Satellites

La mission Cluster comporte quatre satellites instrumentés de manière identique. Une fois placés sur une orbite quasi polaire, ils volent en formation en occupant les sommets d’un tétraèdre de dimension ajustable.

Chaque satellite pèse 1 200 kg, dont plus de la moitié de la masse est constituée d’ergols utilisés pour la mise à poste et le contrôle du vol en formation. Il se présente sous la forme d’un cylindre de 2,9 m de diamètre pour 1,3 m de haut.

Les satellites sont stabilisés par rotation de 15 tours par minute, l’axe est perpendiculaire au plan de l’écliptique.

L’alimentation en énergie est fournie par des cellules solaires réparties sur le pourtour du satellite (224 watts en fin de vie). La charge utile comporte onze instruments destinés aux mesures de champ magnétique, d’ondes et de particules.

• Flux Gate Magnetometer (FGM) pour la mesure du champ magnétique continu
• Electron Drift Instrument (EDI) : une expérience active de mesure du champ électrique en utilisant la dérive d'un faisceau d'électrons
• Cinq instruments pour les mesures d'ondes. Afin d'obtenir le retour scientifique maximum à partir des ressources disponibles à bord des quatre véhicules spatiaux, les expérimentateurs spécialistes des ondes ont constitué un consortium, WEC (Wave Experiment Consortium), qui gère les cinq expériences « ondes » conçues pour mesurer les fluctuations électriques et magnétiques présentes à l'intérieur des couches critiques de la magnétosphère terrestre. Ces cinq instruments sont :
  • EFW : Electrical Field and Wave
  • DWP : Digital Wave Processing
  • STAFF: Spatio-Temporal Analysis of Field Fluctuations
  • WHISPER: Waves of HIgh frequency and Sounder for Probing the Electron density by Relaxation
  • WBD : WideBand Data

Les mesures électriques (champ continu et ondes) sont faites à l’aide de quatre antennes de 50 m de long. La France assure la construction du convertisseur d'alimentation de l'ensemble WEC, la maîtrise d'œuvre des instruments STAFF et WHISPER et la coordination technique des cinq expériences ondes.

• Trois instruments pour les mesures de particules :
   CIS : Cluster Ion Spectrometry, dont la France est maître d’œuvre, consacré à l’analyse des ions
  • PEACE: Plasma Electron And Current AnalysEr
  • RAPID: Research with Adaptive Particle Imaging Detectors
• Une expérience de contrôle du potentiel du satellite par l’émission d’ions :
  • ASPOC : Active Spacecraft POtential Control

L’instrument de mesure d’ions CIS

L'instrument CIS (Cluster Ion Spectrometry) permet de mesurer la distribution en énergie et en angle des ions, ainsi que leur composition, dans la gamme d’énergie de 0 à 40 keV.

Cet objectif est atteint en combinant deux détecteurs, qui ont des caractéristiques complémentaires :

• Le premier, HIA (Hot Ion Analyser) a une grande résolution angulaire. Il est destiné à analyser les faisceaux d'ions très collimatés que l'on devrait observer dans le vent solaire et près des chocs.
• Le second, CODIF (COmposition and DIstribution Function analyser) détermine la composition des ions majoritaires, H⁺, He⁺⁺, He⁺, et O⁺, sur 4 stéradians, avec une bonne résolution en énergie.

Instruments de mesure d’ondes STAFF et WHISPER

L’expérience STAFF (Spatio-Temporal Analysis of Field and Fluctuations) est destinée à l’analyse spatio-temporelle des fluctuations des champs magnétiques et électriques.

Elle comporte des capteurs pour la mesure des fluctuations magnétiques, un analyseur de forme d'onde et un analyseur spectral. Les capteurs forment un système tri-axe mesurant les fluctuations du champ magnétique de 0.1 Hz à 4 kHz. Les signaux correspondants sont, soit transmis en forme d’onde, soit traités par l'analyseur qui prend en charge les deux composantes électriques provenant de l'expérience EFW et les composantes magnétiques de STAFF et calcule les autocorrélations et intercorrélations croisées de ces cinq composantes.

L’instrument WHISPER (Waves of HIgh frequency Sounder for Probing the Electron density by Relaxation) est destiné à mesurer une composante électrique des ondes jusqu'à 80 kHz et à déterminer la densité du plasma par « sondage ».

Un sondeur à relaxation permet de déterminer la densité du plasma grâce à des séquences d’émissions (sondeur actif) et de réception (sondeur passif). L'émetteur envoie de brèves impulsions, à des fréquences centrales variables, pour exciter les résonances du plasma : après chaque émission, la partie réceptrice de l'instrument est activée pour détecter les échos éventuels, et cela à l'intérieur d'une bande étroite.

À partir des échos situés à des fréquences caractéristiques, on peut déduire la densité de plasma, qui est proportionnelle au carré de la fréquence plasma, l'une des résonances que le sondeur peut exciter.