EPLAN au coeur de l'aérospatial avec l'Observatoire stratosphérique SOFIA

L'avion de recherche SOFIA fonctionne maintenant depuis 8 ans et permet d'observer l'espace de près en enregistrant le rayonnement infrarouge. L'ingénierie électrique complexe de ce télescope unique en son genre n'était jusqu'à présent disponible que sur papier et sous forme de documents PDF. L'équipe d'ingénieurs et de techniciens de l'Institut allemand SOFIA (DSI) de l'Université de Stuttgart utilise désormais une solution EPLAN, précisément adaptée aux exigences particulières de la recherche astronomique fondamentale.

La vue est toujours meilleure d'en haut. Ce principe s'applique également à l'astronomie. Si les gens veulent explorer l'univers en utilisant le spectre infrarouge, ils ne gagneront pas grand chose en le faisant depuis la Terre car les rayons infrarouges ne peuvent pas pénétrer la vapeur d'eau dans l'atmosphère terrestre.

C'est pourquoi la NASA et le DLR (Centre aérospatial allemand) ont mis en service en 2010 le seul "observatoire volant" du monde. Un Boeing 747 SP a été équipé d'un télescope de 17 tonnes et d'un miroir de 2,70 mètres de diamètre. À une altitude de 13 à 14 kilomètres, le télescope permet d'obtenir des informations approfondies sur, par exemple, la formation des étoiles et des systèmes planétaires.

L'avion est connu sous le nom de SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) et décolle plusieurs fois par semaine de Palmdale, en Californie, pour des vols de recherche. Des scientifiques sont à bord et ont déjà détecté plusieurs molécules inconnues jusqu'alors. Ils sont également capables d'étudier en détail la formation des étoiles. C'est important pour la recherche fondamentale car dans les réactions à très haute énergie de la "naissance des étoiles", la fusion des noyaux atomiques a lieu, ce qui donne naissance à de nouveaux éléments de plus grande valeur. La fusion nucléaire transforme l'hydrogène et l'hélium en atomes nouveaux ou différents tels que le carbone, l'oxygène et les métaux.

Partage de l'emploi de précision

Lors de l'exploitation du SOFIA, la responsabilité des tâches est rigoureusement répartie. La NASA/USRA sont responsables des vols et des avions. Les opérations scientifiques sont menées par le Centre d'opérations des missions scientifiques (SMO) du SOFIA au Centre de recherche Ames de la NASA (Mountainview, Californie). La DSI a développé le télescope et est responsable de son entretien. Ce partage des tâches est logique : le télescope a été fabriqué en Allemagne et son palier hydrostatique et son miroir, en Zerodur, en font un chef-d'œuvre d'ingénierie en matière de technologie mécanique et instrumentale. Il peut être aligné avec une précision de 0,2 seconde d'arc et est monté avec une telle précision que lorsque les freins sont relâchés, les poids d'environ 8 tonnes peuvent être déplacés en trois dimensions avec un seul doigt. Pour avoir une idée de la précision de 0,2 seconde d'arc, il suffit de considérer que le télescope peut viser une pièce de 1 cent à 16 kilomètres de distance à l'aide d'un laser à partir d'un avion volant à une vitesse de 800 km/h - comme si on se trouvait dans un ouragan.

La majorité des quelque 50 employés de la DSI travaillent au centre de recherche en vol Armstrong de la NASA à Palmdale, où ils effectuent non seulement des tâches de développement et de maintenance, mais soutiennent également les activités à bord et préparent de nouveaux vols de recherche. Cela comprend l'adaptation de la configuration du télescope à l'un des six instruments scientifiques dotés de différents détecteurs pour différentes gammes d'ondes, chacun d'entre eux captant les signaux reçus par le télescope.

Si un défaut ou simplement une irrégularité se produit au niveau du télescope, l'équipe de Palmdale entre immédiatement en action. Auparavant, si le défaut concernait l'électronique du télescope, il fallait accéder à des schémas imprimés qui étaient stockés dans des étagères de fichiers. Simon Beckmann, qui est conjointement responsable de l'électronique du télescope, déclare : "Le développement des différents systèmes du télescope il y a une vingtaine d'années a impliqué de nombreuses entreprises spécialisées utilisant différents systèmes CAO. La documentation électrique complète a donc été livrée sous différentes formes en PDF. Il était alors toujours difficile de garder une trace lors du dépannage".

Exigence d'une documentation normalisée et prise en charge par la CAO

Ce qui précède était peut-être une solution pragmatique à l'époque, mais d'un point de vue actuel, il ne s'agissait nullement d'une solution tournée vers l'avenir : la gestion des changements et des révisions nécessitait d'énormes efforts. Comme le SOFIA doit poursuivre ses vols de recherche jusqu'en 2034, la direction de la DSI a décidé de convertir toute la documentation électrique en un système de données standard. Ce projet a été entrepris par Simon Beckmann, qui avait auparavant travaillé pendant plusieurs années à Palmdale en tant qu'ingénieur en avionique et connaissait donc très bien la configuration unique du télescope.

