Etude de l`influence de la proprété électrostatique du satellite sur les
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2015-012 Etude de l'influence de la propreté électrostatique du satellite sur les mesures du champs électrique basse fréquence de TARANIS Proposant Nom & Prénom Seran Elena Organisme LATMOS Adresse 4 place Jussieu Code postal 75252 Ville Paris Adresse mail [email protected] Email du Directeur du Laboratoire ONERA-DESP: [email protected]; LATMOS: [email protected] Descriptif du sujet Objectif de l’étude Le champ électrique continu à bord de TARANIS est mesuré par les deux senseurs de l'instrument IME-BF, montés sur des bras de 4 m de longueur chacun. Ces mesures étant sensibles aux asymétries des structures externes du satellite ainsi qu’à la distribution des charges électriques à sa surface et dans l'espace autour du satellite, il est essentiel de modéliser ces perturbations afin de corriger les données obtenues par l’instrument IME-BF. L'étude proposée dans le cadre de cette thèse permettra d’identifier et de quantifier ces perturbations. Justifications Les mesures du champ électrique à bord d'un satellite sont sensibles aux asymétries des structures externes et des charges électriques de surface du satellite et donc aux propriétés électriques des matériaux en contact avec le plasma ionosphérique (essentiellement électrons et ions thermiques et photoélectrons émis des surfaces exposées au soleil). Ces perturbations sont amplifiées par l'asymétrie des structures par rapport aux directions du soleil, des champs et de la vitesse du satellite. De plus, les particules énergétiques générées par les orages atmosphériques et magnétosphériques ou par le passage dans les régions de l'anomalie Atlantique sud modifient les propriétés électriques de certains matériaux de la structure externe du satellite. Le champ électrique continu à bord de TARANIS est mesuré par les deux senseurs d'IME-BF, montés sur des bras de 4 m de longueur chacun. Chaque senseur de l'IME-BF mesure le potentiel électrique continu de -10V à +10V avec une sensibilité de 0.5 mV, la précision espérée est de ± 10 mV. Ces mesures sont faites en référence au potentiel du satellite. Si la distribution de charges électriques sur les surfaces externes du satellite n'apporte pas la même contribution aux potentiels électriques mesurés par les deux senseurs de l'IME-BF, la distribution des charges électriques du satellite doit être modélisée et utilisée pour calculer le champ électrique. L'amplitude du champ électrique continu dans l'ionosphère variant entre quelques dizaines et quelques centaines de mV/m, une asymétrie des charges de quelques dizaines de pC devra être prise en considération. Etapes proposées pour l’étude - Obtenir des informations sur la géométrie et les matériaux - Géométrie simplifiée et matériaux des structures externes du satellite TARANIS. - Orientations du satellite. - Définir les paramètres du modèle - Définition et maillage de la géométrie du satellite et de l'instrument. - Niveaux de simplification des structures et matériaux du satellite et de l'IME-BF. - Caractériser le plasma - Composition et paramètres du plasma thermique et de l'émission de photoélectrons. - Paramètres des électrons/protons énergétiques. - Modéliser l'interaction du plasma avec le satellite et l'instrument - Extension du modèle Particle-In-Cell et développement d'un modèle fluide. - Complexification progressive de la physique et de la structure du satellite simulées. Résultats attendus du modèle - Distribution des charges de surface et d'espace autour du satellite et des senseurs. - Potentiels électriques autour des senseurs de l'IME-BF. Pertinence du sujet pour les systèmes spatiaux Le sujet de la thèse est fortement soutenu par le projet TARANIS pour plusieurs raisons: - Etude approfondie du chargement électrique des matériaux utilisés pour les structures du satellite. - Estimation des perturbations engendrées par le satellite en contact avec le plasma ionosphérique - Correction des mesures du champ électrique DC effectuées à bord du satellite. Degré d'innovation, caractère prospectif La modélisation de la charge d'un satellite dans le plasma ionosphérique est complexe en raison de l’échelle caractéristique du plasma (longueur Debye, Larmor) de l'ordre du centimètre, petite devant la taille du système, qu'il est nécessaire de simuler pour décrire la gaine de plasma autour du satellite. Un traitement complet de l'interaction aux différentes échelles est alors lourd et n'est généralement pas réalisé. De plus, les méthodes particulaires classiquement employées pour simuler ces problèmes comportent un bruit statistique dont l'amplitude pourrait être du même ordre de grandeur que le phénomène à simuler. Un effort particulier sera donc nécessaire pour mettre en oeuvre des méthodes de réduction de bruit statistique sans toutefois pénaliser la précision et les performances du code. Nous proposons une modélisation complète de l’interaction au moyen de modèles "hybride" (PIC + fluide) de l'interaction plasma- satellite et en adaptant le maillage aux contraintes de modélisation. Les résultats de la thèse seront utilisés pour interpréter les mesures de l'instrument IME-BF à bord de TARANIS et ceux d’autres expériences de mesures du plasma et du champ électrique dans l'ionosphère (C/NOFS de NASA, DEMETER du CNES, etc.). Adaptation du sujet à un travail de thèse Le sujet proposé est basé sur les modèles développés (SPIS - http://dev.spis.org) et les études effectuées à l'ONERA sur les propriétés électriques des matériaux en contact avec le plasma et les connaissances du plasma ionosphérique acquises au LATMOS grâce aux modèles développés et aux observations effectuées à bord des satellites (DEMETER, C/NOFS). Le sujet permettra de développer un outil qui aidera à approfondir nos connaissances du plasma ionosphérique et du comportement des matériaux en contact avec ce type de plasma et à interpréter correctement les données de TARANIS et de missions similaires. Adéquation du laboratoire partenaire au sujet proposé - ONERA: spécialiste de la modélisation de l'interaction des matériaux avec le plasma - LATMOS: spécialiste du plasma ionosphérique, PI de l'instrument IME-BF à bord du satellite TARANIS Laboratoire d'accueil envisagé ONERA-DESP Profil du candidat (veuillez préciser la spécialité du Master) Diplôme: Master en simulation numérique, calcul scientifique, physique du plasma ou équivalent. Compétences: - bon niveau de programmation en langage orienté objet (préférentiellement Java). - connaissances en physique des plasmas, modélisation - bon niveau d'anglais Traits de caractères: - curiosité et rigueur - capacités de travailler de manière autonome et en équipe Directeur de thèse Nom & Prénom ONERA: Sebastien Hess, Pierre Sarrailh; LATMOS: Elena Seran Adresse mail [email protected]; [email protected]; [email protected] Responsable CNES de la thèse Nom & Prénom Bastien-Thiry Christophe Structure CST; Adresse mail [email protected]
