Etude de l`influence de la proprété électrostatique du satellite sur les

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].fr
Email du Directeur du Laboratoire
ONERA-DESP: [e-mail]; LATMOS: [e-mail]
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 Sebastien.Hes[email protected]; [e-mail]; [e-mail]
Responsable CNES de la thèse
Nom & Prénom
Bastien-Thiry Christophe
Structure CST;
Adresse mail Christophe.Bastien-[email protected]