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Sondes à impédance mutuelle sur plateformes smallsats

Description

Si les concepts de missions multipoints pionniers tels que CLUSTER, THEMIS et MMS ont ouvert la voie vers la compréhension de la structure et de la dynamique de la magnétosphère terrestre, le vent solaire et les environnements planétaires ont été essentiellement explorés par des missions spatiales isolées. Après des décennies de missions spatiales isolées, l’obtention de mesures multipoints dans le système solaire est maintenant devenue l'étape nécessaire pour fournir une cartographie 3D in situ des environnements spatiaux lointains (non terrestres).

L'ère des CubeSats et des NanoSats en orbite autour de la Terre s'est fortement développée au cours de la dernière décennie. Outre une tendance compréhensible, caractérisée par une baisse des coûts et l'accessibilité accrue des CubeSats/nanosats, ce qui fera des petites plateformes des outils fondamentaux pour l'exploration spatiale dans les prochaines décennies est la plus grande possibilité qu'ils offriront d'effectuer des mesures multipoints, grâce à leurs coûts et poids réduits. Toutefois, cela ne sera possible qu'au prix d'une amélioration ou, mieux encore, d'une refonte profonde de la charge utile scientifique, qui nécessite d'être compatible avec les dimensions et les poids réduits qui caractérisent les plateformes de type nanosat/microsats.

Presque toutes les agences spatiales nationales et internationales ont maintenant souligné le potentiel de nanosat/smallsats et montrent un intérêt évident pour le développement et l'adaptation à ce nouvel outil technologique. Par exemple, le récent appel à propositions de classe F de l'ESA en 2018 met l'accent sur l'intérêt pour les missions composées d'un navire-mère et de navires-filles (c'est-à-dire NanoSats ou MicroSats). Dans le même temps, les systèmes impliqués doivent être caractérisés par un TRL élevé, afin que la charge utile soit prête pour de tels concepts de mission. Dans un tel contexte, les expériences spatiales adaptées aux applications des nanosats/microsats, qui s'avèrent utiles (en termes de retour scientifique), simples (en termes de configuration et de gestion des systèmes) et polyvalentes (facilement interfaçables, adaptées aux différents concepts de mission), se hisseront aux premiers rangs dans leurs domaines respectifs. Afin de répondre à ces exigences, les concepts de charges utiles qui ont fait leurs preuves, comme les sondes à impédance mutuelle qui ont été menées avec succès avec la mission exploratoire Rosetta (RPC/MIP) de l'ESA et qui le seront lors des futures missions BepiColombo (PWI/AM2P) et JUICE (RPWI/MIME), doivent être redéfinis pour des applications nanosats. A l'état de l'art actuel, il manque encore à la communauté spatiale une version sondes à d'impédance mutuelle directement adaptée aux applications nanosats. Dans ce cadre, l'objectif de ce projet de thèse est de créer une nouvelle génération de sondes à impédance mutuelle. En particulier, le résultat final de ce projet est la définition et le prototype d'une sonde à impédance mutuelle, simple et suffisamment polyvalent, conçu pour les concepts de mission multipoints sur plateformes NanoSats/Smallsats (typiquement 9U à 27U).

Vers une nouvelle génération de sondes à impédance mutuelle.

Une sonde à impédance mutuelle se compose d'un ensemble d'antennes électriques en émission et en réception, baignant dans le plasma à caractériser, qui fournit des mesures in situ de la densité du plasma et de la température électronique. Il peut être considéré comme une sorte de station météorologique simplifiée, qui fournit des mesures in situ de paramètres clés pour la compréhension des écoulements dans les plasmas spatiaux. Pour cette raison, mais aussi pour sa résilience, sa faible consommation d'énergie et son immunité à la contamination de surface des antennes, des sondes à impédance mutuelle ont été sélectionnées pour de grandes missions exploratoires européennes telles que Rosetta, BepiColombo et JUICE.

