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THÈSE pour obtenir le titre de Docteur en Sciences de l’Université de Provence

THÈSE pour obtenir le titre de Docteur en Sciences de l’Université de Provence Spécialité : Rayonnement et Plasmas présentée par Olivier LARDIÈRE _________ Contrôle des télescopes automatiques et des grands interféromètres stellaires terrestres et spatiaux : cas du télescope prototype OVLA à monture sphérique et optique active. _________ Soutenue le 16 juin 2000 à l’Observatoire de Haute-Provence, devant le jury composé de : M. Georges COURTÈS Examinateur M. Denis MOURARD Rapporteur M. Laurent KOECHLIN Rapporteur M. Antoine LABEYRIE Directeur de thèse M. Gérard LEMAÎTRE Président du Jury 2 3 Table des matières INTRODUCTION ........................................................................................................ 11 CHAPITRE 1............................................................................................................... 15 LE CONTRÔLE D’UN TÉLESCOPE AUTOMATIQUE .............................................. 15 1.1. Les composants d’un télescope automatique ................................................................................................15 1.1.1. Intérêt des télescopes automatiques............................................................................................................15 1.1.2. L’optique....................................................................................................................................................16 1.1.3. La monture .................................................................................................................................................17 1.1.4. L’entraînement sidéral................................................................................................................................21 1.1.5. La motorisation...........................................................................................................................................28 1.1.6. Le pointage.................................................................................................................................................30 1.1.7. L’informatique de contrôle.........................................................................................................................36 1.1.8. Conclusions sur les télescopes automatiques .............................................................................................39 1.2. Le contrôleur de télescope................................................................................................................................41 1.2.1. Présentation du contrôleur de télescope .....................................................................................................41 1.2.2. Description électronique.............................................................................................................................41 1.2.3. Le microcontrôleur.....................................................................................................................................45 1.2.4. Du côté du PC ............................................................................................................................................47 1.3. Applications et résultats..................................................................................................................................48 1.3.1. Configurations possibles ............................................................................................................................48 1.3.2. Télescope de 80 cm de l’OHP....................................................................................................................49 1.3.3. Télescope de 152 cm et optique adaptative................................................................................................50 1.3.4. Télescope Valméca.....................................................................................................................................51 1.3.5. Télescope Boule OVLA .............................................................................................................................52 CHAPITRE 2............................................................................................................... 53 LE CONTRÔLE DU TÉLESCOPE-BOULE OVLA..................................................... 53 2.1. Présentation du projet OVLA........................................................................................................................53 2.1.1. L’interféromètre OVLA .............................................................................................................................53 2.1.2. Objectifs scientifiques ................................................................................................................................54 2.1.3. Le télescope OVLA....................................................................................................................................55 2.1.4. Construction d’un télescope prototype OVLA :.........................................................................................57 4 2.2. Entraînement du télescope-boule OVLA ......................................................................................................58 2.2.1. Les galets d’entraînement...........................................................................................................................58 2.2.2. Calcul des vitesses d’entraînement.............................................................................................................63 2.2.3. Résultats .....................................................................................................................................................65 2.3. Pointage du télescope-boule OVLA ...............................................................................................................69 2.3.1. Codage par inclinomètre.............................................................................................................................69 2.3.2. Calcul de la position du télescope ..............................................................................................................70 2.3.3. Algorithme de pointage..............................................................................................................................71 2.3.4. Interface électronique de l’inclinomètre :...................................................................................................73 2.3.5. Résultats et améliorations futures...............................................................................................................73 2.3.6. Comptage des pas moteurs.........................................................................................................................74 2.4. Translation des télescopes OVLA ..................................................................................................................75 2.4.1. Positions des télescopes OVLA..................................................................................................................75 2.4.2. Vitesses des télescopes...............................................................................................................................76 2.4.3. Le translateur hexapode..............................................................................................................................80 2.4.4. Conclusions ................................................................................................................................................83 CHAPITRE 3............................................................................................................... 