Sous-système d'isolation contre les vibrations en microgravité (MVIS)

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La mise sur pied du projet MVIS s'est entamée en 1998 avec une entente de collaboration entre l'Agence spatiale canadienne (ASC) et l'Agence spatiale européenne (ESA). En effet, l'ESA a donné le mandat à l'ASC d'adapter le Support d'isolation contre les vibrations en microgravité (MIM) de façon à ce qu'il puisse être utilisé avec le Laboratoire des sciences des fluides (FSL) à bord de la Station spatiale internationale (ISS). Le but de cette opération était d'isoler l'élément central (Facility Core Element) du Laboratoire des sciences des fluides contre les vibrations retrouvées à bord de la Station spatiale.



Lancement

Le Canada protège les expériences spatiales des secousses et des vibrations

Photo du MVIS

Sous-système d'isolation contre les vibrations en microgravité (MVIS) (Source : ASC)

Lorsque nous voyons les astronautes flotter librement à l'intérieur de la Station spatiale internationale (ISS), nous pourrions être portés à croire qu'ils évoluent dans un environnement calme et silencieux. Or, la réalité est tout autre : il y a beaucoup de bruit et de vibration à l'intérieur de la station. Les systèmes de ventilation, l'amarrage d'engins spatiaux et même le travail des astronautes font parfois vibrer le complexe de recherche orbital. Bien qu'elles n'incommodent pas vraiment les astronautes, ces vibrations peuvent nuire aux expériences scientifiques vouées à l'étude des effets de la microgravité.

Une solution canadienne

Le Canada a élaboré le MVIS, une technologie clé permettant d'éviter que les expériences subissent les effets nuisibles des vibrations. Lorsque les membres d'équipage de la mission STS-122 (anglais seulement) auront livré le MVIS, les expériences qui seront menées à bord de la station, comme celles qui portent sur l'écoulement des fluides, la croissance de cristaux et le développement d'alliages métalliques, ne seront plus soumises aux secousses et aux vibrations. Ce système permettra au Laboratoire sur la science des fluides (anglais seulement) de l'Agence spatiale européenne (ESA) de se soustraire aux vibrations et aux tremblements qui surviennent quotidiennement à bord de la station spatiale. Le bâti du Laboratoire sur la science des fluides, dont la taille s'apparente à celle d'un réfrigérateur, est intégré au module Columbus (anglais seulement) de l'ESA. C'est dans ce module que seront réalisées les délicates expériences scientifiques.

Le sous-système d'isolation contre les vibrations en microgravité a été élaboré par l'Agence spatiale canadienne (ASC) en collaboration avec Magellan Aerospace (Bristol Aerospace Limited) de Winnipeg, MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. (MDA) de Ste-Anne-de-Bellevue, au Québec (anciennement EMS Technologies), SENER d'Espagne, l'école de technologie supérieure de Montréal et l'ESA.

Photo de la préparation du MVIS

Préparation du MVIS dans les installations du Laboratoire David-Florida (LDF) de l'ASC en vue de son lancement. (Source : ASC)

Suspension magnétique

Le MVIS est un système de contrôle compact intégré au Laboratoire sur la science des fluides. Il fait appel à un champ magnétique pour maintenir en suspension un contenant de dimensions semblables à celles d'une boîte à pain à l'intérieur duquel sont effectuées des expériences scientifiques. Des capteurs et un ordinateur de bord surveillent et contrôlent la position du contenant afin de s'assurer qu'il flotte à l'intérieur de paramètres acceptables pour l'expérience. De cette façon, les vibrations ne sont pas transmises au contenant.

Une technologie évoluée

Au fil des ans, l'exploitation de la navette spatiale, de la station orbitale Mir et de l'ISS a appris aux chercheurs que les vibrations inhérentes aux engins spatiaux peuvent nuire à la réalisation d'expériences cruciales en physique des fluides et en sciences des matériaux. La rotation des panneaux solaires et des antennes, l'ouverture et la fermeture des tiroirs, le fonctionnement des moteurs et même l'entraînement physique des astronautes sur les tapis roulant sont toutes des activités qui contribuent à faire vibrer la station spatiale. Pour bien comprendre l'incidence de la pesanteur sur certaines expériences, il est primordial d'atténuer le plus possible les effets de ces vibrations.

