Polissage sous-contraintes des grands miroirs allégés spatiaux : observation de l'Espace et de la Terre

Stress mirror polishing for large lightweight mirrors for space application : Space and Earth observations

• Auteur / Autrice : Sabri Lemared
• Direction : Marc Ferrari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Instrumentation pour l'astrophysique
• Date : Soutenance le 30/09/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Beuzit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Dargent, Marie Laslandes, Stéphanie Béhar-Lafenetre, Christian, du Jeu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Néauport, Katia Mocellin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lentilles (optique)

Télescopes spatiaux

Télescopes

Optique

Mots clés libres

Polissage sous contraintes

Optique active

Élasticité

Grands miroirs

Optimisation de forme

Optimisation topologique

Stress-Mirror polishing

Active optics

Elasticity

Large mirrors

Shape optimization

Topology optimization

Résumé

Les grands miroirs primaires des futurs grands observatoires spatiaux sont développés de manière à augmenter le rapport rigidité / masse primordiale pour réduire les coûts et maintenir une bonne tenue mécanique tout en gardant une très grande qualité de surface optique. La mise en place des structures d’allègement, le choix du matériau et la méthode de polissage sont des paramètres essentiels pour atteindre ces exigences. Le polissage sous contraintes (SMP) est une technique qui présente de nombreux avantages dont la capacité d’asphériser une optique de grand diamètre sans générer de défauts de hautes fréquences spatiales et en un minimum de temps grâce à l’utilisation d’un outil de pleine taille. Dans ce manuscrit, le polissage sous contraintes d’un grand miroir allégé spatial est présenté en deux parties principales. Dans la première partie, je fais une étude sur le polissage sous contraintes d’un miroir allégé monolithique traditionnel en corrigeant le design pas à pas. Dans un premier temps, j’agis sur le miroir de façon externe avec une contreforme et, dans un second temps, je redéfinis le modèle du miroir pour le rendre compatible à la production d'une asphère de type axisymétrique par SMP. La deuxième grande partie sépare les fonctions de polissage et de rigidification. En premier lieu, l’optimisation de forme assistera la démarche théorique dans la recherche de la forme optimale du miroir pour atteindre l'objectif d’asphérisation. En second lieu, l’optimisation topologique me donnera les outils afin de trouver la structure allégée idéale pour répondre aux spécifications en termes de première fréquence de vibration mais aussi de réduction de la masse totale

Large primary mirrors for future space obstervatories are developed by increasing the ratio stiffness/weigth which is critical to reduce the cost and to maintain a very light structure with a high mechanical rigidity. The implementation of ligthweight structure, the choice of the material and the polishing technique are essential to reach the specifications required. Stress mirror polishing (SMP) technique provides many advantages such as an effective way to aspherize a large optical substrate without generating high spatial frequencies errors in a minimum time period thanks to a full-size polishing tool. In this manuscript, the stress mirror polishing of a large lightweight space mirror is presented in two main parts.In the first part, I study the SMP method on a classic lightweight monolithic mirror by rectifying the model step by step. In a first instance, I operate on the mirror in an external way with an oppposite shape structure and then, subsequently, I redefine the mirror design to produce an axisymetric aspheric. The second part handles the antagonistic aspect between the SMP technique and the high rigidity of lightweight mirror by introducing a functional decoupling. I separate, in this section, polishing and rigidification functions. Concerning the polishing function, I use a shape optimisation algorithm to assist the theoretical approach to find the optimal mirror shape in order to reach the aspherisation goal. For the rigidication function, the tools given by a topology optimisation algorithm to converge toward the ideal lightweight structure is very valuable to meet the space requirements in terms of first vibration frequency and lightened structure