Porter le miroir M2 de l'ELT sans le déformer : un support actif

Le miroir secondaire (M2) de l'Extremely Large Telescope (ELT) est le plus grand miroir convexe de précision jamais réalisé. Très large et pourtant très fin, il se déforme sous son propre poids. Chez Safran Reosc, il est mesuré régulièrement sur un banc interférométrique pendant son polissage. Pour le porter sans le déformer, nous avons développé un support actif dédié.

Ma contribution : j'ai conçu le contrôle-commande électronique et logiciel du support actif, puis j'ai mené la validation du système.

Le défi : appliquer le bon champ de forces

• Dans le télescope, le miroir est tenu par sa cellule en plusieurs points d'appui, qui compensent sa déformation sous la gravité.
• Pendant la mesure, le support doit appliquer exactement le même champ de forces que la cellule du télescope, avec une très grande précision sur chaque force.
• Toute erreur de force se retrouve dans la mesure : elle déforme le miroir et fausse le polissage.

Le choix : un support pneumatique piloté

Nous avons comparé deux solutions : un palonnier mécanique passif (whiffletree), comme dans la cellule du télescope, ou un support pneumatique. Le support pneumatique l'a emporté : technique éprouvée sur le VLT, champ de forces facile à modifier, mesure des forces en continu et conception réutilisable pour le miroir M3. Sa contrepartie : il demande un système de contrôle-commande.

• Des vérins pneumatiques, chacun relié à un point d'appui du miroir par un capteur de force de haute précision, étalonné autour de sa force de travail.
• Des réservoirs de gaz, qui jouent le rôle de condensateurs : ils filtrent les vibrations du sol et limitent l'effet d'une fuite sur la régulation.
• Des flexions à l'interface, assez raides pour tenir le miroir et assez souples pour limiter les efforts latéraux parasites.
• Un contrôle-commande qui pilote l'ensemble des vérins pour appliquer le champ de forces nominal, et règle en même temps la hauteur et l'inclinaison du miroir.

La validation, brique par brique puis en système complet

J'ai commencé la validation par les sous-ensembles : chaque vérin a été étalonné, puis l'ensemble vérin, capteur et électronique a été testé sur un banc dédié.

• Dérive : la force reste stable sur toute la durée d'une mesure.
• Linéarité : la relation entre force et pression reste linéaire, avec une hystérésis faible, sur toute la plage de travail.

J'ai ensuite testé le système complet avec le miroir M2 posé dessus.

• Répétabilité : une même consigne, appliquée plusieurs fois, ramène le miroir à la même hauteur et à la même inclinaison, bien dans les tolérances demandées.
• Stabilité : sur plusieurs heures, la position du miroir et la force de chaque vérin restent très stables.

Les performances optiques

Le support actif fait partie du banc de mesure : ses défauts se verraient sur certaines formes de déformation du miroir, comme l'astigmatisme et le trèfle.

• Répétabilité de la mesure : des mesures complètes répétées sur plusieurs jours restent très en dessous des exigences du client.
• Efforts latéraux : après une manutention, des efforts peuvent apparaître dans les flexions. Une procédure simple les relâche en abaissant les vérins, et la mesure retrouve sa précision.
• Rotation du miroir : nous avons retiré le miroir, puis nous l'avons tourné et reposé. Les deux mesures concordent dans les critères fixés. Ce test, l'un des plus exigeants de la validation, a duré plusieurs jours.

À retenir

• Le support actif applique le champ de forces du télescope avec des marges confortables par rapport aux exigences du client.
• Une mesure plus juste permet au polissage de converger plus vite que prévu.
• Le même concept a été réutilisé pour le miroir M3 de l'ELT.

Pour aller plus loin

H. Monin, R. Mercier-Ythier, N. Lefeuvre et al., Development of a 18 point active supporting tool for the metrology of the ELT M2 secondary mirror, Proc. SPIE 13021-18 (2024), SPIE · DOI