En 1996, l'ASC a entrepris le développement d'une version du système d'isolation contre les vibrations utilisé pendant deux ans à bord de la station spatiale Mir. Une deuxième génération de ce système a été exploitée par l'astronaute canadien Bjarni Tryggvason dans le cadre de la mission STS-85 qui a eu lieu en 1997. La troisième génération du MVIS pourrait contribuer à démystifier certaines des lois fondamentales de la nature dès le début de 2008. Une série d'expériences seront réalisées afin de tenter de comprendre le rôle de la pesanteur dans le processus d'évaporation de l'eau, ce qui pourrait déboucher sur la mise au point de processus de distillation plus écoénergétiques sur Terre. Des physiciens et des chimistes des quatre coins du globe pourront tirer profit de l'environnement fourni par le MVIS à l'intérieur du Laboratoire sur la science des fluides à bord de la station spatiale, et ce, pour les dix prochaines années au moins.

Technologie

Technologie MIM

Figure 1 : Photo du MIM-2

Le support d'isolation contre les vibrations en microgravité (MIM) est un système de lévitation magnétique à six degrés de liberté conçu pour isoler les expériences d'accélérations vibratoires (>0.01 Hz) sur la navette spatiale, Mir et la Station spatiale internationale (ISS). MIM a été utilisé sur la station spatiale Mir de mai 1996 à janvier 1998. Une seconde génération de MIM, connue sous le nom de MIM-2, a volé à bord de la navette spatiale lors de la mission STS-85 en août 1997. Une photo de MIM-2 est présentée à la figure 1. MVIS est la troisième génération de MIM.

Laboratoire Columbus

Figure 2 : Module laboratoire Columbus (COF)

Figure 3 : ISPR logeant dans le laboratoire Columbus

Le Laboratoire des sciences des fluides fera partie du Module laboratoire Columbus (COF) développé par l'Agence spatiale européenne (ESA) (Figure 2). Le COF est un immense laboratoire de forme cylindrique qui atteint 4,5 mètres de diamètre et 6,7 mètres de longueur.

Columbus peut loger jusqu'à 10 bâtis modulaires et interchangeables (International Standard Payload Rack, voir image ci-bas). Chacun de ces bâtis peut abriter 700 kg de matériel et d'équipement scientifique.

Description du Laboratoire des sciences des fluides (FSL)

Le FSL, illustré à la figure 4, est conçu pour contenir des Récipients expérimentaux Experiment containers (ECs) qui seront adaptés à chaque expérience. Un Récipient expérimental est aussi installé à l'intérieur du Élément central (FCE) où il reçoit les services d'alimentation électrique, de télécommande et de transmission de données.

À l'intérieur du FCE se trouvent des instruments de diagnostique optique permettant d'observer un système de fluides à l'intérieur des récipients expérimentaux. Les outils de diagnostique optique incluent l'holographie (procédé photographique pour la production d'images à trois dimensions), des interféromètres, Electronic Speckle Pattern Interferometer (ESPI) et de la thermographie à caméra infrarouge. Les images vidéos provenant de ces instruments sont enregistrées par des systèmes installés à l'intérieur du FSL, mais à l'extérieur du FCE.

Élément central (FCE)

Figure 5 : Vue générale – éléments du système MVIS à l'intérieur du ISPR

L'élément central est fabriqué de composite à fibres de carbone et est conçu pour maintenir les tolérances critiques requises pour les instruments de diagnostique optique. Les instruments de diagnostique optique sont sensibles aux désalignements de l'ordre de quelques microns (10-6 mètres) ainsi qu'aux vibrations du ISPR. Le ISPR contient un système de ventilation à l'air AAA (Avionic air assembly) pour le refroidissement des sous-systèmes du FSL, ainsi qu'une boucle de refroidissement par eau à température modérée pour évacuer la chaleur du ISPR.