L'objectif de ce projet de doctorat est de maintenant concevoir une ou plusieurs nouvelles versions de sondes à impédance mutuelle, adaptées aux futures missions multi-points sur petites plateformes. Ainsi, le concept instrumental doit être léger, simplifié, tout en conservant sa robustesse, pour être facilement cloné en missions multi-spacecraft. De plus, une attention particulière doit être portée à la définition de l'interface entre l'instrument et la petite plateforme afin de maximiser la compatibilité avec les différents types de plateformes ou de concepts de mission. Afin de maximiser la polyvalence, étant donné qu'il existe plusieurs techniques de mesure de la densité plasma et que chacune d'entre elles peut se révéler plus ou moins adaptée à des conditions opérationnelles spécifiques, l'une des principales caractéristiques de ce nouvel instrument sera la possibilité de basculer entre différents types d'expériences.

En créant ce nouveau type de sonde à impédance mutuelle, l’objectif est aussi de pouvoir dépasser les limites des versions précédentes. L'une des limites intrinsèques des sondes à impédance mutuelle est la limite inférieure dans la mesure des densités plasma, imposée par la comparaison entre la longueur de Debye et la distance émetteur-récepteur de l'instrument : si cette distance est inférieure à la longueur de Debye, aucune densité plasma ne peut être mesurée. Dans les versions précédentes des sondes à impédance mutuelle, la distance émetteur-récepteur était fixé par la géométrie, de sorte qu'il existait toujours une limite inférieure dans la détection de densité qui ne pouvait être surmontée. Dans le cas de l'application aux smallsats, dont le point fort est l'approche multipoint, l’objectif est de dépasser cette limite intrinsèque en permettant la possibilité d'émettre et de recevoir de différents smallsats : la distance émetteur-récepteur pourrait ainsi être fortement élargie. Comme les mesures multipoints représentent une révolution dans la physique des plasmas spatiaux, elles représentent également un défi pour l'analyse des données. En fait, à mesure que le nombre d'engins spatiaux (et d'instruments) se multiplie vers une configuration de constellation, la quantité de données se multiplie également. Des techniques de traitement des données doivent être développées afin de gérer cette nouvelle fonctionnalité.

Avec la mission Rosetta, les mesures d'impédance mutuelle de RPC-MIP se sont avérées particulièrement précises pour fournir la densité du plasma cométaire. De plus, les mesures combinées des mesures d'impédance mutuelle (RPC-MIP) et des mesures de sonde de Langmuir (RPC-LAP) ont montré une nouvelle possibilité d'accéder à des observables supplémentaires (vitesses d'ions, températures d'électrons), en particulier dans des régimes non accessibles par des mesures faites par un seul instrument. Cette nouvelle capacité instrumentale, rendue possible par la combinaison des deux instruments de mesure, est actuellement utilisée pour fournir des nouvelles données aux archives Rosetta du Planetary Science Archive (PSA) de l’ESA, grâce à un financement de l'ESA, sous la responsabilité du LPC2E. C'est pourquoi, dans une nouvelle version de sonde à impédance mutuelle, nous visons à combiner la force des principes de mesure d'impédance mutuelle et de sonde de Langmuir, en permettant d'effectuer des opérations alternées, selon la phase de la mission et la condition particulières de l'environnement spatial à sonder, afin d’accroître les capacités propres de chacun de ces instruments. L'intérêt de la communauté pour un tel concept est souligné par le fait qu'une version préliminaire (malheureusement encore non intégrée) de sondes mixtes d'impédance mutuelle et de Langmuir est en cours d'intégration à diverses propositions de mission en cours de rédaction pour répondre au call F de l'ESA (par ex. NETSSEM, FastMetal, dynamically-new comet mission).

