Télescope Spatial James Webb (JWST)

Il y a toujours une petite marge excédentaire de carburant prévue, mais la précision de la mise en orbite par Ariane 5, bien meilleure qu'attendue a permis de minimiser les deux petites poussées de correction de trajectoire qui étaient planifiées.
En conséquence, la durée de mission prévue de dix ans sera probablement étendue.
Rappelons que l'orbite halo autour du point L2 est naturellement instable et doit être en permanence corrigée par de minuscules poussées, jusqu'à épuisement du carburant.

Tout ceci n'est cependant qu'une hypothèse, plusieurs facteurs pouvant, par la suite, entrainer une surconsommation du carburant. Il sert à corriger la trajectoire mais aussi à affiner l'orientation de l'ensemble, en combinaison avec le panneau articulé qui fonctionne comme une voile solaire : situé à l'extrémité de la palette arrière il subit la pression de la lumière du Soleil et en l'orientant correctement on stabilise l'attitude générale du télescope un peu comme ferai le safran d'un gouvernail.
Cependant, si le JWST prend de plein fouet une "tempête" solaire, il peut dériver et alors les moteurs d'attitude devront prendre le relais. Dans ce cas les techniciens disposent de quelques dizaines de minutes entre la détection du vent solaire par les autres satellites situés entre l'étoile et la Terre, ce qui permettra d'anticiper la réaction à programmer.

Il est intéressant de savoir que sur sa trajectoire le JWST peut être accéléré mais pas freiné : pour le ralentir il faudrait l'orienter pour que les moteurs soient face à l'avant et l'écran solaire en feuilles de Kapton se retrouverait du mauvais côté, le Soleil chauffant alors les fragiles instruments. On a donc choisi de le lancer avec une vitesse légèrement inférieure à ce qui est nécessaire, puis de l'accélérer très délicatement avec les deux petites poussées indiquées plus haut. Ariane 5 a parfaitement accompli le job dans ce sens.

Une autre conséquence de l'excellence de la trajectoire : le panneau solaire reçoit plus d'énergie qu'anticipé.

_Bruno

Une autre étape cruciale franchie cette nuit avec le déploiement du miroir secondaire, au bout d'une structure pliée assez complexe.
En deux heures l'ensemble s'est déplié et verrouillé. C'était une opération délicate car les articulations étaient dans le froid glacial de l'Espace depuis une semaine, mais les systèmes de chauffage ont bien fait leur boulot.

Animation ici :

https://webb.nasa.gov/content/webbLaunch/assets/video/deploymentSteps/1k/WEBB_SMA_v3_1280_30fps_h264.mp4

Prochaine étape : déploiement d'un grand radiateur sur l'arrière du miroir qui permettra de contrôler et réguler la température pour éviter les déformations de celui-ci.
Il faut se souvenir qu'en l'absence d'air qui répartit la chaleur les parties à l'ombre sont à environ -200°C et les parties au soleil, juste à côté, sont à +125°C.
300° de différence sur quelques centimètres : il faut un système perfectionné de contrôle et répartition de la température pour éviter les dilatations différentielles qui détruiraient rapidement la structure et les instruments.

"C'est comme l’histoire de ce type qui s’est jeté d’un immeuble de dix étages. À chaque étage, les gens l’entendaient dire : « Jusqu’ici, ça va. Jusqu’ici, ça va. Jusqu’ici, ça va. »"

(Steve McQueen, Les Sept Mercenaires)
Donc, jusqu'ici ça va ... !

Bonjour Bruno,
MERCI BEAUCOUP pour tes explications extrêmement intéressantes !

Pierre66 a écrit:

"C'est comme l’histoire de ce type qui s’est jeté d’un immeuble de dix étages. À chaque étage, les gens l’entendaient dire : « Jusqu’ici, ça va. Jusqu’ici, ça va. Jusqu’ici, ça va. »"

Toute l'aventure spatiale est dans cette citation

Absolument cher Maître !

D'après la NASA, 75% des 344 "Potential Single-Point Failures" sont derrière eux.
Ce sont les étapes où le risque d'échec n'est pas négligeable... Jusqu'ici tout va bien.

Une petite info sur les opérations de mise en température :
Sur le JWST l'électronique doit être réchauffée et maintenue à une température raisonnable, idem pour les batteries au lithium. Mais les instruments qui vont observer dans l'infrarouge, eux, doivent être très froid, plus froid que la température des corps qu'ils vont observer.

