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Un article de Projet Exploradur.

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DossierScientifique.pdf

Sommaire

Objet du document

Le but de ce document est de décrire les expériences réalisées par la sonde Exploradur I. Ces expériences se dérouleront :

  • Pendant la phase de descente
  • Pendant l'impact
  • Pendant la phase sol

Ce document participe à la conception électronique et logiciel des chaines de mesures. C'est donc un document d'entrée pour la conception détaillée des différents sous ensembles.

Rappel des documents applicables

Ce document s'appuie sur 2 documents

1- Le cahier des charges Cansat de planète Sciences

2- La description de la sonde Exploradur

Descriptif des expériences

En cohérence avec le DOC2, les expériences ont été réparties en deux types :

Les expériences principales :

  • Mesure de pressions pendant la descente et au sol
  • Mesure de la température pendant la descente et au sol
  • Mesure de la dureté du sol pendant l'impact

Les expériences secondaires :

  • Mouvements sismiques
  • Prises de photos

Les paragraphes suivants décrivent ci après pour chacune des expériences, les caractéristiques recherchées ainsi que la justification de ces exigences.

Mesure de la pression

Dynamique de mesure :

La question posée est de savoir si le milieu sur lequel va atterrir l'exploradur est en dépression ou bien en surpression.

Pour cela il est proposé d'utiliser un capteur classique de 1.1 bar absolue. En effet, les informations liées aux mesures astronomiques nous amènent à penser que l'on se trouve plutôt dans une atmosphère en dépression par rapport à la terre.

Si le détecteur sature en surpression, c'est que l'atmosphère est en surpression. Si le capteur est en dépression, alors, c'est que l'atmosphère est en dépression. De plus, dans ce cas, la dynamique de mesure sera un plus complète et donc plus précise. La dynamique de mesure recommandée pour ce capteur est donc 0 à 1.1bar. On admettra que cette dynamique de mesure est la même au sol et en vol.

Fréquence de mesure :

Compte tenu de l'information à avoir, une mesure toutes les 10 minutes est largement suffisante au sol. Elle permettra devoir une centaine de mesure par jour si nécessaire.

Pendant la phase de descente, on souhaitera avoir une mesure toutes les 10 secondes au minimum. Cela permettra de surveiller des différences de pressions en fonction de l'altitude.

Résolution de la mesure :

Pour mesurer la dépression, on estime qu'une résolution de 10mbar (soit 1% de la dynamique) est très largement suffisante.

Une meilleur résolution permettra d'observer la descente sous parachute.

Précision de la mesure :

Elle sera de 10mbar minimum pour répondre aux exigences de résolutions.

Il pourra être intéressant de moyenner la mesure pour atteindre cette précision.

Température

Dynamique de mesure :

La question posée est de connaitre globalement la température de l'environnement. Le but n'est pas de connaitre précisément de la température. On privilégiera plutôt la dynamique que la précision.

Compte tenu des informations rapportées par les mesures astronomiques, on partira sur une dynamique de mesure de -40°C à +85°C. En effet, il semble que l'on soit proche des conditions martiennes ou terriennes. Il n'a pas été détecté de condition trop chaude. Par contre, compte tenu de la précision du largage, on ne sait pas si la sonde va être larguée sur un tropique, sur un équateur, de jour ou de nuit.

Si on se réfère aux données disponibles sur terre et sur Mars, cette dynamique de mesure semble compatible.

Fréquence de mesure :

Compte tenu de l'information à avoir, une mesure toutes les 10 minutes est largement suffisante au sol. Elle permettra devoir une centaine de mesure par jour si nécessaire.

Pendant la phase de descente, on souhaitera avoir une mesure toutes les minutes au minimum. Elle donnera une température moyenne de l'atmosphère.

Résolution de la mesure :

On cherche à connaitre quelles sont les conditions de températures pour le dimensionnement de futures mission. Une mesure de résolution 5°C est donc largement suffisante. Elle permettra de vérifier si il y a des variations de températures entre jour et nuit.

Précision de la mesure :

Elle sera de +/- 5°C minimum pour répondre aux exigences de résolutions.

Dureté du sol

Dynamique de mesure :

L'objectif de la mesure est d'identifier globalement sur quel type de milieu on va se poser. Cela permettra le dimensionnement de futurs missions (rovers, bases de mesures...). On va chercher à identifier les milieux suivants :

  • Liquide
  • Sable
  • Terre
  • Roche

Pour identifier le type de sol, la sonde va larguer son parachute alors qu'il sera à 2 mètres du sol. On mesurera alors le choc avec un accéléromètre. La mesure sera l'enregistrement complet du choc pendant un certain temps T. L'amplitude et la forme d'onde permettra d'identifier le milieu.

Pour dimensionner globalement le choc, il faut connaitre la vitesse à laquelle la sonde va percuter le sol. Hypothèses : La sonde est larguée à 2m. Elle est alors sous parachute. Sa vitesse de descente est alors de 2 m/s.

La vitesse à l'impact sera donc V_i = g \times t_i+V_0. Avec V0= 5m/s, g gravité et ti temps de l'impact par rapport au largage.

À noter que g n'est pas forcément connu. On pourra vérifier sa valeur pendant la descente, avant le choc, grâce à l'accéléromètre.