La masse du FCE, incluant les instruments de diagnostique optique, est de 135 kg. La masse du EC, quant à elle, varie de 20 à 45 kg, ce qui donne une masse totale de 155 à 180 kg. Les services de signaux vidéo numériques, de signaux de données et de commande ainsi que l'alimentation électrique au EC et au FCE sont assurés par quatorze câbles ombilicaux et deux conduites d'eau flexibles. Le FCE ne requiert pas de refroidissment de l'eau, mais ce service demeure disponible pour le EC lorsque nécessaire. La rigidité totale des conduits ombilicaux est limitée afin que MVIS puisse atteindre la performance d'isolation requise.

Isolation requise

La ligne rouge dans le graphique ci-dessous (figure 6) démontre les prédictions d'accélérations acoustiques à bord de l'ISS sans isolation; l'amplitude de ces accélérations est de l'ordre de mili-g. Ce niveau élevé de vibrations réduit en grande partie l'utilité de faire des expériences scientifiques dans l'espace où on s'attend plutôt à un niveau de l'ordre des micro-g. MVIS a la tâche de réduire le niveau de vibrations en dessous du niveau spécifié, défini par la courbe pointillée noire, considéré comme un standard à ne pas dépasser sur l'ISS. La courbe pointillée bleue présente le niveau d'accélération prévu en utilisant le système MVIS pour isoler le FCE. Comme il est possible de le voir, les vibrations seront considérablement réduites avec le système MVIS. Le plus grand défi technologique de MVIS résidait du côté du modelage de la charge utile pour permettre l'isolation des vibrations malgré l'effet de plus de 14 câbles ombilicaux et deux conduites d'eau flexibles répartis autour du FCE. Ces lignes ombilicales permettent aux vibrations de prendre différents chemins pour pénétrer le FCE.

Description du système MVIS

Figure 6 : Environnement d'accélération du FSL

Description texte de l'image - Figure 6 : Environnement d'accélération du FSL (anglais seulement)

Pour isoler le FSL contre les vibrations, MVIS est basé sur un système de lévitation magnétique à six degrés de liberté. En raison des dimensions imposantes du FCE, les actionneurs Lorenz, les détecteurs de position et les accéléromètres utilisés pour le système MVIS ont été distribués tout autour du FCE. MVIS comprend un ensemble réparti d'actionneurs Lorentz dont les aimants permanents sont montés sur le FCE et les bobines mobiles sont attachées au ISPR. Trois assemblages d'accéléromètres, qui incluent d'ailleurs trois accéléromètres chacun, sont aussi montés à l'intérieur du FCE. Ceci permet la détermination des accélérations linéaires et rotationnelles du FCE et permet jusqu'à trois niveaux de redondance (axes X, Y et Z). Il y a quatre diodes électroluminescents montés dans le FCE à l'aide de poutres alignées qui sont dirigés vers quatre Capteurs de position PSDs bidimensionnels montées dans le ISPR. Ce procédé permet de localiser la position et l'orientation de l'élément central en fonction du ISPR.

Bloc électronique (EU Box)

Figure 7 : Bloc électronique (EU) de MVIS

Le EU de MVIS est conçu afin d'occuper l'espace identifié auparavant comme espace d'entreposage pour les parties de rechange du FSL.

Le EU qui contrôle le système MVIS est monté séparemment dans le ISPR. Les signaux provenant des accéléromètres sont numérisés à l'intérieur de leur propre boîtier et sont envoyés au EU en mode numérique pour minimiser leur suceptibilité au bruit électromagnétique. Les signaux provenant des PSD sont amplifiés et numérisés au PSD même, puis envoyés au EU en mode numérique. Les signaux du PSD et de l'accéléromètre sont utilisés dans l'algorithme qui contrôle le FCE et la vitesse de réglage est de 2000 cycles par seconde. Ceci permet un contrôle actif jusqu'à 50 Hz. Au-delà de cette fréquence, l'isolation demeure passive, car les différents conduits ombilicaux qui desservent le FCE et l'expérience à l'intérieur du EC transmettent peu les vibrations.