De plus il faut prendre en compte les traces d'eau sur les détecteurs : cette bande d'eau est critique et définit à 99 % la séquence de refroidissement........

Le plus grand ennemi de tout détecteur de froid dans l'espace est la glace d'eau et vous n'en voulez pas (en quantité significative) sur les détecteurs en raison de son effet sur le signal, c'est-à-dire le signal-bruit.

Lorsque le satellite est lancé, il est un peu contaminé par l'eau en surface (pas beaucoup en raison des environnements contrôlés au sol), mais malheureusement, il peut y avoir beaucoup d'humidité dans certaines structures, en particulier dans les matériaux composites utilisés pour la résistance et le gain de poids.

Ainsi, dès que ces matériaux "humides" entrent dans le vide de l'espace, toute l'humidité commence à s'évacuer par capillarité et par évaporation (ce qui est une bonne chose). Elle se comporte comme un corps orbital, donc à moins qu'elle ne soit éjecté à grande vitesse, elle suivra généralement la même orbite que le satellite (ce qui peut être mauvais sur une orbite circulaire, moins pour L2). La pire chose qui puisse arriver est que la vapeur d'eau atteigne une surface froide dont la température est égale ou inférieure à celle de la bande d'eau. Si c'est le cas, elle gèle à la surface. C'est une mauvaise nouvelle pour ce type de mission, car les parties les plus froides sont généralement les détecteurs, de sorte que le risque d'accumulation de glace d'eau sur les détecteurs doit être minimisé.

Pour ce faire, il y a une "phase chaude" prolongée au début de la mission, jusqu'au 32e jour environ. Pendant ces 32 jours, des chauffages dédiés (ou chauffages de décontamination) sont allumés pour maintenir les parties sensibles au-dessus de la température de la glace de l'eau. La période est calculée, ainsi qu'une "analyse de décontamination", de manière à ce qu'une quantité suffisante d'eau embarquée soit évacuée/évaporée/dissipée dans l'espace et loin du satellite.

Aux alentours de Lancement+32 jours, les éléments chauffants sont éteints et les "parties froides" de la charge utile peuvent commencer à se refroidir en dessous de la température de la glace d'eau. Il s'agit d'une phase de "refroidissement passif".

À ce stade, le satellite n'est pas prêt pour la science et les cryo-refroidisseurs utilisés pour atteindre la température finale du détecteur ne sont pas nécessaires. Ils sont mis en marche vers le 80e jour, une fois que tout le reste est suffisamment refroidi passivement et que le satellite est proche de son orbite et de sa configuration opérationnelles finales. Cette phase de "refroidissement actif" permet de ramener les détecteurs à leur température de fonctionnement.
(source : NASA)

Bref, c'est vachement plus complexe que de refroidir ma tasse de thé à la température idéale...
_Bruno

de la part de Jeannet M
merci pour toutes ces infos car sur le net c'est plutôt diffuser au compte goutes !!
Affaire passionnante a suivre
Amitiés M JEANNET

Super tes explications, merci Bruno !

Cette nuit, déploiement réussi du radiateur spécialisé du JWST

Vers 8 h 48 HNE, un radiateur spécialisé nécessaire aux instruments scientifiques du JWST pour atteindre les températures de fonctionnement basses et stables requises a été déployé avec succès. Le radiateur d'instruments déployable à l'arrière, ou ADIR, est un grand panneau rectangulaire de 2.43 x 1.21m , composé de sous-panneaux d'aluminium de haute pureté recouverts de cellules alvéolaires peintes pour créer une surface ultra-noire. L'ADIR, qui s'écarte de l'arrière du télescope comme une trappe sur des charnières, est relié aux instruments par des sangles flexibles faites de feuilles d'aluminium de haute pureté. Le radiateur aspire la chaleur des instruments et la rejette par-dessus bord dans le froid extrême de l'espace lointain.

Le déploiement de l'ADIR - un processus qui libère un verrou pour permettre au panneau de se mettre en position - a pris environ 15 minutes.

La dernière série de déploiements majeurs de Webb devrait commencer demain, le 7 janvier, avec la rotation en position de la première des deux ailes du miroir primaire. La deuxième aile primaire - le dernier déploiement majeur de Webb - est prévu pour le samedi 8 janvier.

