Soutenance de thèse de Sabri LEMARED

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. Ce type de polissage, qui nécessite de déformer un substrat flexible pour produire une asphère, et la forte rigidité des grands miroirs allégés conduisent à un aspect antagoniste entre ces deux notions. 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, par exemple, 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 répond à l’antagonisme entre le polissage par SMP et la forte rigidité du miroir allégé spatial par l’introduction du découplage fonctionnel. Je sépare, dans cette partie, les fonctions de polissage et de rigidification. Pour la fonction de polissage, l’optimisation de forme assistera la démarche théorique dans la recherche de la forme optimale du miroir pour atteindre l'objectif d’asphérisation. Pour la fonction de rigidification, l’optimisation topologique me donnera les outils afin de trouver la structure allégée idéale pour répondre aux spécifications en termes de première fréquence propre de vibration mais aussi de réduction de la masse totale. La parallélisation des deux procédés permet également d’avoir un gain significatif en temps de fabrication.

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. The SMP method, which needs to déform a flexible optical substrat to produce the asphere, and large lightweight mirror with high stiffness lead to an antagonistic relationship between this two notions. 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. The parallelisation of this two processes allows also a significant gain of fabrication time.