Afin de valider cette approche dans un environnement plasma proche d’un environnement spatial, la nouvelle version de sonde à impédance mutuelle devra être testée dans une chambre à plasma. Ce projet de thèse utilisera la chambre à plasma PEPSO à Orléans, sous la responsabilité du LPC2E (scientifique principal : Matthieu Kretzschmar). Cette nouvelle installation d'essai bénéficie déjà d'un financement du CNES.

La mise au point d'instruments plasma in situ exige de tenir compte de la rétroaction de la sonde spatiale sur le plasma environnant, afin d'évaluer les effets perturbateurs possibles sur les prises de mesures. Dans le cas de mesures combinées d'impédance mutuelle et de sonde de Langmuir, les effets de charge du satellite, responsable de la présence d'une gaine plasma autour du satellite, doit être prise en compte. L'effet des plateformes nanosat/microsats sur le milieu plasma environnant, et donc sur les capacités de mesure, sera simulée au cours de la thèse en utilisant (i) l'outil SPIS (Spacecraft Plasma Interaction System) et (ii) un code Vlasov-Poisson dédié à la modélisation des expériences d'impédance mutuelle, actuellement en développement au LPC2E grâce à un financement ANR (construit pour des applications sur Rosetta, BepiColombo et JUICE). Cette partie du doctorat sera réalisée en collaboration avec Gaëtan Wattieaux, Laboratoire LAPLACE, Toulouse, CoI des différentes sondes à impédance mutuelle RPC-MIP sur Rosetta, PWI/AM2P sur BepiColombo/MMO et RPWI/MIME sur JUICE. Le Laboratoire LAPLACE dispose d'une forte expertise en physique des plasmas de laboratoire, dont la physique des gaines plasma, d'une importance primordiale dans le cadre de l'instrumentation plasmas spatiaux basée sur des mesures électriques.

Le développement instrumental doit être directement associé à la capacité de calibrer facilement et rapidement les observations (ici les spectres d'impédance mutuelle) en observables utiles (ici densités, températures, vitesses). Cela deviendra une nécessité absolue lorsqu'un grand nombre d'expériences seront menées simultanément dans le cadre de missions multipoints. Ainsi, en ce qui concerne le traitement des données et l'étalonnage des mesures multipoints, le doctorat ouvrira la voie à l'analyse d'une grande quantité de données afin de réduire fortement les efforts actuellement requis pour assurer le traitement au sol des spectres d'impédance mutuelle. L'une des possibilités prévues est de développer ou de réadapter les techniques de machine learning actuellement développées et testées avec les données spectrales Rosetta/RPC-MIP et Cluster/WHISPER. Ces méthodes d'analyse des données seront également testées pour préparer le traitement des données des expériences AM2P et MIME à bord de BepiColombo et JUICE

Profil

Le profil d'un candidat recherché pour cette thèse de doctorat correspond à celui d'un étudiant issu d’une formation en ingénierie spatiale (Master 2 ou École d’ingénieur), avec des connaissances (i) des systèmes spatiaux et (ii) de la physique des plasmas. Pour faciliter le démarrage de la thèse et mieux concentrer les efforts vers la conception de versions optimisées de sondes à impédance mutuelle, le candidat devrait avoir de bonnes connaissances en instrumentation spatiale (e.g. antennes électriques, sondes à impédance mutuelle ou sondes de Langmuir).

Afin de simuler l'interaction plasma entre l'instrument développé et l'environnement spatial, il serait souhaitable que le candidat puisse se servir des outils classiques de simulation d'interaction entre plasma spatiaux et spacecraft (e.g. SPIS) ou de simulations plasmas. Enfin, pour mener à bien les études préliminaires d’analyses de données massives issues de mesures multi-points, il serait souhaitable que le candidat ait une expérience avec des techniques de Machine Learning (ou Deep Learning). Si la totalité de ces prérequis n’est pas trouvée, une combinaison est attendue.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : LPC2E, Orléans
Directeur(rice) de thèse/recherche : HENRI Pierre
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : pierre.henri@cnrs-orleans.fr
Responsable Cnes de l'offre : AMSIF Kader

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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