Animation ici :
https://webb.nasa.gov/content/webbLaunch/assets/video/deploymentSteps/1k/WEBB_Aft_Radiator_Deployment_1280_h264.mp4

Ouverture du miroir :
https://webb.nasa.gov/content/webbLaunch/assets/video/deploymentSteps/1k/WEBB_Pos_J2_Primary_Mirror_Wing_Deployment_1280_30fps_h264.mp4

Un schéma comparatif des miroirs d'Hubble, de JWST et du futur LUVOIR (Large Ultraviolet Optical Infrared) qui devrait succéder à JWST vers 2040 :



LUVOIR devrait aussi être envoyé vers L2.

_Bruno

A vu de nez je dirais que la surface de Luvoir sera environ 3 fois plus grande que le JWST, non ?

Pierre66 a écrit:

A vu de nez je dirais que la surface de Luvoir sera environ 3 fois plus grande que le JWST, non ?

Ici c'est le schéma du LUVOIR-A, le plus grand des deux projets, qui est donné pour un diamètre de 15m
https://en.wikipedia.org/wiki/Large_Ultraviolet_Optical_Infrared_Surveyor

Ben alors, je suis loin de compte parce que cela fait en fait 5,32 fois plus grand !
Une question cher Maître :
Si j'ai bien compris, les performances du JWST vont nous permettre de "voir" ce qu'il c'est passé quelques millions d'années après le big bang. Avec le LUVOIR qu'attendent donc nos scientifiques ?

Outre la capacité de voir des objets moins lumineux, c'est à dire plus éloignés, l'intérêt d'un grand télescope dans un milieu "propre" (pas pollution radio, lumineuse et de poussières) est d'avoir un meilleur pouvoir séparateur.
On pense pouvoir ainsi dissocier sur l'image une exoplanète de son étoile. jusqu'à présent on ne voit pas directement les 3 500+ exoplanètes découvertes mais on déduit leur présence et leur taille des perturbations lumineuses qu'elles provoquent en passant entre leur soleil et nous. De même on déduit leur masse des perturbations qu'elles engendrent sur la trajectoire de leur étoile.
Avec les miroirs comme ceux du JWST et du futur LUVOIR il est probable qu'on va enfin voir ces planètes individuellement et analyser plus finement leur composition (sol, atmosphère) en décomposant la lumière qu'elles nous renvoient. On le fait déjà, mais tout ça se mélange avec ce que nous envoie l'étoile.

Un bond énorme sera réalisé aussi avec la technique dite d'interférométrie d'intensité.
Si tu te rappelles tes cours d'optique de terminale... En optique, si on combine les images prises par deux miroirs éloignés, les interférences obtenues sont comme ce qu'on obtiendrait avec un seul miroir dont le diamètre serait égal à la distance entre les deux appareils. Attention, ce n'est pas une image, seulement des franges d'interférence, mais qui apportent une foule d'informations d'une précision incroyable.
Ainsi en 1920 on a pu mesurer avec précision le diamètre de l'étoile géante Bételgeuse (dans la constellation d'Orion, visible actuellement).
Imaginons donc deux prises de vue effectuées par le JWST de la même cible à 6 mois d'intervalle. La deuxième position du télescope se trouve donc à l'opposé de la première puisque la Terre a parcouru un demi-tour sur son orbite autour du Soleil.
Prenons pour simplifier une orbite de la Terre circulaire et de 150 millions de km de rayon. L'interférométrie permettra en théorie d'obtenir le pouvoir séparateur qu'on pourrait attendre d'un instrument unique d'un diamètre de ... 300 millions de km . Certes, il faut une synchronisation des signaux et des moments de prise de vue d'une précision fantastique (on doit même, il me semble, prendre en compte les effet de la Relativité), mais on commence à savoir le faire et le résultat en vaut la peine. Tu comprends donc mon excitation   

Enfin, en maintenant les détecteurs à très basse température (c'est plus facile là-haut) on peut explorer le domaine infrarouge qui lui aussi apporte son lot d'informations.
_Bruno

"Si tu te rappelles tes cours d'optique de terminale... En optique, si on combine les images prises par deux miroirs éloignés, les interférences obtenues sont comme ce qu'on obtiendrait avec un seul miroir dont le diamètre serait égal à la distance entre les deux appareils."
Si je me rappelle bien, c'est un peu le but du VLT au Chili, non ?

Pierre66 a écrit:

"Si tu te rappelles tes cours d'optique de terminale... En optique, si on combine les images prises par deux miroirs éloignés, les interférences obtenues sont comme ce qu'on obtiendrait avec un seul miroir dont le diamètre serait égal à la distance entre les deux appareils."
Si je me rappelle bien, c'est un peu le but du VLT au Chili, non ?

