Brevet FR3015695A1 — publié le 20150626

Procédé et dispositif de correction en temps réel de la défocalisation d'un télescope spatial, télescope et satellite comportant un tel dispositif de correction La présente invention concerne un procédé et un dispositif de correction en temps réel de la défocalisation d'un télescope spatial, un télescope comportant un tel dispositif de correction et un satellite comportant un tel télescope. Elle s'applique à tout télescope embarqué dans un engin spatial tel qu'un satellite et plus particulièrement aux télescopes montés sur des satellites en orbite basse autour de la Terre soumis à une dégradation de la focalisation, d'origine thermique. Les télescopes montés sur des satellites en orbite basse autour de la Terre sont soumis à des fortes variations de flux thermiques le long de l'orbite, ce qui provoque des variations de température et des variations de gradients thermiques axiaux dans le miroir principal du télescope. Les variations de température et de gradients thermiques axiaux provoquent des variations orbitales du rayon de courbure du miroir principal du télescope et une défocalisation du télescope à l'échelle orbitale ce qui détériore la qualité des images obtenues par le télescope. Pour améliorer la qualité des images produites, la calibration de la refocalisation d'un télescope spatial est actuellement réalisée en vol en début de vie du télescope, ce qui permet de corriger des défauts liés aux évolutions d'environnement entre le sol et le vol en orbite tels que les effets liés à la gravité, les effets liés aux variations d'environnement thermique, ou les effets liés aux charges de lancement, puis en orbite une à deux fois par an ce qui permet de corriger les effets dus aux évolutions à long terme telles que les phénomènes de radiations, de vieillissement et d'évolution d'environnement long terme. La correction des effets à long terme est réalisée à partir de mesures de défocalisation d'images concernant des cibles ou des environnements bien connus. Cependant, ces méthodes comportent des opérations de traitement d'images très complexes à mettre en oeuvre qui ne peuvent pas être réalisées en temps réel. Il n'existe actuellement pas de prise en compte des effets à court terme tels que les dérives de focalisation à l'échelle orbitale dues aux variations des flux thermiques en orbite, ces variations de flux étant prépondérantes lorsque le télescope est monté sur un satellite en orbite basse et soumis à des alternances de jour et de nuit et à des alternances de l'orientation de pointage du satellite vers la Terre ou vers l'espace. Ces dérives à court terme sont d'autant plus importantes que la taille du télescope augmente, le rapport entre le diamètre du télescope et la distance séparant les deux miroirs primaire M1 et secondaire M2 restant constant. Ces dérives sont actuellement minimisées en utilisant un miroir primaire très stable, comportant un très faible coefficient d'expansion thermique CTE combiné avec un contrôle thermique du niveau de température, le contrôle thermique nécessitant notamment d'ajouter une plaque de réchauffement radiatif en face arrière du miroir. Ces télescopes spatiaux à grands miroirs présentent une bonne stabilité de la focalisation à l'échelle orbitale, cependant ils imposent de fortes contraintes de conception du télescope, telle que par exemple l'utilisation d'un miroir avec un faible CTE, et nécessitent d'augmenter le diamètre de la pupille du télescope pour compenser ces dérives, ce qui limite la compacité des télescopes, augmente leur masse et dégrade leurs performances optiques. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients des télescopes spatiaux connus, de mesurer et de corriger en vol de manière simple et en temps réel les dérives de la focalisation d'un télescope spatial dues aux effets thermo-élastiques sur le télescope spatial et en particulier sur son miroir primaire. L'invention a également pour but de simplifier le contrôle thermique du miroir primaire, de supprimer la plaque de réchauffement radiatif en face arrière du miroir et de diminuer ainsi la consommation électrique et la masse du télescope. Pour cela, l'invention concerne un procédé de correction en temps réel de la défocalisation d'un télescope spatial embarqué sur un satellite en orbite, le télescope comportant un miroir primaire et un miroir secondaire définissant un foyer image F situé dans le plan focal du télescope. Le procédé