Sondes spatiales
Instruments scientifiques
Sur de trop nombreux sites décrivants des missions spatiales et des sondes, on vous déverse de
façon fort abrupte une liste de noms parfois barbares d'instruments, en assumant bien souvent
que vous savez (évidemment) à quoi ces instruments servent et surtout comment ils fonctionnent.
C'est pour tenter de réparer cette lacune que je vous décris dans cette page les principaux
instruments utilisés dans les différentes missions spatiales d'exploration de Mercure, avec leur
principe de fonctionnement.
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Le principe de fonctionnement de cet appareil est simple: Un générateur d'impulsions électriques
commande une diode semi-conductrice d'émission laser (souvent dans l'infrarouge). Le faisceau
laser est focalisé par une lentille, émis vers la surface dont on mesure la distance, et
réfléchi. Le faisceau réfléchi (l'écho) est
reçu par une diode photoélectrique en réception. L'intervalle de temps entre signal émis et
signal reçu est alors traité par un calculateur interne qui fournit les données déduites.
La fréquence des impulsions peut varier de quelques dizaines de Hz à quelques dizaines de kHz.
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© RIEGL laser measurement systems |
La fréquence des impulsions, la longueur d'onde du faisceau laser, seront déterminés par la
nature de la surface explorée ainsi que les conditions du milieu traversé (lorsqu'il y a une
atmosphère par exemple). La précision obtenue est de l'ordre de grandeur du cm.
Une caméra CCD (pour Charged Coupled Device), est un appareil
photographique (le terme caméra est ici utilisé dans son acception anglaise) électronique,
très similaire aux modernes appareils photos numériques maintenant couramment utilisés.
La surface sensible, appelée matrice, est composée de pixels photosensibles. Chaque pixel
transforme la lumière qu'il reçoit en courant électrique, un micro-calculateur incorporé
intègre l'ensemble des courants électriques de tous les points sensibles de la matrice et les
traduit en données numériques. Les temps de pause peuvent être longs, dans la mesure où la
caméra reste fixe par rapport au champ observé, ce qui permet des prises de vues d'objets peu
lumineux. Le résultat est un cliché numérique, donc envoyable tel quel à la station au sol et/ou
manipulable par toutes sortes de transformations (élimination du "bruit", couleurs artificielles,
travail sur le contraste, sur les bordures etc.).
Magnétomètre piezorésistif © ESIEE-Sextant Avionique
Le magnétomètre permet de mesurer le champ magnétique environnant. Il existe de nombreuses
sortes de magnétomètres. Celui indiqué sur la figure ci-dessus, conçu par l'ESIEE en
coopération avec la division Navigation de Sextant Avionique, est un magnétomètre piézorésistif.
Il est constitué d'une poutre flexible encastrée dans un support rigide, sur laquelle on a
construit un pont de jauges piézorésistives (c'est à dire mesurant une courbure due à un effort
de flexion via la variation de résistivité engendrée par cette flexion). En présence d'un champ
magnétique longitudinal B, une force magnétique (appelée force de Laplace) s'exerce alors sur
la poutre, la déforme, et ces déformations sont mesurées par les jauges. Ce dispositif, d'un
encombrement très réduit, breveté en 1990, permet de mesurer un champ axial avec une très
grande précision.
De façon générale, un magnétomètre classique comprend un dispositif qui se déforme sous l'action d'un
champ magnétique (soit parce que le dispositif contient un aimant, soit parce qu'on fait passer
un courant électrique à travers lui, ce qui le rend sensible et déformable à un champ magnétique),
et un dispositif de capture/mesure de cette déformation.
On peut mesurer ainsi l'intensité d'un champ magnétique axial. Certains magnétomètres plus
sophistiqués peuvent mesurer un champ global selon ses 3 axes X, y et z. On parle alors de
magnétomètre triaxial.
D'autres types de magnétomètres modernes utilisent d'aures effets, électroniques, optiques
ou quantiques. (magnétomètre à cellules à effet Hall, magnétomètre à protons, magnétomètre dit
flux gate, magnétomètre search coil ...