Performance d'isolation de MVIS avec le FCE

Le système MIM-2 incluait le développement d'un système de simulation très complet qui a fait ses preuves au cours des expériences à bord de la navette spatiale. Ce simulateur a été ajusté pour simuler le système MVIS à l'intérieur duquel il doit s'adapter. Les propriétés d'inerties du FCE utilisées lors de la simulation de MVIS sont présentées au tableau 1. La plupart des conduits ombilicaux sont attachés à l'arrière du FCE, mais plusieurs sont attachés au Récipient expérimental via l'avant du FCE. La rigidité totale de ces conduits ombilicaux a été spécifiée à 500N/m, procurant le mode de corps rigide le plus bas autour de 0,3 Hz. L'estimation de la performance d'isolation est démontrée dans la figure 6. Pour ce cas précis de simulation, la rigidité des câbles ombilicaux a été prise à 25 % de la valeur maximum allouée et le contrôleur a été programmé pour compenser 90 % de cette rigidité. Cette valeur de rigidité et la compensation du contrôleur seront inscrits comme un but à atteindre pour le système final. Comme indiqué dans la figure 6, une fréquence de coupure d'isolation de 0,03 Hz est atteinte et le niveau d'accélération du FCE est réduit en dessous des exigences de l'ISS. La spécification de l'ISS pour le cycle d'analyse Dynamic Analysis Cycle (DAC 6) est montrée en fonction d'une densité spectrale de puissance équivalente au tiers de la bande d'octave spectrale habituellement utilisée dans l'analyse DAC 6.

Table 1 : Propriétés inertielles du FCE

Paramètre Désignation Valeur
Masse du FCE Mf 170 kg
Moment d'inertie de la masse du FCE Ixx 30.0 kg m2
Iyy 30.0 kg m2
Izz 20.0 kg m2
Ixy 0 kg m2
Ixz 0 kg m2
Iyz 0 kg m2

Rejet des perturbations générées par le FCE

Figure 8 : La réponse du MVIS à une perturbation

L'algorithme de contrôle est conçu pour être capable d'atténuer la réponse du FCE aux perturbations générées par le FCE lui-même. Comme exemple, la réponse du FCE à une impulsion isolée telle que l'ouverture et la fermeture d'une valve a été simulée. La figure 8 fait voir les résultats. Elle montre la réaction du FCE surimposée sur le fond de vibrations présentes dans la ISS. Ce niveau vibratoire de fond est typique des niveaux observés à bord de la station spatiale Mir. Les niveaux sur l'ISS seront plus élevés. Le FCE récupère très rapidement de cette charge impulsionnelle à bord de la navette comme démontré ci-dessous.

Réaction de FCE à des impulsions externes

Il existe un risque que le FCE soit soumis à des charges impulsionnelles causées par un membre de l'équipage. Même si le système est protégé contre de telles perturbations, par exemple par un filet placé devant le FCE, il doit être en mesure de récupérer. La Figure 8 démontre la réponse du système à une charge impulsionnelle de 50 N. Bien qu'il s'agisse d'un impact assez important pour que le FCE entre en contact avec le ISPR, les niveaux d'accélération retournent à de bas niveaux immédiatement et le FCE est replacé au centre sur une période de plus de cent secondes dans un mouvement de basse fréquence et de faible amplitude.

Figure 9a : FCE Réaction à une forte charge impulsionnelle

Figure 9b : FCE Réaction à une forte charge impulsionnelle

  1. impulsion de source externe de 50 N;
  2. réponse du FCE surimposé sur le fond de vibrations présentes dans le ISPR.