consiste à mesurer en orbite, pendant des périodes d'observation du télescope, en une pluralité d'instants de mesure régulièrement espacés, une température et/ou un gradient thermique axial entre une face avant et une face arrière du miroir primaire du télescope, à partir de deux mesures successives de la température et/ou du gradient thermique axial, à déterminer une variation de la température et/ou une variation du gradient thermique axial entre deux instants de mesure correspondants et à déduire une variation du rayon de courbure du miroir primaire entre les deux instants de mesure et une variation de la focalisation du télescope et à corriger en orbite, en temps réel, la défocalisation du télescope due à la variation de la focalisation déduite entre les deux instants de mesure. Selon un mode de réalisation, les mesures du gradient thermique axial sont réalisées à partir de deux mesures successives des températures de la face avant et de la face arrière du miroir primaire, ou d'une mesure différentielle directe entre la face avant et la face arrière. Selon un autre mode de réalisation, les mesures de gradient thermique axial sont réalisées à partir de deux mesures successives des températures de la face avant et de la face arrière, ou d'une mesure différentielle directe entre la face avant et la face arrière, d'un échantillon de miroir représentatif du miroir primaire et placé dans un même environnement thermique. Selon un mode de réalisation le procédé consiste à placer l'échantillon de miroir à la périphérie du miroir primaire. Selon un autre mode de réalisation, le procédé consiste à placer l'échantillon de miroir dans une ouverture centrale du miroir primaire. L'invention concerne aussi un dispositif de correction en temps réel de la défocalisation d'un télescope spatial embarqué sur un satellite en orbite, le télescope comportant un miroir primaire et un miroir secondaire définissant un foyer image F situé dans le plan focal du télescope. Le dispositif comporte des capteurs de température pour mesurer en orbite, pendant des périodes d'observation du télescope, en une pluralité d'instants de mesure régulièrement espacés, une température du miroir primaire et/ou un gradient thermique axial entre une face avant et une face arrière du miroir primaire et des moyens de calcul pour, à partir des mesures réalisées, déterminer une variation de la température et/ou une variation du gradient thermique axial entre deux instants de mesure successifs et, à chaque variation de la température et/ou du gradient thermique axial, pour calculer une variation d'un rayon de courbure du miroir primaire correspondant et pour en déduire une variation correspondante de la focalisation du télescope, et des moyens de correction, en temps réel, de la défocalisation due à la variation de la focalisation déduite entre les deux instants de mesure correspondants. Selon un mode de réalisation, les capteurs de température sont respectivement placés sur la face avant et sur la face arrière du miroir primaire. Selon un autre mode de réalisation, les capteurs de température sont respectivement placés sur la face avant et sur la face arrière d'un échantillon 15 de miroir représentatif du miroir primaire et placé dans un même environnement thermique. Selon un mode de réalisation, l'échantillon de miroir est placé à la périphérie du miroir primaire. 20 Selon un autre mode de réalisation, l'échantillon de miroir est placé dans une ouverture centrale du miroir primaire. Avantageusement, les moyens de correction de la défocalisation du 25 télescope comportent un dispositif de déplacement en translation d'un miroir du télescope. L'invention concerne également un télescope monté sur un satellite en orbite comportant un dispositif de correction en temps réel de la 30 défocalisation du télescope, à l'échelle orbitale et un satellite comportant un tel télescope. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement 35 illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés qui représentent : figure 1 : un schéma simplifié illustrant un exemple de structure d'un télescope spatial, selon l'invention; figure 2: un schéma illustrant un exemple de courbe d'évolution de la focalisation d'un télescope sur deux orbites autour de la Terre, selon l'invention; figures 3a, 3b, 3c : trois schémas en coupe longitudinale illustrant trois exemples de dispositifs de mesure, en temps réel, d'un gradient thermique axial et d'une température dans le miroir primaire d'un télescope spatial, selon l'invention ; figure 4 : un schéma synoptique des étapes du procédé de correction selon l'invention ; figure 5 : un schéma synoptique d'un dispositif de correction selon l'invention. Le télescope spatial 10 représenté sur la figure 1 comporte un miroir primaire 11 et un miroir secondaire 12, le miroir primaire 11 étant disposé au fond d'une cavité avant 14 du télescope 10 et fixé sur un banc optique 15. Le banc optique 15 comporte des dispositifs optiques non représentés. Bien que ce ne soit pas indispensable, le miroir primaire 11 et le miroir secondaire 12 peuvent par exemple, être disposés transversalement par rapport à un axe longitudinal 13, appelé axe optique, du télescope. La configuration des miroirs primaire 11 et secondaire 12 définit un foyer image F dans lequel la lumière est focalisée. Le foyer image F est situé dans le plan focal image du télescope localisé derrière le banc optique 15, dans une cavité arrière du télescope. Des détecteurs de lumière 16 sont placés dans le plan focal image du télescope. Un télescope spatial monté sur un satellite est soumis à un flux thermique incident 17 qui fluctue, au cours de l'orbite du satellite et à plus grande échelle, et qui engendre des dérives thermiques et des variations de la focalisation du télescope. Les fluctuations du flux thermique dépendent principalement de l'attitude du satellite, c'est-à-dire de l'orientation de la cavité avant 14 du télescope, des alternances jour/nuit sur l'orbite terrestre et de la direction de pointage du satellite. En pointage géocentrique, c'est-à-dire lorsque l'axe optique 13 du télescope pointe vers la Terre, la cavité avant est soumise à un flux thermique incident 17 issu du rayonnement terrestre et de la réflexion des rayonnements solaires sur la surface de la Terre. En pointage héliocentrique, c'est à dire lorsque les générateurs solaires du satellite pointent vers le Soleil, la cavité avant est soumise à des variations de flux thermique incident en fonction du pointage de l'axe optique 13 du satellite en direction de la Terre ou de l'espace. Sur la figure 2, est représenté un exemple de l'influence des variations du flux thermique sur la focalisation d'un télescope monté sur un satellite, pendant deux orbites du satellite autour de la Terre. La focalisation est représentée en ordonnées et exprimées en mètres, le temps est représenté en abscisses et exprimé en secondes, et sur cette figure 2, le satellite rencontre deux alternances jour/nuit. Sur une orbite autour de la Terre, la focalisation du télescope évolue au premier ordre de manière périodique et dépend principalement de la période de nuit ou de jour dans laquelle il se trouve sur l'orbite. Dans une première période de nuit 21, la focalisation diminue 210 de manière continue jusqu'à un minimum correspondant au début d'une première période de jour 22. Dans la première période de jour 22, la focalisation augmente 220 de manière continue jusqu'à un maximum correspondant au début d'une deuxième période de nuit 23. Durant la deuxième période de nuit 23 et la deuxième période de jour 24, le cycle de diminution et d'augmentation de la focalisation se répète. Dans le cas où le télescope spatial en orbite basse ne fait des prises de vues qu'en période de jour, la correction des dérives de la focalisation dues aux variations du flux thermique incident n'est nécessaire que pendant cette période de jour. L'invention consiste à réaliser, en orbite, des mesures indirectes de la défocalisation du télescope, puis à corriger en orbite, en temps réel la défocalisation mesurée au moyen d'un mécanisme de refocalisation. La focalisation des rayons lumineux dépend de la configuration et de la forme géométrique des deux miroirs 11, 12. Comme représenté sur les 30 vues schématiques en coupe longitudinale des figures 3a, 3b et 3c, le miroir primaire 11 comporte une face avant 30 constituée d'une surface optique ayant une forme géométrique et un rayon de courbure prédéfinis, une face arrière 31 fixée sur le banc optique 15 et une ouverture centrale 32 traversant l'épaisseur du miroir sur l'axe optique 13 du télescope. Un flux 35 lumineux entrant dans la cavité avant du télescope atteint la surface optique 30 du miroir primaire 11 sur laquelle il est réfléchi une première fois en direction du miroir secondaire 12. Le miroir secondaire 12 réfléchit le flux lumineux une deuxième fois et le renvoie vers le centre