Aaaaahhhh, je vois que tu te rappelles bien

Bon je sais que ce sujet sort très largement du cadre de la marine, mais j'ai l'impression que nous ne sommes guère plus de 2 ou 3 sur ce post ... !

C'est pô grave : il y a des tas de sujets sur les vaisseaux Starwars, les blindés, les véhicules, les n'avions, les figurines...
C'est la beauté de ce forum : on a accès à plein de trucs en dehors de notre domaine de confort, alors il faut plutôt en profiter.

Effectivement !

Pierre66 a écrit:

Bon je sais que ce sujet sort très largement du cadre de la marine, mais j'ai l'impression que nous ne sommes guère plus de 2 ou 3 sur ce post ... !

Oui mais il y en a certainement d'autres qui lisent sans répondre.

Au passage, le JWST est désormais à plus d'un million de km de la Terre...encore quelques jours de patience.

Cette nuit le premier volet du miroir du télescope a été déplié et verrouillé en position avec succès.
Il reste l'autre volet et la phase de déploiement du satellite sera enfin complète.

Animation ici :
https://webb.nasa.gov/content/webbLaunch/assets/video/deploymentSteps/1k/WEBB_Pos_J2_Primary_Mirror_Wing_Deployment_1280_30fps_h264.mp4

L'engin a parcouru environ 74% de la distance vers l'orbite halo autour de L2. Sa vitesse a continé à diminuer pour tourner autour de 400m/s.
L'étape suivante sera une dernière poussée du moteur pour l'insérer dans cette orbite. Elle aura lieu dans 15 jours.

En attendant, l'ensemble prend lentement la température du milieu : le côté au soleil de son écran protecteur est déjà monté à 55°C alors que la face protégée reste entre -172 et -199°C.
Un différentiel de presque 250°C sur quelques centimètres : l'écran solaire est vraiment efficace !

_Bruno

"Un différentiel de presque 250°C sur quelques centimètres : l'écran solaire est vraiment efficace !"
Encore une prouesse technologique, bravo aux équipes qui ont travaillé sur le dossier depuis toutes ces années.

Pierre66 a écrit:

"Un différentiel de presque 250°C sur quelques centimètres : l'écran solaire est vraiment efficace !"
Encore une prouesse technologique, bravo aux équipes qui ont travaillé sur le dossier depuis toutes ces années.

Après, c'est moins difficile d'obtenir une telle performance dans l'espace que sur Terre. Je m'explique :
Sur Terre la chaleur se transmet par rayonnement sur le matériau,  conduction à travers le matériau et surtout convection par l'intermédiaire de l'air ambiant qui la répartit tout partout.
Dans le vide spatial la convection, qui est la part dominante dans la transmission de chaleur, est annulée vu qu'il n'y a plus d'air pour la transporter.

Restent le rayonnement qui est renvoyé par les propriétés réfléchissantes du Kapton et la conduction qui est minimale vu que ledit Kapton est constitué d'une épaisseur extrêmement fine, avec une masse très faible et qui ne peut donc pas emmagasiner beaucoup de chaleur.

Les astronautes qui sortent dans l'Espace sont soumis au même problème : le côté de leur combinaison dirigé vers le soleil est chauffé à plus de 100 degrés, le côté à l'ombre reste à -200. Pour ne pas qu'ils meurent rapidement d'un choc thermique ils portent un sous-vêtement dans lequel est inséré un réseau de tuyaux souples parcouru par un liquide caloporteur qui répartit la chaleur. Ce liquide circule grâce à la "petite usine de conditionnement" qu'ils portent sur le dos.

_Bruno

"Sur Terre la chaleur se transmet par rayonnement sur le matériau,  conduction à travers le matériau et surtout convection par l'intermédiaire de l'air ambiant qui la répartit tout partout."
Là tu fais appel à mes souvenirs de thermodynamique, qui n'était pas ma matière préférée !

Pierre66 a écrit:

"Sur Terre la chaleur se transmet par rayonnement sur le matériau,  conduction à travers le matériau et surtout convection par l'intermédiaire de l'air ambiant qui la répartit tout partout."
Là tu fais appel à mes souvenirs de thermodynamique, qui n'était pas ma matière préférée !

Pour moi, au contraire, j'avais adoré mais je reconnais que cela tenait beaucoup à la personnalité de mon prof qui était captivant...