Une étude de marché réalisée au début du projet a donné un résultat clair : EPLAN répondait le mieux aux exigences très particulières, bien qu'il ne soit pas fortement représenté dans l'industrie aérospatiale. Selon Simon Beckmann, le concept de base souhaité était de construire un système CAO spécifique aux DSI sur la base de trois piliers d'égale importance. La solution n'était donc pas prête à l'emploi et devait être basée sur EPLAN Electric P8. Le logiciel a été entièrement adapté à l'application spécifique. La société TPO Engineering Services GmbH de Crailsheim, en Allemagne, a été chargée de la mise en œuvre du projet. Il s'agissait non seulement de convertir des données de conception hétérogènes en une documentation EPLAN standard, mais aussi d'intégrer des exigences générales et particulières. "Les employés de TPO ont vraiment fait un travail extraordinaire", déclare Simon Beckmann.

Un système sur mesure reposant sur trois piliers

Le premier des trois piliers basés sur EPLAN est un outil, appelé DSI Engineering, utilisé pour modifier et reconcevoir les composants électriques et électroniques du système du télescope et des équipements de test. Les éléments de base comprennent une structure standardisée, la mise en œuvre de macro-fonctions et le développement de modèles individuels. DSI Engineering dispose également de sa propre bibliothèque de symboles spécifique à la SOFIA. Les entreprises mandatées par DSI Engineering, ou les étudiants travaillant sur leur thèse de licence ou de maîtrise, peuvent alors créer des listes de câbles, de prises et de connexions à partir d'une source unique.

Maintenance et réparation basées sur la CAO

Le deuxième pilier est l'outil "Maintenance et réparation DSI". Au cœur de cet outil se trouve le "Harness Master Diagram" (HMD) qui donne une vue d'ensemble de l'ensemble du télescope. Simon Beckmann déclare : "Les documents schématiques d'EPLAN sont basés sur le HMD et fournissent une fonction de saut efficace. Malgré une ingénierie électrique très complexe et plus de 2000 pages de schémas de circuit, vous ne perdez pas la vue d'ensemble lors du dépannage. Chaque ingénieur et technicien de la DSI peut utiliser le visualiseur EPLAN pour obtenir, en un clic de souris, un accès direct aux dessins détaillés, aux schémas de câbles, aux désignations des broches et aux fiches techniques des différents composants". Malgré l'immense richesse des détails, la complexité a également été intentionnellement évitée. La majorité des utilisateurs d'EPLAN à la DSI n'utilisent pas le logiciel quotidiennement, aussi son utilisation doit-elle être intuitive. De nombreuses fonctions utiles sont incluses. Si, par exemple, une unité de calcul défectueuse est remplacée par une nouvelle unité, le module d'option EPLAN garantit que les schémas et la documentation associée sont mis à jour en arrière-plan.

Preuve de documentation obligatoire dans l'industrie aérospatiale

Le troisième pilier d'EPLAN, appelé "Assurance qualité", est la preuve de la documentation de l'ensemble du câblage télescopique. Simon Beckmann explique pourquoi ce module optionnel EPLAN est si important : "Lorsque le télescope a été fourni, il n'existait pas d'unités de remplacement. Actuellement, nous les développons et les fabriquons en interne à la DSI ou les faisons reconstruire par les fabricants. Comme la technologie change beaucoup, les améliorations sont bien sûr incorporées dans les composants reproduits. Les unités de remplacement peuvent donc avoir la même interface avec le télescope, mais une structure interne complètement différente. Le module d'option garantit que l'équipe de la DSI peut agir rapidement en cas d'erreur et que le SOFIA décolle toujours pour la mission suivante avec le statut de documentation le plus récent". Cette approche sert également aux approbations de navigabilité et au suivi de la gestion des révisions".

Les petits détails : Standardiser les différents documents

Lors de l'installation du logiciel, l'équipe SOFIA a dû relever le défi d'une série de documents et de schémas différents qui avaient été fournis par les fournisseurs de composants de télescopes de l'époque. Simon Beckmann déclare : "Nous ne pouvions pas simplement transférer les documents 1:1. Chaque document devait être adapté et subir une certaine réaffectation au sein de la structure. Dans certains cas, des documents étaient manquants ou ne pouvaient pas être représentés clairement, nous devions donc vérifier les fonctions du système et, si elles n'étaient pas claires, nos collègues de Californie les vérifiaient lors des travaux de maintenance".