du miroir primaire 11 dans l'ouverture centrale 32. Au niveau de l'ouverture centrale 32, le flux lumineux traverse l'épaisseur H du miroir primaire 31 et arrive à un point de convergence F, correspondant au foyer image, situé dans le plan focal image où sont placés les détecteurs 16. Toute variation d'environnement thermique a un impact important sur la forme géométrique des miroirs 11, 12 et en particulier sur leur rayon de courbure et donc sur la focalisation du télescope 10, cet impact étant d'autant plus important que le diamètre du miroir est grand. Pour réduire les effets des variations thermiques sur le rayon de courbure des miroirs, les miroirs sont classiquement maintenus à une température moyenne, par exemple de l'ordre de 20° Celsius, par un dispositif de régulation en température, mais ce dispositif de régulation qui comporte généralement des réchauffeurs placés sur une plaque radiative en regard de la face arrière du miroir, ne permet pas de compenser des variations de température à l'échelle orbitale et crée un gradient thermique axial entre la face avant et la face arrière du miroir primaire. Ce gradient thermique axial est faible, de l'ordre du degré Celsius, et n'est pas gênant car sa caractérisation peut être réalisée au sol, mais sa variation en vol a un effet important sur la focalisation du télescope. En effet, la variation du gradient thermique axial dans l'épaisseur du miroir primaire représente jusqu'à 80% de la défocalisation totale du télescope. Dans une moindre mesure, la variation à l'échelle orbitale de la température du miroir a également un effet sur la focalisation du télescope. Comme représenté sur les figures 4 et 5, pour réaliser les mesures de la défocalisation du télescope 10, l'invention consiste, pendant l'évolution du satellite 5 en orbite et pendant des périodes d'observation où le télescope fait 30 des prises de vues, à mesurer 50 en temps réel, avant chaque prise de vue ou en continu, la température T et le gradient thermique axial Grad(T) du miroir primaire 11. Les mesures du gradient thermique axial Grad(T) peuvent être réalisées à partir de deux mesures successives des températures respectives de la face avant et de la face arrière du miroir primaire, ou à 35 partir d'une mesure différentielle directe entre la face avant et la face arrière. Pour cela, des capteurs 33, 34 de température sont utilisés pour mesurer les températures de la face avant 30 et de la face arrière 31 du miroir primaire 11, ou pour mesurer directement le gradient axial du miroir primaire 11, en une pluralité d'instants de mesure tn régulièrement espacés, où n est un nombre entier supérieur ou égal à 1. Un seul capteur par face est suffisant, mais pour améliorer la fiabilité des mesures, il est préférable de les redonder. Par ailleurs, plusieurs capteurs par face peuvent être utilisés, par exemple s'ils sont fixés directement sur le miroir, pour réaliser des mesures en plusieurs points plutôt qu'une mesure ponctuelle et obtenir ainsi une mesure moyenne du gradient axial et une mesure moyenne de la température du miroir. Les instants de mesure tn sont situés entre le début 48 et la fin 53 de chaque période d'observation 22, 24 du télescope, par exemple pendant les périodes de jour sur l'orbite du satellite. Les capteurs 33, 34 de température peuvent être par exemple des thermistances ou des thermocouples. Les capteurs 33, 34 de température peuvent être placés directement sur la face avant 30 et sur la face arrière 31 du miroir primaire 11 comme représenté sur la figure 3a ou être placés sur les faces avant et arrière d'un échantillon 35 de miroir représentatif du miroir primaire 11, l'échantillon de miroir 35 pouvant être placé en périphérie du miroir primaire 11 comme représenté sur la figure 3b ou dans l'ouverture centrale 32 du miroir primaire 11, en dehors de la zone optique utile du télescope, comme représenté sur la figure 3c. L'échantillon de miroir 35 est réalisé de manière à présenter un comportement thermique identique à celui du miroir primaire 11 et les mêmes propriétés thermo-optiques que le miroir primaire 11, par exemple, en utilisant un matériau identique à celui du miroir primaire, une épaisseur et une géométrie identique, notamment en ce qui concerne la taille des alvéoles et l'épaisseur des voiles lorsque la face arrière du miroir a une structure en nid d'abeille. L'utilisation d'un échantillon de miroir 35 présente l'avantage d'éliminer tout risque de