MICROSCOPEMICRO-Satellite pour l’Observation du Principe d’Equivalence

T-SAGE : Twin-Space Accelerometers for Gravitation Experiement

« Les bijoux accélérométriques de MICROSCOPE »

Manuel Rodrigues, chef de projetmanuel.rodrigues@onera.fr

2 MICROSCOPE

Sommaire

• Historique de l’accélérométrie spatiale à l’Onera

• T-SAGE dans la mission MICROSCOPE

• Quelques mesures accélérométriques de T-SAGE en orbites

Toutes les photos sans © doivent être comprises © ONERA

3 MICROSCOPE

CHAMP, GRACE, GOCE, MICROSCOPE ...

CACTUS Accelerometre – 1975– 10-8 m/s 2/Hz1/2

Accelerometers for geodesyJPL / Germany – GRACE-FO – Launch scheduled in 2018ESA – GOCE – 2009 – 10-12 m/s 2/Hz1/2

JPL / DLR – GRACE – 2002 – 10-10 m/s 2/Hz1/2

CNES / DLR – CHAMP – 2000 – 10-9 m/s 2/Hz1/2

Accelerometer for fundamental physicCNES / ONERA – Microscope – 2016 – 10-12 m/s 2/Hz1/2

Future missions 2020 – 2030 ?Geodesy NGGM ( ESA) – GRACE-2 (NASA)

ONERA, 4 décades of know-how

7 FLIGHTS15 accelerometers in orbit

100% of successMajor science Return

Accelerometer for microgravityNASA – Missions Microgravity Space Laboratory-1 – April & J uly 1997ESA – Mission Life and Microgravity Science – July 1996

4 MICROSCOPE

Example of science return in Geodesy

GRIM 5sBiancale R et al., 2000

Free air gravity anomalies of South America (mGal)

GGM03s Tapley et al 2007

GOCE TIM4Pail et al 2011

GEM9Lerch FJ et al. 1979

CHAMP GRACE GOCELAGEOS-GEOS3

DLR/CNES NASA/DLR ESA

1979 2000 2007 2011

5 MICROSCOPE

Galileo Galilei «Free-Fall » in space Microscope

Universality of free-fall test – MICROSCOPE

Comparison of 2 test-masses acceleration

Ultrasensitive Accelerometer

Need to measure 10-15g @ orbital frequency

SUREF : Pt/Pt => The Zero RefSUEP : Pt/Ti => EP test

� ������

�

�����

: Objective to be evaluated @ 10-15 accuracy

Difference of acceleration

6 MICROSCOPE

T-SAGE = charge utile ONERA de MICROSCOPE : précision au micromètre et au microvolt

Capteur: SU PE + SU REF• 2 accéléromètres différentiels • Cœur en Silice dorée réalisé par le

procédé ONERA d’usinage par ultra-sons à qq µm

• Précision de réalisation et d’intégration de toutes les pièces (céramique, silice, titane, invar, PtRh,….) de 1 à 5 µm

Electronique de proximité: FEEU• Un FEEU pour chaque SU• Electronique analogique: détecteurs capacitifs, CNA, CAN, FPGA• Bruit des tensions de référence

0.2µV Hz-1/2

• Bruit de mesure <1µV Hz-1/2

Electronique numérique d’interface satellite: ICU• 1 ICU par FEEU l’un sur l’autre• DSP (calculateur), FPGA• Calcul: 40bits • Télémétrie science = 4Hz / 24bits

7 MICROSCOPE

Principe de mesure de l’accéléromètre électrostatiq ue asservi

8 MICROSCOPE

( ) ( )i ci piC f fα α= +

C1

C2

αp

αc

e1e2

C1C2

( )1ii eC f=

C1C2

L2 L1

( )i iC f L=

X+

X-

ΦΦΦΦ2+

ΦΦΦΦ4-

ΦΦΦΦ2-ΦΦΦΦ4+

SUP+

SUP-

Y1+Y1- Y2+

Y2-

Z1+

Z1-Z2+

Z2-Z1-

Z2-

Y2-

X-

Y1-X+

SUP+

ΦΦΦΦ2-

ΦΦΦΦ2+

Configuration des électrodes

9 MICROSCOPE

Cœur du senseur

Masses de test

Cylindres en silice dorée pour les électrodes

Système de vide

Système de blocage des masses d’épreuve

Circuits internes des connexions coaxiales

Connecteurs hermétiques

« Chapeau » en silice pour le centrage précis des électrodes

Réservoir 24bars

Electro-valves

10 MICROSCOPE

THE PAYLOAD

11 MICROSCOPE

Instrument Development : Phase C2Detailed definition of the production processes

Production of MQTH, QM, FM parts: ~ 5µm accuracy ma chiningDiamond drill and ultrasonic machining for silica p arts

12 MICROSCOPE

Instrument Development : Phase C2METROLOGY MUCH MORE DIFFICULT THAN PRODUCTION

Production of QM , FM parts : ~ 1à 5 µm accuracyMetallic parts free of magnetic materials (titanium alloy)Housing made in Invar for magnetic shielding (speci fic process of production that guarantees 50 factor attenuation)

Test-mass made in PTB, Germany

13 MICROSCOPE

Catapult test to validate the qualification or the ac ceptancein BREMEN

(c) ZARM

(c) ZARM

14 MICROSCOPE

Catapult test to validate the qualification or the ac ceptance(Drop n°61 with QM, contribution from H. Selig - ZARM)