85 L’OPTIQUE ACTIVE OVLA........................................................................................ 85 3.1. Le miroir primaire du télescope prototype OVLA.......................................................................................85 3.2. Le barillet actif ................................................................................................................................................85 3.2.1. Support axial ..............................................................................................................................................87 3.2.2. Support latéral ............................................................................................................................................87 3.3. Électronique du barillet actif..........................................................................................................................89 3.4. Contrôle du miroir actif OVLA .....................................................................................................................90 3.4.1. Compensation de la composante axiale du poids .......................................................................................90 3.4.2. Analyse de front d’onde .............................................................................................................................94 3.4.3. Asservissement des actuateurs ...................................................................................................................98 3.4.4. Boucle d’asservissement complète.............................................................................................................98 3.5. Essais préliminaires en laboratoire..............................................................................................................101 3.6. Le contrôle thermique du miroir actif OVLA ............................................................................................104 3.6.1. Introduction..............................................................................................................................................104 3.6.2. Conditions thermiques d’un miroir de télescope......................................................................................104 3.6.3. Mesure du gradient thermique..................................................................................................................105 3.6.4. Déformations thermiques du miroir .........................................................................................................107 3.6.5. Remèdes possibles....................................................................................................................................108 3.6.6. Système de chauffage de la face optique du miroir actif OVLA..............................................................109 3.6.7. Essais et résultats......................................................................................................................................116 3.7. Vers une optique active thermique ? ...........................................................................................................117 3.8. Retombées technologiques de l’optique active OVLA ...............................................................................119 3.8.1. Vers des miroirs ultra-légers ....................................................................................................................119 3.8.2. Vers des miroirs mosaïques géants...........................................................................................................120 3.8.3. Vers des hyper-télescopes ........................................................................................................................120 5 CHAPITRE 4............................................................................................................. 121 PREMIÈRE LUMIÈRE ET AVENIR DU TÉLESCOPE PROTOTYPE OVLA ........... 121 4.1. Nécessité d’un télescope prototype...............................................................................................................121 4.2. Description générale du télescope................................................................................................................122 4.3. Structure du télescope...................................................................................................................................123 4.4. Support du miroir secondaire ......................................................................................................................124 4.5. Bloc caméra....................................................................................................................................................125 4.6. Système de contrôle.......................................................................................................................................126 4.7. Essais et observations....................................................................................................................................128 4.8. Avenir du télescope prototype OVLA .........................................................................................................130 4.8.1. Reprise des tests optiques à l’OHP...........................................................................................................130 4.8.2. Remplacement de la boule époxy par une boule en aluminium ...............................................................130 4.8.3. Vers GI3T….............................................................................................................................................131 4.8.4. Vers un interféromètre OVLA…..............................................................................................................132 CHAPITRE 5............................................................................................................. 133 PUPILLE DENSIFIÉE............................................................................................... 133 ET INTERFÉROMÈTRE OVLA HIÉRARCHISÉ....................................................... 