déformation du miroir primaire pouvant être créée par le collage des capteurs de température directement sur les faces du miroir primaire. Le gradient thermique axial Grad(T) du miroir primaire est ensuite obtenu par des moyens de calcul 40 qui déterminent la différence des températures mesurées entre la face avant et la face arrière du miroir primaire ou de l'échantillon de miroir représentatif du miroir primaire 11. Les moyens de calcul 40 déterminent ensuite l'évolution du gradient de température axial Grad(T), et l'évolution de la température AT du miroir, entre deux instants de mesure successifs ti, et tn+1. Les acquisitions des mesures de température sont réalisées régulièrement en temps réel, par exemple toutes les 18 secondes ou toutes les minutes, pendant des périodes d'observation 22, 24 du télescope, par exemple pendant des périodes de jour sur l'orbite du satellite 5. L'invention consiste ensuite à partir des lois classiques de l'élasticité, à déterminer 51 la variation AR du rayon de courbure du miroir primaire 11 qui est directement proportionnelle à la variation AGrad(T) du gradient thermique axial et à la variation AT de la température du miroir et s'écrivent : a x R2 AR =H x AGrad(T) AR.,--axRxAT où a est le coefficient d'expansion thermique CTE du matériau du miroir primaire 11, R est le rayon de courbure du miroir primaire 11 et H est l'épaisseur du miroir primaire 11. Il est connu que la variation de la focalisation AZ est proportionnelle à la variation AR du rayon de courbure du miroir principal, le coefficient de proportionnalité dépendant de la géométrie du miroir primaire et de la configuration des miroirs primaire 11 et secondaire 12. Par conséquent, à partir de la variation AR du rayon de courbure du miroir principal 11, pour une géométrie donnée de miroir primaire et une configuration particulière des miroirs primaire 11 et secondaire 12, il est possible de prédire, par simulation ou par essais, une variation de la focalisation AZ correspondante. L'ordre de grandeur des variations de la focalisation AZ entre deux instants de mesure successifs est de l'ordre de quelques dixièmes de micromètres à quelques micromètres. La variation de la focalisation AZ du télescope 10 est ensuite corrigée en vol 52 en temps réel par un système embarqué comportant des moyens de mesure 33, 34 en temps réel des variations de température et du gradient de température dans l'épaisseur du miroir primaire 11 et des moyens de calcul 40 en temps réel des variations correspondantes de la focalisation AZ du télescope et des moyens d'asservissement en boucle ouverte comportant une loi de correction 41 implantée à bord du satellite 5 couplée à un mécanisme de refocalisation 42 du télescope. La loi de correction de la focalisation est déterminée au sol, par simulation ou essais, et peut être ajustée en vol après calibration. Le mécanisme de refocalisation du télescope peut, par exemple, comporter un dispositif de déplacement 42 d'un miroir du télescope en translation et/ou de translation du plan focal ou un dispositif de modification de la courbure d'un miroir. Le miroir déplacé en translation ou dont la courbure est modifiée peut par exemple être le miroir secondaire 12 ou tout autre miroir du télescope 10. Le déplacement en translation peut par exemple être réalisé le long de l'axe optique 13 du télescope 10. Le déplacement en translation du miroir secondaire peut être actionné mécaniquement par un système de déplacement mécanique, tel qu'un moteur pas à pas équipant le miroir secondaire 12 par exemple, ou actionné thermiquement par chauffage d'un élément intermédiaire qui par dilatation thermique, translate axialement le miroir secondaire 12. Le déplacement en translation est réalisé d'une quantité identique à la variation de focalisation mesurée AZ pour compenser la défocalisation du télescope 10. