Objectifs scientifiques
Dans les plasmas héliosphériques, il est essentiel de mesurer la fonction de distribution des particules chargées à très haute résolution temporelle afin de comprendre les processus universels tels que l’accélération des particules, la reconnexion magnétique, ou la turbulence plasma qui forgent les relations Soleil-Terre. Ces phénomènes complexes mettent en jeu les échelles cinétiques du milieu, qui étant donnée la vitesse des satellites, correspondent à des échelles temporelles pouvant atteindre la milliseconde.
Etant donné le champ de vue instantané limité à 2D des spectromètres plasmas classiques actuels, la couverture de tous les angles d’arrivée des particules nécessite de multiplier les capteurs. L’état de l’art dans le domaine est la mission spatiale de la NASA MMS dont les 4 satellites embarquent chacun 8 spectromètres d’électrons et autant pour les ions pour atteindre une résolution de 30 msec et 150 msec, respectivement. Or la priorité de la communauté est de proposer une mission d’étude multi-échelles de l’environnement spatial, ce qui implique de disposer d’une
dizaine de satellites. Avec les topologies de spectromètres plasmas 2D, aller dans cette direction semble impossible sans compromettre la qualité des mesures, étant donnée la masse (supérieure à 50 kg) d’un aussi grand nombre de capteurs.
Description technique
Dans ce contexte, le Laboratoire de Physique des Plasmas s’est attaché à développer le premier spectromètre plasma à champ de vue instantané 3D (voir réf. en fin d’article). 3DCAM est une véritable caméra plasma qui a été identifiée comme une rupture technologique majeure pour la discipline. Au coeur de l’instrument, se trouve son optique électrostatique qui guide les particules chargées vers un détecteur imageur. Cette optique est conçue en utilisant les possibilités topologiques nouvelles offertes par l’impression 3D de type stéréo-lithographique. L’impression 3D permet de fabriquer des électrodes de forme complexe dans une matière de type polymère qu’il faut ensuite métalliser de manière sélective afin de constituer les électrodes du spectromètre.
L’objectif de la demande de soutien de la Division Technique de l’INSU est d’effectuer une étude mécanique préliminaire basée sur le premier design de l’instrument, en avance de phase d’une éventuelle future mission spatiale, pour obtenir :
- le comportement en mécanique statique linéaire sous une accélération représentative d’une mission spatiale, dans le but d’obtenir les déplacements et les contraintes induites dans la structure ;
- les premiers modes de vibration afin de s’assurer que la fréquence fondamentale est supérieure à un certain seuil ;
- le comportement thermo-élastique en dilatation pour un cas chaud et un cas froid, pour également évaluer les contraintes dans les matériaux.
Les simulations numériques sont réalisées à l’aide d’une modélisation par éléments finis avec la plate-forme logicielle Simcenter 3D. Les problèmes de cette étude sont résolus avec le solveur intégré NX Nastran.
Contact DT : Christophe Berthod
Contact LPP : Matthieu Berthomier
Article de référence : X. Morel, M. Berthomier, J.-J. Berthelier, Electrostatic analyzer with a 3-D instantaneous field of view for fast measurements of plasma distribution functions in space, Journal of Geophysical Research Space Physics, 2017, 122, pp.3397-3410. DOI : 10.1002/2016JA023596.