133 5.1. Principe de la pupille densifiée.....................................................................................................................133 5.1.1. Introduction..............................................................................................................................................133 5.1.2. Point de vue optique.................................................................................................................................134 5.2. Premières images du ciel issues d’un hyper-télescope................................................................................135 5.3. Les hypertélescopes du futur :......................................................................................................................137 5.4. OVLA est-il un hypertélescope ?..................................................................................................................138 5.4.1. Sur l’importance de la forme de la pupille ...............................................................................................138 5.4.2. Vers un OVLA hiérarchisé.......................................................................................................................140 5.4.3. Vers des interféromètres toujours plus grands..........................................................................................141 5.5. Conclusions ....................................................................................................................................................144 6 CHAPITRE 6............................................................................................................. 147 CONTRÔLE D’UN INTERFÉROMÈTRE SPATIAL PAR VOILES SOLAIRES........ 147 6.1. Interféromètres et hypertélescopes spatiaux...............................................................................................147 6.1.1. Présentation ..............................................................................................................................................147 6.2. Contraintes sur le mouvement des free-flyers .............................................................................................150 6.2.1. Accélérations nécessaires.........................................................................................................................150 6.2.2. Redressement passif des voiles solaires ...................................................................................................151 6.3. Dynamique de la pression de radiation .......................................................................................................152 6.4. Contrôle du positionnement et de l’attitude du satellite ............................................................................153 6.4.1. Calcul des forces et des moments.............................................................................................................153 6.4.2. Choix des axes du miroir focal.................................................................................................................158 6.5. Redressement passif ......................................................................................................................................159 6.5.1. Condition d’équilibre et de redressement.................................................................................................159 6.5.2. Empennage solaire ...................................................................................................................................160 6.5.3. Voile en trièdre ou conique : ....................................................................................................................160 6.5.4. Cas de 3 voiles paraboliques hors d’axe :.................................................................................................161 6.5.5. Oscillations en régime libre......................................................................................................................163 6.5.6. Amortissement actif .................................................................................................................................164 6.5.7. Application numérique.............................................................................................................................165 6.6. Conclusions ....................................................................................................................................................166 CHAPITRE 7............................................................................................................. 167 OBSERVATIONS DE LA COMÈTE HALE-BOPP ................................................... 167 7.1. Introduction...................................................................................................................................................167 7.2. Comètes et haute-resolution angulaire ........................................................................................................168 CHAPITRE 8............................................................................................................. 175 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ..................................................................... 175 8.1. Le contrôleur de télescope..............................................................................................................................175 8.2. Le télescope prototype OVLA......................................................................................................................175 8.3. Vers les grands interféromètres… ...............................................................................................................176 7 ANNEXE A : LES MOTEURS D’ENTRAÎNEMENT ................................................. 179 ANNEXE B : LES CODEURS .................................................................................. 185 ANNEXE C : LE CONTRÔLEUR DE TÉLESCOPE................................................. 193 ANNEXE D : VITESSES D’ENTRAÎNEMENT DU TÉLESCOPE OVLA.................. 199 ANNEXE E : LE MIROIR ACTIF OVLA : UN DÉTECTEUR DE NÉBULOSITÉ ? ... 213 LISTE DES PUBLICATIONS.................................................................................... 215 BIBLIOGRAPHIE ..................................................................................................... 