Sondes à impédance mutuelle pour plateformes nanosatellite - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Sondes à impédance mutuelle pour plateformes nanosatellite

Mutual impedance probes for nanosatellite platforms

Résumé

Mutual impedance experiments are active in situ diagnostic techniques used to measure the plasma density and electron temperature, based on the electric coupling between two sets of antennas embedded in the space plasma to be diagnosed. Following the current trend of reducing the size of space platforms and instruments, new versions of mutual impedance instruments are currently being designed to fit the strong constraints of nanosatellites. On the one hand, nanosatellites are small low-cost platforms, expected to enhance future multi-point science missions. On the other hand, nanosatellites have strong constraints in terms of mass, volume and power. Such constraints are expected to strongly affect the design and the performance of mutual impedance experiments. First, nanosatellites are small platforms, likely to embark only short booms. This means that they are likely to deploy mutual impedance electric sensors only at short distances from the satellite platform. The platform emits, in the surrounding environment, electromagnetic signals that are expected to perturb mutual impedance measurements. Such perturbations shall be mitigated by increasing the mutual impedance emission amplitude. But strong emissions could trigger non-linear plasma interactions that might affect the diagnostic performance of the experiment. Second, satellites in space acquire a floating electric potential as a result of spacecraft-plasma interactions. Such floating potential perturbs the local plasma, that reacts by generating small-scale (of the order of the Debye length) inhomogeneous regions enveloping the satellite platform. These inhomogeneous regions, called plasma sheath, is known to perturb local plasma measurements. Third, the strong constraints of mass and volume onboard nanosatellites is a strong motivation for different experiments to share the same sensors, whenever possible. While sensor sharing pushes towards lighter payloads, it also limits the sensor occupation time of each experiment. It follows that mutual impedance experiments require faster measurement procedures to ensure the observation of rapidly evolving environments. In this context, this instrumental PhD work aims to solve the aforementioned issues by investigating, for the first time, the impact of (i) non-linear plasma interactions, (ii) small-scale plasma inhomogeneities and (iii) fast measurements on the performance of plasma density and electron temperature diagnostic performed by mutual impedance experiments. This investigation is performed both numerically, using a fully kinetic, 1D-1V cartesian Vlasov-Poisson model to simulate mutual impedance measurements, and experimentally, using a plasma chamber to perform mutual impedance tests in typical Earth and planetary ionospheric conditions.The results of this PhD work are the following. (i) The maximum mutual impedance emission amplitude that ensures strong Signal-to-Noise Ratios and negligible non-linear perturbations of mutual impedance diagnostic performance corresponds to emissions characterized by electric-to-thermal energy ratios in the plasma up to 0.1. (ii) The spacecraft sheath does not perturb the plasma density diagnostic but might significantly impact the electron temperature diagnostic. Therefore, mutual impedance absolute plasma density measurements are immune to spacecraft charging, while the electron temperature diagnostic requires some sheath model to account for the presence of the plasma sheath. (iii) New fast mutual impedance experimental procedures (called chirp and multi-spectral modes) have been defined, tested and validated against the nominal mutual impedance instrumental mode. The chirp mode procedure is found to perform measurements up to 20 times faster than nominal procedures, while maintaining the same diagnostic performance.These results will be used to design future mutual impedance experiments on future space missions, especially those based on nanosatellite platforms.
Les sondes à impédance mutuelle sont des expériences spatiales de diagnostic utilisées pour mesurer in situ la densité du plasma et la température des électrons. Des nouvelles versions instrumentales de sondes à impédance mutuelle sont actuellement conçues pour s'adapter aux fortes contraintes des nanosatellites. Les nanosatellites sont des petites plateformes à faible coût, qui pourraient faciliter les futures missions scientifiques multipoints. Ils ont cependant de fortes contraintes en termes de masse, volume et puissance. Ces contraintes devraient fortement affecter la conception et les performances des expériences d'impédance mutuelle. Premièrement, les nanosatellites sont des petites plateformes, susceptibles de ne pouvoir embarquer que de courts appendices. Donc les capteurs électriques d'impédance mutuelle seront déployés proche de la plateforme nanosatellite, qui émet des signaux électromagnétiques perturbant les mesures. Cet impact pourrait être atténué en augmentant l'amplitude d'émission de l'expérience. Mais de fortes émissions peuvent déclencher des interactions non-linéaires dans le plasma qui peuvent à leur tour affecter le diagnostic expérimental. Deuxièmement, les satellites dans l'espace sont chargés électriquement par des interactions plasma-satellite. Leur charge perturbe le plasma, qui réagit en générant des régions inhomogènes enveloppant le satellite. Cette région, la gaine, est connue pour perturber le diagnostic local du plasma. Troisièmement, les fortes contraintes de masse et de volume à bord des nanosatellites incitent le partage de capteurs entre différentes expériences. Ce partage permet une réduction du poids des instruments au prix d'une limitation du temps d'occupation des senseurs. Pour mitiger l'effet de cette limitation, les sondes à impédance mutuelle requièrent des mesures plus rapides afin de garantir l'observation d'environnements à évolution rapide. Dans ce contexte, cette thèse instrumentale vise à résoudre les problèmes susmentionnés en étudiant, pour la première fois, l'impact (i) des interactions non-linéaires du plasma, (ii) des inhomogénéités du plasma à petite échelle et (iii) des mesures rapides sur la performance du diagnostic de densité et de température des sondes à impédance mutuelle. Cette étude est réalisée à la fois numériquement, en utilisant un modèle Vlasov-Poisson 1D-1V cinétique pour simuler les mesures d'impédance mutuelle, et expérimentalement, en utilisant une chambre à plasma pour effectuer des tests d'impédance mutuelle dans les conditions typiques des ionosphères terrestres et planétaires. Les résultats de cette thèse sont les suivants. (i) L'amplitude maximale d'émission d'impédance mutuelle qui garantit des rapports signal-sur-bruit élevés et des perturbations non-linéaires négligeables du diagnostic d'impédance mutuelle correspond à des émissions associées à des rapports d'énergie électrique sur thermique dans le plasma allant jusqu'à 0.1. (ii) La gaine plasma du satellite ne perturbe pas le diagnostic de densité mais peut avoir un impact significatif sur le diagnostic de température. Par conséquent, les mesures absolues d'impédance mutuelle de la densité du plasma sont insensibles à la charge du satellite. Au contraire, le diagnostic de température nécessite un modèle de gaine. (iii). De nouvelles procédures expérimentales rapides d'impédance mutuelle (appelées modes chirp et multi-spectral) ont été définies, testées et validées en comparant au mode instrumental nominal d'impédance mutuelle. Le mode chirp permet d'effectuer des mesures étant jusqu'à 20 fois plus rapides que la procédure nominale, avec les mêmes performances de diagnostic. Ces résultats seront utilisés pour la définition des sondes à impédance mutuelle qui seront embarqués sur des futures missions spatiales, notamment celles basées sur des petites plateformes telles que des nanosatellites.
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2023ORLE1054_va.pdf (35.5 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04532897 , version 1 (04-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04532897 , version 1

Citer

Luca Bucciantini. Sondes à impédance mutuelle pour plateformes nanosatellite. Instrumentation and Methods for Astrophysic [astro-ph.IM]. Université d'Orléans, 2023. English. ⟨NNT : 2023ORLE1054⟩. ⟨tel-04532897⟩
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