HESS-lapp

Les LST de CTA

From HESS-lapp

Le regroupement de recherche international actuellement engagé dans l’étude du design du LST (MPI-Munich, LAPP-Annecy, IFAE-Barcelone, CIEMAT-Madrid, INFN-Italie et le CTA-Japon) travaille sur un prototype inspiré par les télescopes de MAGIC et caractérisé par un miroir parabolique de 23 m de diamètre et un rapport distance focale-diamètre f/D de l’ordre de 1,2. Les défis majeurs du programme LST sont liés à la nécessité de réaliser un instrument techniquement très performant :

  • léger (~50 tonnes) pour le repositionner rapidement (moins de 20 s pour 180° de rotation soit une vitesse de 10 m/s) en réponse aux alertes des événements rares (i.e. éruptions de GRB ou de NAG)
  • un grand champ de vue pour l’étude de sources étendues (i.e. les vestiges de supernova et la nébuleuse de pulsars)
  • stable pour garantir une très bonne résolution angulaire (point spread function : PSF < 0.1°).

Le Large Size Telescope – LST de CTA

Dans ce contexte international, le groupe du LAPP a su se distinguer par des propositions importantes de recherche et de développement technique, notamment le développement d’éléments mécaniques en matériaux composites (i.e. structures en fibres de carbone) afin d’optimiser un design de poids contenu mais stable statiquement et dynamiquement. Depuis 2009, l’équipe est impliquée dans l’étude et la réalisation des structures mécaniques hautes du télescope, de l’arche des télescopes LST et de l’interface avec la caméra, avec des problématiques liées à l’application de matériaux composites. Les premiers résultats de cette phase, basés sur un design modulaire, ont été obtenus en 2010 et présentés à la collaboration CTA (et détaillés dans le « Baseline Design Document » rédigé en 2011). L’arche de taille trop importante (28 m) ne pourra pas être réalisée en une seule pièce monolithique. La structure parabolique de l’arche, entièrement en fibres de carbone, sera composée de segments tubulaires connectés entre eux. Le design résulte d’une étude approfondie de calculs numériques tenant compte des charges et des résistances des matériaux (i.e. traction, compression et flexibilité), critiques dans la phase de moulage de la pièce de jonction, dans le choix des éléments tubulaires, et pour les procédures d’assemblage et de collage. La validation et la certification des prototypes ont fait l’objet d’un contrat avec des partenaires industriels et ont été financées par la Commission Européenne (projet FP7-CTA-Preparatory-Phase).

Vue d’ensemble du design final de l’arche du LST


d. La mécatronique Dans la configuration actuelle, le design de l’arche permet de satisfaire toutes les spécifications statiques et dynamiques du télescope. Avant d’aboutir à cette configuration, une étude de R&D en mécatronique a été menée par l’équipe : la stabilisation active des structures pour l’optimisation de l’alignement optique du système camera-miroir puis sa validation grâce à un prototype et à la construction d’un système d’amortissement vibratoire. Lorsque le LST est soumis à un vent turbulent ou lors d’une phase de pointé, les modes de vibration de la structure porteuse de la caméra peuvent être excités. Ces vibrations provoquent un déplacement de la caméra par rapport à sa position nominale, retardant la prise de données (voire l’empêchant totalement en cas de vent trop fort ou trop turbulent). L’amortissement utilisé pour cette étude est appelé « Integral Force Feedback » (IFF). Pour le mettre en œuvre, il est nécessaire d’intégrer à la structure à amortir un actionneur combiné à un capteur de force. Cette technique s’adapte parfaitement aux structures câblées des télescopes de CTA et réduit significativement les vibrations. Cela permet également d’améliorer la précision du pointé et donc la résolution angulaire des télescopes. Une simulation a été réalisée afin de valider les différentes procédures de mise en œuvre de l’IFF. En 2010, un démonstrateur à échelle réduite a été réalisé. Il s'agissait d'une structure haubanée supportant une fausse caméra et incluant les capteurs, les actionneurs, ainsi que l'électronique permettant de les mettre en œuvre. Tous les tests ont été accomplis avec succès : les mesures montrent que nos algorithmes permettent en quelques secondes de stabiliser la caméra.


Maquette d’arche haubanée et stabilisée par le système mécatronique de capteurs et d’actionneurs de forces.

L’expérience acquise dans la réalisation du système de débarquement de H.E.S.S.-2 nous a également permis d’obtenir la responsabilité du projet de mécatronique qui contrôle et commande les télescopes LST de CTA. Le futur « drive system » (2 axes de rotation) devra répondre à différentes exigences :

  • Synchronisation des axes à plusieurs moteurs : ce type de fonctionnement a été mis en œuvre sur le projet H.E.S.S. (roues sur rails), néanmoins les jeux mécaniques seront moindres dans le cas du télescope LST et son comportement reste à être étudié. Des contraintes d’ajustement pourront être mises en place.
  • Sécurisation des mouvements via l’intégration d’un automate : solution qui n’a jamais été mise en œuvre au LAPP.
  • Régénération d’énergie sur le réseau électrique lorsqu’un moteur devient générateur de courant : un aspect qui est très important au sein du projet CTA, compte-tenu des puissances mises en jeu et du déploiement de l’expérience sur un site désertique.
  • Optimisation des trajectoires : le télescope étant un système inertiel, un déplacement donné peut être réalisé suivant différentes combinaisons de trajectoires et un compromis doit être trouvé entre puissance moteurs et temps de déplacement.

Les 4 télescopes LST sont à intégrer au sein d’une architecture de grande envergure nommée array control au sein de laquelle devront cohabiter tous les télescopes, mais aussi les stations météo, les systèmes de calibration, le pilotage des miroirs... L’équipe a établi l’architecture globale de contrôle (Fig. 13) et développe l’instrumentation d’automates pour le contrôle des moteurs du LST.

Personal tools