Le modèle structurel et thermique de MetOp de deuxième génération lors des tests au centre de test ESTEC de l'ESA aux Pays-Bas au cours de l'été 2019. Crédit :ESA-SJM Photography
MetOp Second Generation (MetOp-SG) est un système de suivi des satellites MetOp à succès, dont le dernier s'est lancé sur son orbite polaire de 800 km en 2018.
MetOp-SG est la composante européenne du Joint Polar System, qui est une collaboration avec les États-Unis. Eumetsat, l'Organisation européenne pour l'exploitation des satellites météorologiques, exploite les satellites MetOp et est responsable du développement du segment sol du système et de la fourniture des données météorologiques à la communauté mondiale des utilisateurs. L'ESA est responsable de la conception et de la fabrication du segment spatial du système, les satellites eux-mêmes.
Pour cette campagne, l'élément de test n'était pas du matériel de vol mais une version prototype spécialement conçue pour les tests initiaux, connu sous le nom de modèle structurel et thermique (STM).
Ce premier satellite MetOp-SG, mesurant 6,5 m de haut et pesant 4,4 tonnes, propergol compris, a été secoué, choqué et placé dans un vide prolongé sous une lumière solaire simulée pour démontrer la qualification de la conception pour le lancement et la préparation pour l'espace.
La mission MetOp de deuxième génération est en fait composée de deux satellites différents, chacun avec différentes suites d'instruments à bord.
Pour MetOp Second Generation tester une version prototype spécialement construite, connu sous le nom de « modèle structurel et thermique » (STM). Cette STM MetOp-SG, mesurant 6,5 m de haut et pesant 4,4 tonnes, propergol compris, a été secoué, choqué et placé dans un vide prolongé sous la lumière du soleil simulée pour démontrer la qualification de la conception pour le lancement et la préparation pour l'espace. Crédit :ESA-SJM Photographie
"Notre STM est en fait un hybride de ces deux conceptions de satellites, " explique Nick Goody, l'ingénieur intégration et essais propulsion et assemblage de la mission.
"Les deux satellites ont une plate-forme commune, tandis que la STM est équipée des instruments de pointage nadir du satellite-A ainsi que des éléments de l'unité de charge utile du satellite-B, y compris les amplificateurs et les alimentations. Cette configuration hybride se traduit par la dissipation de masse et de puissance maximale pour le test STM, destiné à la qualification mécanique et thermique. Ces objectifs de qualification non couverts par la STM seront traités par les modèles de proto-vol SAT-A et SAT-B. »
La campagne d'essais a débuté sur le site toulousain d'Airbus Defence and Space en décembre 2018, où les unités factices, le matériel thermique et le harnais électrique ont été intégrés, ainsi que le module de propulsion fourni par l'usine d'Airbus à Stevenage, ROYAUME-UNI. Cela a été suivi par l'intégration des modèles de test des instruments et la réalisation de son harnais - le labyrinthe de câblage reliant tout ensemble - et son emballage isolant multicouche.
« Une campagne d'essais de micro-vibrations a été réalisée pour caractériser les fonctions de transfert entre les instruments et d'autres exportateurs de micro-vibrations comme les roues de réaction, ", a déclaré Enrico Corpaccioli, responsable de l'ingénierie des satellites MetOp-SG.
"Ces mesures nous permettent de mieux analyser les effets des micro-vibrations sur les instruments lors du fonctionnement du satellite lorsqu'il est en orbite. Des mesures d'alignement ont également été effectuées pour fournir une référence avant le début des tests environnementaux."
Le STM de MetOp Second Generation en cours de couplage avec son module de propulsion dans les installations toulousaines d'Airbus Defence and Space en décembre 2018. Crédit :Airbus D&S
Puis, en juin 2019, le STM a été transporté au centre d'essais ESTEC à Noordwijk. Le plus grand site de test de satellites en Europe, le centre est équipé d'installations pour simuler tous les aspects de l'environnement spatial sous un seul toit de salle blanche.
Ici, il a été déballé pour les tests de vibration. Il a ensuite été rempli de 760 kg d'eau déminéralisée, à la place du propergol hydrazine dont il sera alimenté avant le lancement, pour les tests sinusoïdaux le long de chaque axe, en subissant un balayage progressif des fréquences et des amplitudes pour rechercher les résonances structurelles potentiellement nocives.
« Des niveaux de qualification sont appliqués à la structure STM, " ajoute Nick, "ce qui signifie que les amplitudes sont nettement supérieures aux niveaux de vol attendus et que les durées sont plus longues afin de démontrer la marge nécessaire dans la conception."