Réaction du FCE à une perturbation persistante à l'intérieur de la Station

La réaction du système MVIS envers une perturbation persistante à l'intérieur de la Station est démontrée lorsqu'on regarde la réponse à une perturbation de bruit blanc. Une de ces sources est le système de refroidissement à l'eau qui est disponible pour le Bloc électronique en cas de besoin. L'eau qui coule dans les tuyaux et dans les conduites de refroidissement provoque beaucoup de changements d'orientation qui peuvent s'étendre à un grand domaine spectral. Le résultat est présenté à la figure 10 pour une charge vibrationnelle dont la force maximum est de 0,35 N, sur le fond de vibrations de l'ISPR. La réaction du FCE est aléatoire et présente une amplitude maximum de 40 micro-g. Sans MVIS, l'amplitude maximum serait de 227 micro-g.

Une chance unique pour le Canada

Figure 10 : Response of MVIS to On-Board Disturbance

En mettant le projet MVIS sur pied, il s'agit d'une chance unique pour le Canada de participer aux activités du FSL et ainsi d'accroître son exploitation de l'ISS. Le Canada rencontre ainsi les objectifs fixés par le Programme de l'espace, c'est-à-dire de promouvoir l'utilisation pacifique et le développement de l'espace dans le but d'améliorer la connaissance de cette dernière à travers les sciences. Le projet permettra aussi de grandes améliorations dans le domaine des technologies d'isolation en microgravité. Une lettre d'entente entre les deux Agences stipule qu'en retour de la contribution canadienne à l'élaboration du FSL, 5 % du temps d'exploitation du FSL sera accordé aux expériences canadiennes. Il s'agit donc d'une occasion unique pour les chercheurs canadiens.

Objectifs de performance

  • Améliorer les possibilités d'exploitation des technologies d'isolation des vibrations en microgravité MIM développées par l'industrie avec le support de l'Agence spatiale canadienne (ASC).
  • Démontrer la possibilté d'adaptation de la technologie MIM avec des sytèmes dont la configuration et les dimensions sont très variées.
  • Procurer un environnement grandement amélioré en ce qui a trait à la réalisation et au succès des expériences en physique des fluides en microgravité par des chercheurs canadiens.
  • Contribuer à l'utilisation de la ISS par le Canada.

La durée de vie de MVIS est prévue pour dix ans et devrait atteindre les 40 000 heures d'exploitation.

Nouvelles

Photo de l'astronaute Bob Thirsk et MVIS

L'astronaute de l'Agence spatiale canadienne (ASC) Bob Thirsk met en service le MVIS dans le Laboratoire des sciences des fluides, situé dans le Module laboratoire Columbus de la Station spatiale internationale (ISS). (Source : NASA)

L'Agence spatiale canadienne (ASC) a débuté la mise en service du Sous-système d'isolation contre les vibrations en microgravité (MVIS) à bord de la Station spatiale internationale (ISS).

L'astronaute de l'ASC Bob Thirsk a mis en opération cette technologie sophistiquée de conception canadienne le 10 juillet 2009.

Conçu pour isoler les expériences scientifiques des effets de la vibration, on s'attend à ce que MVIS rende la science moléculaire conduite en impesanteur plus exacte et mieux contrôlée.

MVIS est maintenant au premier stade de sa mise en service. Le système a été mis en circuit et la période d'essai de la fonctionnalité de base a été entreprise. Une fois que MVIS sera entièrement intégré dans le Laboratoire des sciences des fluides (FSL), l'équipe de MVIS sera en mesure d'évaluer le plein potentiel de l'instrument à isoler des charges expérimentales.

Le MVIS a été élaboré par l'ASC en collaboration avec Magellan Aerospace (Bristol Aerospace Limited) de Winnipeg, MDA de Ste-Anne-de-Bellevue, au Québec, SENER d'Espagne, l'école de technologie supérieure de Montréal et l'Agence spatiale européenne (ASE). L'ASC travaille étroitement avec l'ASE pour intégrer MVIS dans le FSL.

Bob Thirsk continuera à évaluer les performances de MVIS tout au long de sa mission à bord de l'ISS. Suivez le développement de la mission sur la page d'accueil de l'Expédition 20/21.