ⋅ g x / sat Searched EP signal
2
t
K1cx ∆ x
1
+ η cz + θ cz ⋅ [T − In]⋅ ∆ y Impact of gravity gradient and s/c angular motion
2
η cy − θ cy ∆ z
t
K1dx
ρ ρ
(
+ η dz + θ dz ⋅ Γresdf + C ) Impact of residual acceleration through the difference
of 2 TM matching
η dy − θ dy
( )
+ 2 ⋅ K 2cxx ⋅ (Γapp ,dx + b1dx )⋅ Γresdf , x + C x − b0 cx
(( ))
Impact of non linear terms
) (
+ K 2 dxx ⋅ Γresdf , x + C x − b0cx + Γapp ,dx + b1dx
2 2
17 MICROSCOPE MEASURED CALIBRATED FOR CORRECTION CALIBRATED FOR VERIFICATION11th of May 2016 : Switch from Full Range Mode
to High Resolution Mode (HRM)
Acceleration of Xinner of SUEP
Seconds
S/C is in MNOG Cold Gaz Thrusters used First Swith on of HRM
Magnetotorquer Control in combination with SST (science mode).
Of the Attitude to Finely control S/C is rotating
the attitude of S/C. with a small conic motion
18 MICROSCOPEQuelques résultats préliminaires
• Accélération différentielle SUEP – session 218 (mars 2017) – 120 orbites
• FFT de l’accélération différentielle FFT une fois corrigée du gradient de gravité
∆x = (20.15 +/- 0.03) µm
∆z=(-5.69 +/- 0.03) µm
19 MICROSCOPEInertial pointing during 1 day
Orbital period
X axis of SUEP
DRAG ~ 2 10-8m/s²
Y axis of SUEP – Normal to the orbit
Photon pressure on s/c ~ 3 10-8m/s²
Z axis of SUEP
Effect of Earth’s eclipse: the Sun radiation is no more
pushing on the satellite => ~3 10-8m/s² is the acceleration due to photons
Pressure on satellite
20 MICROSCOPESession in spin V2 – SUREF – Earth’s gravity
effect subtracted
Spin V2 = 0.7 x 10-3Hz
Thermal noise
Resolution @ fep
/
~ 1.5 10
In good agreement with theory
f_ep
²
Theoretical gold wire
damping noise with
stiffness measured in Position capacitive
flight noise
21 CNES 6-7 of september 2017 – LISAPF / MICROSCOPE workshopThe commissioning phase results: Variations
of Temperatures in the SU & in the FEEU
Variations of temperature 2 orders of magnitude better than specified
No signal @ 15µK
level between each end of the test-masses
fEP
Radiometer or radiation pressure effect
∆%
Γ "# < 5 10-16m/s²
! %
&∆%
Γ # )* ' < 10-15m/s²
! '(
No signal @ 10µK level
fEP Thermal stability of parasitic forces
FFT of temperature probes
Sensitivity tests performed on May
2017, under analysis
fEP
No signal @ 10µK level
Thermal stability of electronics biases
Sensitivity tests performed on May
2017 => systematics of 0.7x10-15 m/s²
22 MICROSCOPEBilan T-SAGE au bout de 660 jours en orbites
• Malgré 3 anomalies sur des condensateurs (SUREF), les 2
doubles accéléromètres électrostatiques (SUEP et SUREF)
ont bien fonctionné
• Beaucoup de données scientifiques et techniques à dépouiller
finement pour améliorer le modèle instrumental
• Instrument très sensible (micro-débris ou craquement MLI-
revêtement du satellite + des vibrations de l’environnement
autour de 25-50Hz non compris)
• PRL 04/12/17, Touboul et al, donne une
différence d’accélération sur
X< 10-13m/s² @ fep
• Sur tous les axes perfos meilleures que
5 x10-14m/s² autour de 0.02 Hz sur 320 orbites
23 MICROSCOPELe scénario de fin de mission
• Fin des expériences scientifiques: 16 février 2018
10 000 000 sec de mesure cumulée disponible fin février 2018 pour le test
EP (SUEP)
Les étalonnages et les caractérisations ~ 60 sessions / SU réparties sur 1,5
ans
• Expérience Techno T-SAGE: Mars - Avril 2018
• Expérience Techno satellite + Aéronomie: Mai - Septembre 2018
• Passivation du satellite en septembre 2018
24 MICROSCOPEYou can also read
