La CHAINE CRYOGÉNIQUE DE METEOSAT 2G

Article paru dans la Lettre 3AF N°2-2023

Le satellite MTG-I 1 a été lancé le 13 décembre 2022 sur ARIANE 5 VA259 (MTG = Météosat Third Generation, I = Imager). EUMETSAT en a pris possession dès le lancement. Le satellite commence une phase de tests qui va durer un an. La masse au lancement était de 3600 kg (dont presque 2000 kg d’ergols). Thales Alenia Space (F) et OHB (D) sont les architectes industriels des satellites MTG.

Le deuxième type de satellite MTG-S (S pour sondeur) sera lancé en 2025 sur Ariane 6. Globalement le programme prévoit le lancement de six satellites (4 Imageurs et 2 Sondeurs). La durée de vie de chaque satellite est de 8,6 ans (objectif 10,5 ans) et la durée totale du programme opérationnel de 20 ans environ.

Le satellite MTG représente un progrès majeur par rapport aux deux premières générations, METEOSAT et METEOSAT 2. Les satellites étaient stabilisés par rotation (ce qui permettait aussi d’effectuer le « balayage ligne » de l’imageur) et les détecteurs infrarouges étaient refroidis par radiateur passif à 80 K.

MTG offre une approche radicalement nouvelle

le satellite est stabilisé trois axes, des barrettes de détecteurs remplacent les détecteurs séparés, leur température plus froide (58 K au lieu de 80 K) permet une bien meilleure précision (+10 K = 10 fois plus de bruit). Il convient donc, de ce fait, d’utiliser la réfrigération dite « active » et cette dernière doit être d’une grande fiabilité, la mission durant 10 ans.

Le satellite MTG-I embarque quatre instruments

le « Lightning Imager » (détection des éclairs et des orages), le D&G (Data Collection et GEOSAR), SAR (Sea Air Rescue), le RMU (senseur de radiations spatiales) et surtout le FCI (Flexible Combined Imager).

Ce dernier fournit une image de toute la Terre toutes les 10 minutes sur 16 longueurs d’onde, 5 dans le visible (résolution 1 km), trois dans le proche infrarouge (résolution 1 km) et 8 dans l’infrarouge, de 3,8 à 13,3 µm, avec en particulier les bandes caractéristiques de l’ozone, du gaz carbonique et de la vapeur d’eau (résolution 2 km). L’instrument pèse 450 kg et consomme 500 Watt. Les détecteurs HgCdTe sont réalisés par Lynred. L’instrument comprend un très grand pare-soleil. Le diamètre d’entrée de l’instrument est de 30 cm.

Vous l’avez compris, le fonctionnement de ces instruments scientifiques nécessitent la mise en place d’une production de froid, une « chaîne cryogénique ».

À propos de la chaîne cryogénique

La chaîne cryogénique est constituée de deux cryo-réfrigérateurs « tubes à gaz pulsé » en « redondance froide ». Chaque cryo-réfrigérateur fournit une puissance réfrigérante de 3 W à 55 K. Le développement a été initié par l’ESA et le CNES au début des années 2000. Il a été mené par Air Liquide Advanced Technologies en partenariat avec le CEA (DSBT) et Thales Cryogenics.

Élimination des vibrations

Le compresseur met en œuvre deux blocs à pistons opposés afin de diminuer les vibrations induites par un équilibrage naturel. Un système actif en boucle fermée agit sur le pilotage d’un des pistons et permet de réduire les vibrations d’un ordre de grandeur supplémentaire. Le doigt froid pourrait cependant transmettre certaines vibrations au plan focal. Pour éviter cela, une tresse à forte conductibilité thermique relie le doigt froid au plan focal. Cette tresse est formée de feuilles d’aluminium ultra pur, solution la plus efficace dans cette gamme de températures (conductibilité spécifique trois fois plus élevée que celle du cuivre OFHC).

Cryo-réfrigérateur « tube à gaz pulsé » d’Air Liquide. Le doigt froid est à gauche de l’image (doré), l’électronique de commande / contrôle à droite. Doc. Air Liquide Advanced Technologies. © Laurent Lelong.

Régulation de la température du plan focal

Il est important d’obtenir une excellente stabilité de température du plan focal, en effet le rapport signal / bruit est très sensible aux oscillations de température, il décroît de 200 à 100 lorsque la variation de température passe de 50 à 100 mK. La qualité de la chaîne de réfrigération permet d’obtenir une stabilité de 20 mK.

Le sondeur atmosphérique

La charge utile principale de MTG-S est un spectromètre - imageur infrarouge (IRS) qui permet de déterminer le taux d’humidité de l’atmosphère en fonction de l’altitude et de mesurer la concentration des gaz à effet de serre et autres polluants. Il est équipé d’une chaîne de refroidissement similaire à l’instrument FCI. Cet instrument est encore plus complexe que le FCI. Toujours en phase d’intégration et de tests au sol, le modèle de vol donne actuellement toute satisfaction. Son lancement se fera en 2025.

Remerciements

Le rédacteur tient à remercier les orateurs ayant présenté le programme MTG lors des journées thématiques de la Commission Cryogénie et Supraconductivité de 2019 : Thierry Tirolien (ESA), Thierry Wiertz (Air Liquide), Lionel Duband (CEA-DSBT), Thierry Trollier (Absolut System), Cédric Leroy (Lynred) et Bernard Collaudin (Thales Alenia Space).

Dominique Valentian

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