Utilisation intensive des capacités d'EPLAN

Pour Simon Beckmann, le projet de dix-huit mois consistant à transférer des documents très complexes dans EPLAN a été un grand travail d'équipe dans lequel tous les participants ont mis beaucoup de passion et de persévérance : "Nos exigences hautement spécialisées signifient que nous utilisons probablement 90 % de toutes les fonctions d'EPLAN. Nous avons souvent dû consulter le fournisseur et avons bénéficié d'une excellente assistance. Nous avons pu résoudre certains problèmes grâce aux propriétés des blocs, parfois nous avons eu de la chance et une nouvelle version a été publiée avec la fonction souhaitée. Au total, plus de 50 propriétés de bloc EPLAN ont été programmées pour le projet et même les employés EPLAN eux-mêmes ont fait preuve d'un grand respect pour la mise en œuvre. Cela nous rend fiers".

Prêts pour les 15 prochaines années

Avec la nouvelle documentation CAO standardisée basée sur EPLAN, les responsables du DSI se sentent bien préparés pour les futurs travaux sur le télescope du SOFIA et encore plus pour le dépannage rapide des irrégularités. Le transfert de données EPLAN étant terminé, il n'existe plus qu'un seul état de données commun et toujours à jour et le personnel du DSI peut "zoomer" très rapidement sur chaque détail électrotechnique du télescope. La reproduction d'unités individuelles à l'aide des données EPLAN (et donc aussi la modification de la documentation en raison de nouveaux composants) n'a pas encore été testée - simplement parce qu'aucun composant n'a été défectueux. Ce dernier test pratique aura cependant certainement lieu tôt ou tard : Le SOFIA va effectuer des vols de recherche pendant encore quinze ans, afin d'acquérir des connaissances, par exemple, sur la naissance de nouvelles étoiles.

SOFIA : Projet international commun de recherche fondamentale

La recherche fondamentale est généralement effectuée sous forme de projet commun en raison des coûts élevés qu'elle implique. Cela s'applique également au SOFIA. Les opérateurs de l'Observatoire stratosphérique pour l'astronomie infrarouge sont le Centre aérospatial allemand e.V. (DLR) et la NASA. En Allemagne, le gouvernement fédéral, le Land de Bade-Wurtemberg et l'université de Stuttgart financent le SOFIA. Du côté allemand, les opérations scientifiques sont coordonnées par l'Institut allemand SOFIA (DSI) de l'Université de Stuttgart, et du côté américain par l'Association de recherche spatiale des universités (USRA). L'avion, un Boeing 747 SP "Jumbo-Jet" transformé (version raccourcie avec un rayon d'action accru), a décollé pour la première fois en 2010. Une série de projets de recherche sont menés à chaque vol et ont jusqu'à présent permis de faire des découvertes essentielles dans des domaines très différents de l'astronomie.

Observatoire, avion ou satellite ?

Les grands observatoires stationnaires, par exemple dans le désert d'Atacama, utilisent également des télescopes infrarouges. Cependant, les télescopes au sol ne peuvent voir que dans une mesure très limitée dans le proche et le moyen infrarouge à cause de la vapeur d'eau dans l'atmosphère terrestre, et ne peuvent rien voir du tout au loin parce que la lumière infrarouge ne peut pas passer à travers la vapeur d'eau. Le SOFIA le survole donc, à une altitude de 12 à 14 km. Un satellite peut "regarder" aussi loin dans l'espace que le SOFIA, mais a l'inconvénient que sa durée de vie est limitée, par exemple parce que les réserves d'hélium sont épuisées pour refroidir les caméras. Les partenaires du projet SOFIA peuvent également rééquiper à plusieurs reprises "l'observatoire volant" avec de nouveaux détecteurs, caméras, etc. et se fixer ainsi de nouveaux objectifs de recherche. Cela explique la durée de vie considérablement plus longue du SOFIA par rapport à un satellite et représente un exemple de recherche fondamentale durable.

SOFIA

SOFIA, l'Observatoire stratosphérique pour l'astronomie infrarouge, est un projet de collaboration entre le Centre aérospatial allemand e.V. (DLR ; numéro de subvention 50OK0901, 50OK1301 et 50OK1701) et la National Aeronautics and Space Administration (NASA). À l'instigation du DLR, il est réalisé grâce à un financement du ministère fédéral allemand de l'économie et de l'énergie en vertu d'une décision du Bundestag allemand, et à un financement du Land de Bade-Wurtemberg et de l'université de Stuttgart. Du côté allemand, les opérations scientifiques sont coordonnées par l'institut allemand SOFIA (DSI) de l'université de Stuttgart, et du côté américain par l'association de recherche spatiale des universités (USRA). Le développement des instruments allemands est financé par la Société Max Planck (MPG), la Fondation allemande pour la recherche (DFG) et le DLR.