Slow motion (speed/2)(c) ZARM-H. Selig

15 MICROSCOPE

Integration du satellite

2016

(c) CNES-Grimault

(c) CNES-Grimault

(c) CNES

16 MICROSCOPE

MICROSCOPE GROUND SEGMENT

CNESCNES +Ground stations

ONERA (CMS-M)

17 MICROSCOPE

What do we measure? Each mass acceleration

[ ]

( )

( ) ( )( ) ( )( )2

1,2

0,2

0,1,2

1

1

/1,

2

2

1

2

1)(

dxdxappcxxxresdxx

cxxxresdxdxappcxx

res

t

dydy

dzdz

dx

z

y

x

t

cycy

czcz

cx

satxcxdxmes

bbCK

bCbK

C

K

InT

K

gKfep

df

df

df

+Γ+−+Γ⋅+

−+Γ⋅+Γ⋅⋅+

+Γ⋅

−++

∆∆∆

⋅−⋅

−++

⋅⋅=Γ

ρρ

θηθη

θηθη

δ Searched EP signal

Impact of gravity gradient and s/c angular motion

Impact of residual acceleration through the differe nce of 2 TM matching

Impact of non linear terms

( )Cfepdfrescmes

ρρρ+Γ=Γ )(,

( )1,2,, 2

1ismesismescmes Γ+Γ=Γ

ρρρ

( )1,2,, 2

1ismesismesdmes Γ−Γ=Γ

ρρρ2,ismesΓ

ρ

1,ismesΓρ

MEASURED CALIBRATED FOR CORRECTION CALIBRATED FOR VERIFICATION

N1 LEVEL = N0c + SF+alignment

N2 LEVEL

Reduced by drag-free & attitude controlor by construction

18 MICROSCOPE

11th of May 2016 : Switch from Full Range Mode to High Resolution Mode (HRM)

Seconds

Acceleration of Xinner of SUEP

S/C is in MNOGMagnetotorquer ControlOf the Attitude

Cold Gaz Thrusters used in combination with SSTto Finely control the attitude of S/C.

First Swith on of HRM(science mode).S/C is rotating with a small conic motion

19 MICROSCOPE

Quelques résultats préliminaires

• Accélération différentielle SUEP – session 218 (mars 2017) – 120 orbites

• FFT de l’accélération différentielle FFT une fois corrigée du gradient de gravité

∆x = (20.15 +/- 0.03) µm ∆z=(-5.69 +/- 0.03) µm

20 MICROSCOPE

Inertial pointing during 1 day

X axis of SUEP

Y axis of SUEP – Normal to the orbit

Z axis of SUEP

Effect of Earth’s eclipse: the Sun radiation is no morepushing on the satellite => ~3 10-8m/s² is the acceleration due to photonsPressure on satellite

Orbital period

DRAG ~ 2 10-8m/s²

Photon pressure on s/c ~ 3 10-8m/s²

Session in spin V2 – SUREF – Earth’s gravity effect subtracted

f_ep

Resolution @ fep~1.5 � 10�����������/�

In good agreement with theory

Theoretical gold wire damping noise with

stiffness measured in flight

Spin V2 = 0.7 x 10 -3Hz

21 CNES 6-7 of september 2017 – LISAPF / MICROSCOPE workshop

� � �����

����

�

�

Thermal noise

�²

Position capacitive noise

22 MICROSCOPE

The commissioning phase results: Variations of Temperatures in the SU & in the FEEU

No signal @ 10µK level

No signal @ 10µK level

No signal @ 15µK level between each end of the test-masses

Radiometer or radiation pressure effect

à ��

�!"#

∆%

%< 5 10-16m/s²

à ��

�!#�&∆%

'()*'< 10-15m/s²

Thermal stability of parasitic forces

Sensitivity tests performed on May 2017, under analysis

Thermal stability of electronics biases

Sensitivity tests performed on May 2017 => systematics of 0.7x 10-15 m/s²

fEP

fEP

fEP

Variations of temperature 2 orders of magnitude better than specified

FFT of temperature probes

23 MICROSCOPE

Bilan T-SAGE au bout de 660 jours en orbites

• Malgré 3 anomalies sur des condensateurs (SUREF), les 2 doubles accéléromètres électrostatiques (SUEP et SUREF) ont bien fonctionné

• Beaucoup de données scientifiques et techniques à dépouiller finement pour améliorer le modèle instrumental

• Instrument très sensible (micro-débris ou craquement MLI-revêtement du satellite + des vibrations de l’environnement autour de 25-50Hz non compris)

• PRL 04/12/17, Touboul et al, donne une différence d’accélération sur X< 10-13m/s² @ fep

• Sur tous les axes perfos meilleures que 5 x10-14m/s² autour de 0.02 Hz sur 320 orbites

24 MICROSCOPE

Le scénario de fin de mission

• Fin des expériences scientifiques: 16 février 2018� 10 000 000 sec de mesure cumulée disponible fin février 2018 pour le test

EP (SUEP)� Les étalonnages et les caractérisations ~ 60 sessions / SU réparties sur 1,5

ans• Expérience Techno T-SAGE: Mars - Avril 2018• Expérience Techno satellite + Aéronomie: Mai - Septe mbre 2018

• Passivation du satellite en septembre 2018