Il faut donc déterminer ti. La distance parcourue est celle du largage (largage effectué à 2m du sol grace au radar de proximité).

On a donc d=0,5 \times g \times t_i^2+V_0 \times t_i. Avec d=2m Avec g=9,81, on obtient ti = 0,3s (environ).

D'ou V0 = 8 m/s.

La dynamique de mesure dépendra donc de la durée du choc, lié notamment au type de sol.

A = \frac{(V_0-0)}{T} Avec V_0 = 8 m/s

Le tableau suivant donne les résultats en fonction des dynamiques de T :

T (temps en seconde) A (maximum d'accélération en m / s2
0,01 800
0,05 160
0,1 80
0,2 40
0,4 20

800 m / s2 représente environ 81g.

Compte tenu des capteurs disponibles, on prendra plutôt une dynamique objective de 50g.

Dans le pire des cas, on dimensionne une durée de choc de 0,4s.

Compte tenu de la durée de chute (0.3s), on prendra une durée totale d'enregistrement de 2 secondes (Chute+chocs+marges).

concernant la fréquence d'échantillonnage, on prendra une fréquence de 1KHz. En effet, elle permettra d'obtenir 10 points de mesure pour notre hypothèse courte (0,01s). Enfin, les accéléromètres on une bande passante de quelques centaines de Hertz (400 Hz). Cela permet donc de respecter Shanon.

Fréquence de mesure :

1 fois pendant l'impact

Résolution de la mesure:

On se propose un minimum de 0,1g. C'est surtout la forme de l'onde et son max qui sera intéressant.

Précision de la mesure :

0,1g correspondant au minimum de résolution.

Mesure des mouvements sismiques (secondaire)

Dynamique de mesure :

Cette mesure utilisera les 3 accéléromètres utilisés pour déterminer la verticale de la sonde lorsqu'elle sera au sol. La dynamique de mesure sera donc de 1g. La mesure sera réalisée pendant une durée de 1s avec une fréquence de 5Hz.

Fréquence de mesure : Cette mesure ne sera déclenchée que si un mouvement est détectée. Cette détection sera réalisée une fois par seconde.

Résolution de la mesure : Une résolution de 1mg semble suffisante. Précision de la mesure : Pas d'exigence.

Prises de vues (secondaire)

Dynamique de mesure : L'objectif de cette mesure est de connaitre l'environnement physique dans lequel la sonde s'est posée. Et notamment de détecter si des cailloux pourraient gèner le déplacement d'un Rover. On se donne l'objectif de détecter un caillou de 5cm x 5cm à une distance de 4m. On suppose que l'angle d'ouverture de la caméra est de 120° ( à confirmer). À 4m, la zone visible aura une largeur de 14m. La résolution nécessaire est donc de 14m/5cm soit de 277 pixel minimal. On peut considérer ainsi qu'une caméra de 320*200 pixels ayant un angle d'ouverture de 120° est suffisante. Il n'y a pas de nécessité à obtenir des couleurs, 256 niveaux de gris seront suffisants pour détecter une forme. Fréquence de mesure : On envisage de prendre 2 images par jour. Cela permettrait d'avoir deux ombres différentes. Cela augmenterait ainsi notre capacité à déterminer le relief. Résolution de la mesure: cf dynamique de mesure Précision de la mesure : cf dynamique de mesure

Synthèse des exigences liées aux expériences

Le tableau ci dessous synthétise les exigences de mesures :

Nom de l'exigence Description
EXP01 La mesure de pression aura une dynamique de 0 à 1,1 bar
EXP02 La fréquence de la mesure de pression pendant le vol sera de 10 secondes
EXP03 La fréquence de la mesure de pression au sol sera de 10 minutes
EXP04 La résolution de la mesure de pression (sol et vol) sera de 10mbar minimum
EXP05 La précision de la mesure de pression (sol et vol) sera de 10mbar
EXP06 La mesure de température aura une dynamique de mesure de -40°C à +85°C
EXP07 La fréquence de la mesure de température sera de 1 minute (vol et sol)
EXP08 La résolution de la mesure de température sera de 5°C
EXP09 La précision de la mesure de température sera de +/-5°C
EXP10 La dynamique de mesure du choc sera au minimum de 50g. Idéalement de 81g
EXP11 La durée d'enregistrement sera de 2s
EXP12 La fréquence d'enregistrement sera de 1kHz
EXP13 La mesure ne sera réalisée qu'une seule fois, a l'impact
EXP14 La résolution recherchée est de 0,1g
EXP15 La précision recherchée sera de +/-0.1g
EXP16 Pour la mesure sismique, la résolution sera de 1g
EXP17 L'enregistrement des mouvements se fera pendant 1s à la fréquence de 5Hz
EXP18 L'enregistrement ne s'effectuera que sur détection de mouvement (réalisé à 1s)
EXP19 La résolution de la mesure est de 1mg
EXP20 La résolution de la caméra sera de 320*200 pour un angle de 120°
EXP21 Les pixels devront avoir 256 niveaux de gris. Pas d'exigence sur la couleur
EXP22 Le nombre d'images par jour sera de 2 par jours au minimum