Study of the influence of the electrostatic cleanliness of the satellite on the measurements of the low frequency electric field of TARANIS

Etude de l'influence de la propreté électrostatique du satellite sur les mesures du champ électrique basse fréquence de Taranis

Oriol Jorba Ferro (1)

1 DPHY, ONERA, Université de Toulouse [Toulouse]

Scientific satellites carry very sensitive and accurate instruments that can be affected by the interaction of the spacecraft and their plasma environment. The TARANIS satellite on board instruments will measure events that might be of the same order of magnitude than the perturbations. The objective of this dissertation is to study and improve the understanding of the interactions between ionospheric plasma and spacecraft, in order to calibrate the instruments on board TARANIS with a precision lower than the sensitivity of the instrument. To reach these levels of precision for a 3D simulation of the complete satellite, a conventional approach would require simulating the trajectories of several trillion numerical particles. To solve this problem, we developed and implemented on SPIS a simulation method based on a coupling between the Particle-In-Cell kinetic method and the Poisson-Boltzmann fluid-analytic approximation. We used then this method to perform low-noise simulations of the full TARANIS satellite, looking at the influence of the environment, the orientation of the solar panels and the amount of Kapton tape used on the satellite surface. Finally, we have developed a new simulation method, based on the kinetic delta-f method, which allows approaching the kinetic solution starting from an analytical distribution function, while limiting the cost in computations.

Les missions scientifiques qui embarquent des instruments très performants et précis peuvent être affectées par l’interaction du satellite avec son environnement plasma. Le satellite TARANIS embarquera des instruments qui mesureront des éventements qui seront potentiellement du même ordre de grandeur que les perturbations. L'objectif de cette thèse est d'étudier et d’améliorer la compréhension des interactions entre un plasma ionosphérique et un satellite, au point de pouvoir calibrer les instruments embarqués sur TARANIS avec une précision inférieure à la sensibilité de l'instrument. Pour arriver à ces niveaux de précision pour une simulation 3D du satellite complet, une approche classique nécessiterait de simuler les trajectoires de plusieurs billions de particules numériques. Pour résoudre ce problème, nous avons développé et mis en œuvre dans le logiciel de simulation SPIS une méthode de simulation à partir d'un couplage entre la méthode cinétique Particle-In-Cell et l'approximation fluide-analytique de Poisson-Boltzmann. Nous avons utilisé ensuite cette méthode pour effectuer des simulations à faible bruit du satellite TARANIS complet, en regardant l'influence de l’environnement, l'orientation des panneaux solaires et de la quantité de scotch Kapton utilisé sur la surface du satellite. Enfin, nous avons développé une nouvelle méthode de simulation basée sur la méthode cinétique delta-f, qui permet d'approcher la solution cinétique en partant d’une fonction de distribution analytique, tout en limitant le coût de calcul.

Mots clés: SPACECRAFT CHARGING; NUMERICAL SIMULATION; SPIS; PLASMA PHYSICS; IONOSPHERIC PLASMA; DELTA-F METHOD

Mots clés: CHARGE ÉLECTROSTATIQUE DU SATELLITE; SIMULATION NUMERIQUE; SPIS; PHYSIQUE DES PLASMAS; PLASMA IONOSPHERIQUE; MÉTHODE DELTA-F

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]; Physique [physics]

Oriol Jorba Ferro. Etude de l'influence de la propreté électrostatique du satellite sur les mesures du champ électrique basse fréquence de Taranis. Sciences de l'ingénieur [physics]. UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02291037⟩