On saura tout sur les magnétomètres en consultant ce
site
Un séismomètre - alias sismomètre ou sismographe - est un dispositif mesurant l'activité
sismique d'un sol; il comprend un capteur mécanique, un amplificateur, et un système de traduction,
analyse, enregistrement et/ou transmission des données.
Sismomètre horizontal © EOST
Sismomètre vertical © EOST
Le sismomètre se compose d'une masse dotée d'inertie, et d'un bâti. Celui-ci sera solidaire
du sol et va donc bouger avec les mouvements sismiques. La masse non solidaire est tributaire
de son inertie. Il y aura donc un mouvement relatif entre le bâti et la masse, qui sera
détecté, amplifié et mesuré. Par ailleurs, un dispositif d'amortissement permettra d'étouffer
ce mouvement relatif lorsque les oscillations du sol auront cessé (sinon, le bâti risquerait de
continuer à bouger alors que le séisme est terminé !).
Le sol pouvant bouger selon les 3 axes x, y et z, il sera nécessaire d'avoir 3 sismomètres, l'un
vertical et les deux autres horizontaux et orthogonaux. Il existe maintenant des sismomètres
triaxiaux capables de mesurer l'ensemble des 3 composantes.
Enfin, un sismomètre peut être à courte période, c'est à dire mesurer des oscillations
sur 0.1 à 2 secondes, ou bien longue période pour mesurer des oscillations de 2 secondes
à plusieurs minutes.
Pour tout savoir sur séismes, magnitudes, intensités, et sismographes, on ira voir le
site de l'EOST de Strasbourg.
Un spectromètre est un dispositif susceptible à la fois de compter des particules (ou de
mesurer l'intensité d'un rayonnement, qui est en fait le nombre de photons par seconde pour
une surface donnée), et de déterminer leur répartition énergétique, qu'on appelle aussi le
spectre, c'est à dire combien de particules sont reçues ayant une énergie dans une
certaine tranche (ou, pour un rayonnement, son intensité à une longueur d'onde donnée).
Il existe plusieurs sortes de spectromètres.
Le spectromètre alpha mesure les particules alpha, leur fréquence et leur répartition
énergétique. Une particule alpha est en fait un noyau d'Hélium, ensemble stable composé de 2
protons et de 2 neutrons. Ces particules chargées sont une composante importante du vent
solaire, on les trouve également dans la haute atmosphère et la magnétosphère d'une planète.
Le spectromètre Gamma détecte des rayonnements gamma de haute énergie et permet de
déterminer le profil amplitude-fréquence de ce rayonnement, à l'endroit où se trouve le
détecteur. Le rayonnement gamma est un constituant du rayonnement cosmique, c'est aussi un
marqueur de transitions nucléaires (chagements d'états énergétiques) des noyaux atomiques. Le
bombardement de la surface d'une planète par le rayonnement cosmique provoque des interactions de
celui-ci avec les noyaux des constituants de la surface - sur une faible profondeur de l'ordre de
la dizaine de cm -, l'on obtient en retour un rayonnement montrant des raies d'absorption aux
transitions correspondantes noyaux d'atomes constituant ladite couche de surface.
On trouvera de la même façon des spectromètres X, des spectromètres UV, et des
spectromètres Infrarouges, travaillant dans les différents domaines de fréquences
correspondantes, et donc capables de détecter l'existence et de mesurer l'abondance
d'éléments différents. Ainsi, un spectromètre X détectera les éléments Mg, Al, Si, Ca, Fe, Ti;
un spectromètre Gamma les éléments Th, K, Fe, Ti.
Le spectromètre à neutrons (parfois appelé détecteur de neutrons)
effectue quant à lui un comptage de neutrons et trace un
spectre d'énergie correspondant. Pareillement au spectromètre gamma, il permet d'analyser les
neutrons en provenance de la surface, générés par interaction de la matière de surface avec le
rayonnement dur, cosmique en particulier. C'est en particulier un excellent marqueur pour l'eau
sous forme de glace.
© Benoit Compte - 2003
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