217 8 Tables des figures Figure 1: Différentes montures de télescope............................................................................................................19 Figure 2 : Axes principaux de différentes montures de télescope............................................................................24 Figure 3 : Boucle de pointage universelle ...............................................................................................................31 Figure 4 : Coordonnées azimutales. ........................................................................................................................33 Figure 6 : Pointages loxodromiques et orthodromiques..........................................................................................35 Figure 7 : Architecture proposée pour le contrôle d’un télescope automatique......................................................42 Figure 9 : Carte « entraînement » ...........................................................................................................................42 Figure 10 : Schéma électronique du « contrôleur de télescope » réalisé à base de circuits FPGA ........................44 Figure 11 : Organigramme du programme du microcontrôleur 8 bits 80C537. .....................................................46 Figure 12 : Exemple de fenêtre de dialogue du logiciel de contrôle développé sous Linux. ...................................47 Figure 13 : Exemples d’applications du contrôleur de télescope ............................................................................49 Figure 14 : Télescope de 80 cm de l’OHP...............................................................................................................50 Figure 15 : Télescope VALMECA sur lequel notre entraînement a été testé...........................................................52 Figure 16 : Positionnement des 27 télescopes OVLA ..............................................................................................54 Figure 17 : Version lunaire d’un télescope OVLA se déplaçant à l’aide de 6 pattes (vue d’artiste).......................56 Figure 18 : Caractéristiques générales et vue réaliste d’un télescope-boule OVLA. ..............................................56 Figure 19 : Galet d’entraînement du télescope prototype OVLA.............................................................................61 Figure 19 : Conflit de vitesse entre les tonnelets inférieurs et supérieurs d’un galet..............................................61 Figure 20 : Position de l’axe de rotation instantanée du télescope-boule OVLA....................................................62 Figure 21 : Erreur de suivi (”) pour une période d’échantillonnage des vitesses moteurs de 10s..........................64 Figure 22 : Erreur de suivi pour l’orientation la plus défavorable .........................................................................64 Figure 23 : Le télescope-boule prêt pour les premiers essais de guidage automatique en janvier 1998. ...............67 Figure 25 : Position d’une étoile-guide pendant un suivi sidéral effectué en boucle ouverte..................................67 Figure 25 :Séquence de guidage automatique de 15 minutes sur l’étoile Aldébaran, le 25/01/1998......................68 Figure 26 : Histogramme des erreurs de guidage ...................................................................................................68 Figure 27 : Angles X et Y fournis par un inclinomètre double-axe..........................................................................71 Figure 28 : Paramètres de l’ellipse contenant les télescopes d’un interféromètre..................................................76 Figure 29 : Position des télescopes conservant l’orientation de la pupille d’entrée...............................................78 Figure 30: Trajectoires et vitesses de translation de quelques télescopes OVLA....................................................79 Figure 31 : Facteurs d’atténuation du contraste des franges..................................................................................81 Figure 32 : Translateurs à 6 pattes pendulaires pour OVLA...................................................................................82 Figure 33 : Structure du barillet actif supportant le miroir primaire de 1,5 m du télescope OVLA........................86 Figure 34 : Schéma de principe d’un des 29 actuateurs portant le miroir actif OVLA.. .........................................88 Figure 35 : Barillet actif équipé des leviers à contrepoids ......................................................................................89 Figure 36 : Schéma électronique d’un actuateur supportant le miroir actif OVLA.................................................90 Figure 37 : Angles permettant le calcul de la distance zénithale « vraie » zi de l’actuateur i.................................92 Figure 38 : Azimut de la ligne de plus grande pente................................................................................................93 Figure 39 : Évolution de dcosZ/dH et de dP(i,Z)/dH...............................................................................................93 Figure 40 : Carte de |dcosZ/dH| en fonction de H et δ pour la zone de ciel observable. ........................................93 Figure 41 : Principe du senseur de courbure. .........................................................................................................96 Figure 42 : Senseur de courbure utilisé pour l’analyseur de front d’onde du télescope OVLA ..............................97 Figure 43 : Ensemble optique du bloc caméra du télescope OVLA.........................................................................97 Figure 44 : Organigramme de la boucle d’asservissement du miroir actif OVLA.................................................100 Figure 45 : Images intra et extrafocales................................................................................................................100 Figure 46 : Fenêtre du logiciel ACTIVA permettant le contrôle des 29 actuateurs du barillet actif OVLA..........101 Figure 47 : Vue du miroir actif de 1.5 m lors des premiers tests optiques.............................................................103 Figure 48 : Décroissance de l’astigmatisme (Z5 et Z6) durant un cycle de corrections actives du miroir OVLA.103 Figure 49 : Conditions thermiques d’un miroir de télescope.................................................................................105 Figure 50 : Ecart moyen de température mesuré entre le dos et la face du miroir actif OVLA.............................106 Figure 51 : Profil radial du miroir actif M1 OVLA calculé par éléments finis......................................................107 Figure 52 : Lignes de potentiel électrique générées par un ensemble d’électrodes. .............................................111 9 Figure 53 : Miroir actif OVLA équipé de son système d’électrodes.. ....................................................................113 Figure 54 : Composition d’une électrode.. ............................................................................................................113 Figure 55 : Electronique de contrôle des électrodes. ............................................................................................115 Figure 56 : Ecran de contrôle des températures du miroir actif OVLA.................................................................115 Figure 57 : Systèmes de ventilation du miroir actif uploads/Management/ these-lardiere.pdf