Agrégation externe SII - 2021 - Option SII et ingénierie mécanique - Épreuve de modélisation

Agrégation concours externe

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
Épreuve d'admissibilité
Option sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique

Support : Sismomètre SEIS D'InSight pour Mars

La sonde InSight s'est posée sur Mars le 26 novembre 2018. Celle-ci a pour objectifs l'étude de la structure, de la composition physique et de l'état thermique des noyau, manteau et croûte de la planète, ainsi que la mesure de son activité sismique (Figure 1). Ces observations doivent permettre de comprendre l'évolution de Mars, passée d'une planète possédant une activité volcanique, des rivières et un champ magnétique à un désert aride soumis à de fortes variations de températures.

La mission Insight est la douzième mission d'exploration réalisée sous l'égide du programme Discovery de l'agence spatiale américaine (NASA) débuté en 1990. Les objectifs scientifiques attendus pour cette mission sont énoncés dans le Tableau 1.

Insight est composée de plusieurs instruments (analyseur de flux thermique, magnétomètre, station météorologique, réflecteur laser, sismomètre six axes SEIS) installés sur un atterrisseur d'environ 1,5 m de diamètre, ainsi que de l'ensemble des éléments gérant l'alimentation en énergie, les communications radio, la propulsion de la sonde et la régulation thermique (Figure 2). Certains éléments seront directement déployés sur le sol martien pour réaliser leurs observations (analyseur de flux thermique et sismomètre six axes SEIS).

Le sismomètre six-axes appelé SEIS (Seismic Experiment for Internal Structure, Figure 3) est l'un des éléments principaux de la mission InSight. Son financement a été soutenu par les agences spatiales française (CNES), américaine (NASA), allemande (DLR), suisse (SSO) et britannique (UKSA) en partenariat avec des organisations universitaires et de recherche et le SEIS livre depuis sa mise en service des données publiées régulièrement. Il a été conçu afin de répondre à une partie des objectifs présentés dans le Tableau 1. Il doit opérer dans des conditions environnementales difficiles sur Mars avec :

• des variations de température quotidiennes et climatiques, de -80 à 0 °C ;
• du vent, jusqu'à 75 km·h^-1 ;
• le champ magnétique et le champ de pesanteur de Mars (g = 3,711 m·s-²).

Le SEIS est déployé grâce à un bras robotisé sur la surface martienne et est protégé de la température et du vent à l'aide d'un bouclier thermique (baptisé RWEB pour Remote Warm Enclosure Box) et d'une seconde protection éolienne et thermique mission, SEIS est équipé d'un ensemble de capteurs composés de deux sismomètres trois-axes indépendants, couvrant les signaux de 0,01 Hz à plus de 50 Hz, montés sur une structure commune, appelée LVL (pour LeVeLing system), pouvant être mise de niveau très précisément grâce à trois pieds de longueur réglable. Ces deux sismomètres sont :

• le VBB (Very Broad band), un capteur trois axes à large bande de fréquences à pendules inversés placés dans une sphère en titane où le vide presque parfait est réalisé afin d'atténuer les contrastes de température ;
• le SP (Short periods), un capteur hautes fréquences adapté à des ondes sismiques de fréquence supérieure au Hertz.

Les missions antérieures ont permis de définir les exigences du module SEIS, en particulier sur les performances nécessaires des sismomètres (Tableau 2).

Le LVL possède plusieurs fonctions caractérisées dans le Tableau 3 :

• servir de support à l'ensemble de capteurs sismiques ;
• permettre la mise à niveau de l'ensemble de capteurs sur des sols de pente jusqu'à 15° ou sur des sols rocheux ;
• garantir une inclinaison inférieure à 0,1° par rapport à l’horizontale ;
• assurer un lien « rigide » avec le sol pour transmettre intégralement son mouvement aux capteurs sismiques ;
• offrir un support à des capteurs de température, des dispositifs de chauffage ou de protection thermique etc.

Problématique et architecture du sujet

Ce sujet porte sur la modélisation des capacités d'acquisition du module SEIS, et plus particulièrement sur le sismomètre large bande VBB. Il est composé de trois parties : les deux premières consistent à réaliser un modèle de la structure d'acquisition et la troisième permet de valider le fonctionnement à partir de résultats d'observation.

Les trois parties composant ce sujet ont pour objectif final de valider la structure retenue pour le sismomètre large bande VBB. Chacune de ces parties vise des objectifs spécifiques :

• la première partie a pour objectifs de valider les exigences relatives aux performances définies dans le Tableau 3 du dispositif de mise à niveau LVL ainsi que la capacité du LVL à assurer une transmission correcte des vibrations du sol au VBB afin de rendre possibles les mesures sismiques par les capteurs ;
• la seconde partie a pour objectif de valider les exigences relatives aux performances de mesures définies dans le Tableau 2 en modélisant le comportement général du sismomètre VBB ;
• la troisième et dernière partie a pour objectif de valider le fonctionnement du VBB en conditions réelles d'exploitation.