Un essai de charge quasi-statique a également été réalisé. Les satellites sont exposés à des charges statiques et dynamiques simultanées pendant la phase de lancement en raison de l'accélération et de l'aérodynamique du lanceur. Ce test de charge quasi-statique combine les charges statiques et dynamiques en une charge équivalente qui est appliquée au satellite dans une salve sinusoïdale de haute amplitude pendant quelques secondes.
Un lancement de fusée est un événement extrêmement bruyant, MetOp-SG a donc été transféré à la Grande Installation Acoustique Européenne. Ici, l'azote est passé à travers des cornes acoustiques massives dans une chambre scellée, recréer le son d'un lancement.
Le STM de MetOp-SG a été transporté au centre d'essais de l'ESTEC dans un conteneur climatisé. Crédit :ESA
L'étape suivante était un « test d'ajustement » et un test de séparation, consistant à coupler le satellite avec un adaptateur lanceur fourni par Arianespace, de garantir que les deux conceptions s'emboîtent comme prévu et que l'anneau de fixation du satellite au lanceur - appelé collier de serrage - fonctionne correctement afin que la séparation puisse se produire sans problème.
Vient ensuite la phase de test thermique, qui a vu MetOp-SG s'installer dans le grand simulateur spatial, la plus grande enceinte à vide d'Europe, équipé d'un simulateur solaire basé sur un réseau de lampes à haute puissance.
Un certain nombre d'orbites ont été simulées dans diverses conditions chaudes et froides jusqu'à ce que la stabilité thermique soit atteinte dans des niveaux définis. Les résultats de ce test permettent une corrélation expérimentale du modèle thermique mathématique de l'engin spatial, utilisé pour vérifier la conception du contrôle thermique.
Les tests se sont terminés par d'autres tests d'alignement - pour vérifier que le modèle avait subi son régime de test sans déformation structurelle - et un contrôle des fuites impliquant le remplissage du module de propulsion avec de l'hélium gazeux.
« Cette campagne d'essais a fourni des données de qualification importantes, " ajoute Nick, "permettant la corrélation des modèles avec des données d'essais représentatives et confirmant l'analyse effectuée lors de la phase de conception. Le modèle thermique structurel a maintenant été transporté à Toulouse en France, où l'instrument modélise, le module de propulsion et les unités factices sont retirés.
STM de MetOp-SG sur l'agitateur électrodynamique, utilisé pour simuler les vibrations intenses d'un lancement spatial. En arrière-plan, on peut apercevoir une partie d'un autre satellite météorologique, avec le modèle structurel et thermique de l'instrument sondeur infrarouge de Meteosat de troisième génération dans le grand simulateur spatial. Crédit :ESA
Le modèle structurel et thématique de MetOp-SG est descendu dans le grand simulateur spatial de l'ESA, la plus grande enceinte à vide d'Europe, en amont des essais sous vide thermique durant l'été 2019. Crédit :ESA-SJM Photography
« La structure et le module de propulsion du satellite STM seront retournés à leurs fournisseurs pour remise à neuf, car ils sont destinés à être utilisés dans le deuxième modèle de vol de MetOp SG-A."
L'histoire de deux MetOp-SG
Le système MetOp-SG à deux satellites fournit des données de l'orbite polaire pour les prévisions météorologiques et la surveillance du climat et la suite d'instruments fournit des informations sur la chimie atmosphérique, qualité de l'air, océanographie, hydrologie, vent, glace de mer, profils de précipitations et de températures dans l'atmosphère.
MetOp SG-A héberge IASI-NG (Infrared Atmospheric Sounder Interferometer—New Generation) développé par l'agence spatiale française CNES; le radiomètre d'imagerie multispectrale avancé METimage développé par le Centre aérospatial allemand DLR; le Copernicus Sentinel-5 développé par l'ESA pour le sondage atmosphérique plus le MWS (Microwave Sounder) de l'ESA ; Instruments 3MI ((Multiview Multichannel Multipolarization Imager) et RO (Radio Occultation).
MetOp SG-B comprend les mêmes instruments RO que MetOp-SG-A plus le SCA (Scatterometer) développé par l'ESA, ICI (Ice Cloud Imager), MWI (MicroWave Imager) et le service de collecte de données Argos du CNES, la collecte d'informations à partir de bouées océaniques et d'un Space Environment Monitor contribué par Thales Alenia Space.
MetOp-SG devrait entrer en service en 2023.
