Technologie MIM

Support d'isolation contre les vibrations en microgravité

À faibles fréquences (< 0,01 Hertz), les plates-formes spatiales comme la navette, la station orbitale Mir et la Station spatiale internationale (ISS) offrent des conditions uniques proches de celles de la chute libre (10-6 g) qui peuvent être mises à profit pour la conduite d'expériences en sciences des matériaux, en physique des fluides et en croissance de cristaux. Les expériences menées à bord de Mir et de la navette ont toutefois permis de constater qu'elles étaient pour la plupart considérablement perturbées par les niveaux de vibration auxquels sont soumises ces plates-formes spatiales. Les vibrations sont induites par les activités et les opérations de bord, notamment par les systèmes de contrôle d'attitude, de régulation thermique, de conditionnement d'air et d'alimentation énergétique, par les activités de l'équipage de même que par les expériences proprement dites. Les niveaux de vibration sont amplifiés par la dynamique structurale de l'engin spatial qui entraîne des vibrations caractérisées par des accélérations de l'ordre du milli-g (10-3 g). À bord de la navette, les niveaux de vibration supérieurs à 0,01 Hz peuvent dépasser des valeurs efficaces de plusieurs centaines de micro-g (10-4 g), les crêtes atteignant souvent des niveaux de l'ordre du milli-g (10-3 g). Ces niveaux d'accélération sont suffisants pour causer des perturbations appréciables aux expériences menées en microgravité, surtout celles qui comportent des phases fluides comme c'est souvent le cas en sciences des matériaux.

Le Support d'isolation contre les vibrations en microgravité (MIM) a été conçu pour isoler de manière active les expériences contre les vibrations haute fréquence (> 0,01 Hz) induites à bord de la navette, de Mir et de l'ISS. Depuis le début des années 1990, le Canada a développé quatre générations de ce support d'isolation contre les vibrations devenant par le fait même un chef de file dans le domaine.

Après les expériences MIM-1 à bord de la station spatiale MIR et les expériences MIM-2 réalisées à bord de la navette, une troisième génération, la Base MIM, destinée à voler à bord de la ISS, est en développement. Le PSM est de plus à mettre au point une autre génération nommée MVIS. Cette dernière devra s'insérer à bord du Laboratoire des sciences des fluides de l'Agence spatiale Européenne (ESA) sur la Station spatiale internationale. Voici un aperçu des missions MIM antérieures.

Missions MIM antérieures

Le MIM-1 à bord de Mir

MIM-1 on Mir

Le premier appareil MIM a été lancé dans le module laboratoire Priroda qui s'est amarré à la station orbitale russe Mir en avril 1996.

Le système a été exploité à bord de Mir de 1996 à 1998, accumulant ainsi plus de 3 000 heures d'utilisation à l'appui des expériences suivantes :

  • nucléation dans les verres
  • transport de particules
  • recristallisation dans les semi-conducteurs
  • diffusion dans les métaux liquides.

MIM-1 installé à bord de la station orbitale Mir

Photo du MIM-1
Photo du MIM-1

MIM-1 à bord du module Priroda de 1996 à 1998

Le MIM-2 et la mission STS-85

Une version perfectionnée du système (MIM-2) a été embarquée à bord de la navette dans le cadre de la mission STS-85 en août 1997 et a été utilisée par l'astronaute canadien Bjarni Tryggvason. La principale amélioration du MIM-2 par rapport au MIM d'origine réside dans la conception des composants électroniques et des actionneurs électromagnétiques.

L'astronaute canadien Bjarni Tryggvason faisant fonctionner le MIM-2 dans le cadre de la mission STS-85

MIM-2

Le MIM-2 au cours de la mission STS-85 – résumé

  • Le MIM-2 a démontré sa capacité d'isoler jusqu'à 0,3 Hertz.
  • Le MIM-2 a démontré sa capacité d'assurer une isolation efficace contre les vibrations de l'engin spatial et d'assurer des mouvements asservis bien contrôlés pour les expériences montées dans l'appareil.

Isolation contre les vibrations – résultats obtenus avec le MIM-2

Le graphique ci-dessous illustre un exemple des accélérations mesurées par les accéléromètres montés sur le stator (non isolé) et sur le flotteur (isolé) du MIM-2 au cours de la mission STS-85 de la navette. Les accélérations ont été filtrées au moyen d'un filtre passe-bas de 100 Hz et échantillonnées à raison de 1 000 fois par seconde. Les traces temps ont donc des composantes fréquentielles jusqu'à 100 Hz. Le contrôleur du MIM-2 a été réglé de manière à assurer une isolation au-delà d'une fréquence de coupure de 2 Hz pour cette série de mesures.

Le graphique ci-dessous illustre les accélérations du flotteur à une échelle 60 fois plus sensible. Comme on peut le voir, le MIM atténue considérablement les niveaux de vibration. Au cours de cette série de mesures, le MIM a permis d'atténuer à moins de 50 micro-g sur le flotteur des accélérations de crête de 2 000 micro-g subies par la navette.

Le graphique ci-dessous illustre les densités spectrales de puissance pour des accélérations mesurées avec le contrôleur du MIM-2 réglé de manière à assurer une isolation au-delà de 0,3 Hz. L'atténuation des vibrations est évidente dans la séparation entre les densités spectrales du flotteur et les accélérations du stator. La ligne noire indique les spécifications courantes de l'ISS pour les bâtis isolés. Il est à noter que les niveaux d'accélération à bord de la navette sont généralement inférieurs à ces valeurs.

Le graphique ci-dessous illustre la fonction de transfert entre les accélérations du stator et du flotteur. L'atténuation globale jusqu'à une fréquence de 100 Hz était de l'ordre de 50:1. À noter que l'augmentation apparente dans la fonction de transfert au-delà de 100 Hz est un artéfact associé à l'atteinte du plancher de bruit du matériel électronique étant donné que les signaux sont atténués au-delà de 100 Hz à l'aide de filtres passe-bas d'ordre élevé. Autour de 20 Hz, les niveaux d'accélération du flotteur ont été réduits au plancher de bruit (0,1 m g2/Hz) des accéléromètres. La fonction de transfert modèle indique une bonne concordance avec les fonctions de transfert mesurées jusqu'aux fréquences auxquelles le plancher de bruit des accéléromètres est atteint.

Les résultats obtenus avec le MIM à bord de la station Mir et ceux du MIM embarqué à bord de la navette lors de la mission STS-85 ont clairement démontré la capacité qu'ont les systèmes d'atténuer les vibrations. Le MIM est un outil unique et utile permettant de fournir des conditions de microgravité pour une vaste gamme d'expériences en sciences des matériaux, en croissance des cristaux et en physique des fluides notamment.

À la suite des résultats obtenus dans le cadre de la mission STS-85, les modèles du système MIM-2 ont été affinés et ont servi à prévoir le meilleur rendement pouvant être attendu en orbite. La figure ci-dessous illustre la fonction de transfert d'isolation prévue pour une fréquence de coupure à 0,02 Hz.

Pour en connaître davantage sur les autres générations du MIM développées par les sciences en microgravité, consultez les liens suivants :