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de correction en temps réel de la défocalisation d'un télegtope spatial (10) embarqué sur un satellite. (5) en orbite, le télescope (10) comportant un miroir primaire (11) et un miroir secondaire (12) définissant un foyer image F situé dans le plan focal du télgscope, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer en orbite, pendant des périodes d'observation (22, 24) du télescope (10), en une pluralité d'instants de mesure régulièrement espacés, une température (T) et/ou un gradient thermique axial (Grad(T)) entre une face avant (30) et une face arrière (31) du miroir primaire (11) du télescope (10), à partir de deux mesures successives de la température (T) et/ou du gradient thermique axial (Grad(T)), à déterminer une variation (AT) de la température et/ou une variation (A Grad(T)) du gradient thermique axial entre deux instants de mesure correspondants et à déduire une variation (AR) du rayon de courbure du miroir primaire (11) entre les deux instants de mesure et une variation (AZ) de la focalisation du télescope (10) et à corriger en orbite, en temps réel, la défocalisation du télescope (10) due à la variation (AZ) de la focalisation déduite entre les deux instants de mesure. 2. Procédé de correction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mesures du gradient thermique axial (Grad(T)) sont réalisées à partir de deux mesures successives des températures de la face avant et de la face arrière du miroir primaire, ou d'une mesure différentielle directe entre la face avant et la face arrière. 3. Procédé de correction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mesures de gradient thermique axial (Grad(T)) sont réalisées à partir de deux mesures successives des températures de la face avant et de la face arrière, ou d'une mesure différentielle directe entre la face avant et la face arrière, d'un échantillon ale miroir (35) représentatif du miroir primaire (11) et placé dans un même environnement thermique. 4. Procédé de correction selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à placer l'échantillon de miroir (35) à la périphérie du miroir primaire (11). 5. Procédé de correction selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à placer l'échantillon de miroir (35) dans une ouverture centrale (32) du miroir primaire (11). 6. Dispositif de correction en temps réel de la défocalisation d'un télescope 10 spatial (10) embarqué sur un satellite (5) en orbite, le télescope (10) comportant un miroir primaire (11) et un miroir secondaire (12) définissant un foyer image F situé dans le plan focal du télescope, caractérisé en ce qu'il comporte des capteurs (33, 34) de température pour mesurer en orbite, pendant des périodes d'observation (22, 24) du 15 télescope (10), en une pluralité d'instants de mesure régulièrement espacés, une température (T) et/ou un gradient thermique axial (Grad(T)) entre une face avant (30) et une face arrière (31) du miroir primaire (11) et des moyens de calcul (40) pour, à partir des mesures réalisées, déterminer une variation (AT) de la température et/ou une 20 variation (AGrad(T)) du gradient thermique axial entre deux instants de mesure successifs, et à chaque variation de la température et/ou du gradient thermique axial, pour calculer une variation d'un rayon de courbure (AR) du miroir primaire (11) correspondant et pour en déduire une variation correspondante de la focalisation (AZ) du télescope (10), 25 et des moyens de correction (41, 42), en temps réel, de la défocalisation due à la variation (AZ) de la focalisation déduite entre les deux instants de mesure correspondants. 7. Dispositif de correction selon la revendication 6, caractérisé en ce que 30 les capteurs de température (33, 34) sont respectivement placés sur la face avant (30) et sur la face arrière (31) du miroir primaire (11). 8. Dispositif de correction selon la revendication 6, caractérisé en ce que les capteurs de température (33, 34) sont respectivement placés sur la 35 face avant et sur la face arrière d'un échantillon de miroir (35)représentatif du miroir primaire (11) et placé dans un même environnement thermique. 9. Dispositif de correction selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'échantillon de miroir (35) est placé à la périphérie du miroir primaire (11). 10. Dispositif de correction selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'échantillon de miroir (35) est placé dans une ouverture centrale (32) 10 du miroir primaire (11). 11. Dispositif de correction selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que les moyens de correction de la défocalisation du télescope (10) comportent un dispositif de déplacement (42) en 15 translation d'un miroir du télescope. 12.Télescope monté sur un satellite en orbite, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de correction en temps réel de la défocalisation du télescope, à l'échelle orbitale, selon l'une des revendications 6 à 11. 13.Satellite caractérisé en ce qu'il comporte un téleScope selon la revendication 12. 20 25