LESIA - Observatoire de Paris

L'instrument HIRIMS sur la sonde JUICE

Jean-Michel Reess — 2014-05-15T09:27:11Z

Contexte scientifique

L'instrument HIRIMS (High resolution InfraRed IMaging Spectrometer) est un spectromètre imageur à haute résolution spectrale pour la mission JUICE. Il a été proposé fin 2012 lors de la réponse à l'appel d'offre de l'ESA du programme d'offre Cosmic Vision, classe L2, sous responsabilité scientifique du LESIA avec la collaboration du LATMOS (France), de SwRI (USA) et de CAAUL (Portugal).
La proposition HIRIMS n'a pas été retenue par l'ESA.

Les objectifs scientifiques principaux sont :

l'identification des matériaux organiques et inorganiques attendus sur les surfaces glacées et la caractérisation fine de leur température et de leur dilution.
l'étude de la composition de la surface des satellites Galiléens en relations avec leur activité présente et passée.
l'étude des sources et des puits des exosphères des satellites Galiléens et leurs interactions avec Jupiter
la caractérisation de l'atmosphère de Jupiter, sa dynamique, sa composition, sa chimie et sa structure verticale
la caractérisation de la magnétosphère jovienne, en particulier les sources et les puits de plasmas
l'étude de l'activité de Io et les propriétés des anneaux de Jupiter

Concept instrumental


Concept optique de l'instrument HIRIMS

Le concept de l'instrument HIRIMS proposé par le LESIA dans le cadre de l'appel d'offre ESA de la mission JUICE, est basé sur la sélection par un cristal acouto-optique des ordres multiples diffractés par un réseau. Ce principe permet d'obtenir une résolution spectrale importante de l'ordre de 10 000 dans une large bande passante entre 2.4µm et 4.75µm. Le champ de l'instrument permet une couverture complète de l'atmosphère jovienne avec une résolution horizontale à 15 rayons joviens de 250km. Sur Ganymède, HIRIMS couvrira 50% de la surface avec une résolution de 100km et 8% de la surface avec une résolution de 10km. Le corps du spectromètre est refroidi passivement à 130K pour un radiateur, alors que le détecteur est refroidi à 85K à l'aide d'une machine cryogénique.


Schéma mécanique de l'instrument HIRIMS

Personnels LESIA impliqués dans la phase d'étude de l'instrument HIRIMS

Nom	Responsabilité
Thierry Fouchet	PI (Principal Investigator)
Yann Hello	Chef de projet / Détecteurs
Jean-Michel Reess	Ingénieur système
Pernelle Bernardi	Design optique
Jonathan Tanrin	Architecture mécanique et thermique
Michel Marteaud	Design mécanique
Régis Schmidt	Architecture Electronique
Florence Henry	Gestion base de données

JENRAGE sur JUICE/Laplace

Baptiste Cecconi — 2012-12-10T16:16:54Z

L'expérience JENRAGE (Jovian ENvironment Radio Astronomy and Ganymede Exploration) est un projet de spectro-goniopolarimètre haute fréquence [1] pour JUICE/Laplace. Il est conçu pour étudier la magnétosphère de Jupiter ainsi que l'environnement proche des satellites Galiléens. Grâce à ses capacités goniopolarimétriques, cet instrument sera très complémentaire à celui qui sera embarqué sur JUNO (ce dernier ne mesurera que le flux total et ne pourra donc pas localiser les sources radio ; il passera cependant au voisinage de celles-ci, dans les régions polaires de Jupiter, ce que ne fera pas JUICE). Si les antennes connectées à JENRAGE sont suffisamment longue, le récepteur pourra aussi être utilisé pour effectuer des mesures locales des paramètres du plasma (densité, température) par la technique de spectroscopie du bruit thermique.

JENRAGE permettra ainsi de localiser directement les sources radio de Jupiter (à la fois émissions aurorales et celles induites par les interactions entre Jupiter et ses satellites Galiléens), de sonder la magnétosphère de Jupiter le long de la trajectoire, ainsi que le long du trajet des émissions radio observées (grâce à la polarisation de ces ondes ou aux occultations des sources radios joviennes par l'ionosphère des satellite galiléens), ou encore d'explorer le tore de plasma de Io et d'Europe, la mini-magnetosphère de Ganymede.

Concept Instrumental Initial Le concept initial du récepteur était constitué de quatre voies d'analyses en parallèle, chaque voie étant connectée à un des quatre senseurs radio (trois antennes électriques et une boucle magnétique). La gamme de fréquence couverte s'étendait de 2 kHz à 45 MHz, afin de pouvoir observer aussi bien les ondes radio aurorales de Jupiter que celles provenant de l'interaction des satellites galiléens la magnétosphère de Jupiter. La longueur des antennes qui devaient être connectées à ce récepteur a été discutée lors de l'étude EJSM-Senseur Electromagnétiques

L'instrument devait être une version miniaturisée des récepteurs radio Cassini/RPWS/HFR et STEREO/Waves, dans la lignée du récepteur BepiColombo/MMO/PWI/Sorbet. Une étude instrumentale financée par le CNES est engagée pour étendre la gamme de fréquence de ces récepteurs jusqu'à 45 MHz.

Concept Instrumental Actuel Lors du processus de sélection des charges utiles scientifiques de la mission JUICE, l'ESA n'a conservé que les senseurs électriques pour la partie radio de l'expérience RPWI. Par ailleurs, en raison du manque de disponibilité des personnel, le LESIA n'a pas pu s'engager dans la réalisation de JENRAGE.

Le récepteur radio JUICE/RPWI/JENRAGE est donc maintenant un récepteur trois voies connecté à trois monopoles électriques. Il est élaboré en collaboration entre le LESIA, l'équipe PI à l'IRFU (Suède), et l'équipe japonaise du consortium (Tohoku University). L'équipe japonaise a pris en charge la conception et la réalisation de la partie analogique du récepteur (pré-amplificateurs, filtrage analogique, sélection des senseurs, signal d'étalonnage en vol). L'équipe suédoise réalise la partie numérique (numérisation du signal, décimation, filtrage numérique). L'équipe japonaise et le LESIA vont produire les algorithmes de traitement de bord pour l'instrument (traitements temps réels, intégration temporelle et spectrale, calcul des auto- et intercorrélations, compression du signal). La coordination scientifique reste cependant au LESIA, qui a la charge de vérifier que l'instrument pourra bien effectuer les mesures prévues.

Personnels Impliqués
Nom	Rôle
Baptiste Cecconi	Co-PI RPWI, Responsable Scientifique JENRAGE
Laurent Lamy	Co-I RPWI
Philippe Zarka	Co-I RPWI
Carine Briand	Co-I RPWI
Julien Girard	Membre de l'équipe RPWI

[1] un spectromètre radio fréquence équipé d'au moins 2 voies d'analyse fournissant des auto- et intercorrélations spectrales des signaux mesurés sur les différentes voies et permettant de reconstruire la direction d'arrivée et la polarisation des ondes observées

Etude Senseurs Electromagnétiques pour EJSM/Laplace

Baptiste Cecconi — 2010-12-01T10:41:27Z

L'objectif de l'étude Senseurs Electromagnétiques pour EJSM est d'effectuer une étude comparative des différents senseurs électriques et magnetiques et d'évaluer leur pertinence et leur efficacité dans l'environnement de Jupiter et de Ganymede, afin d'optimiser le retour scientifique de l'expérience RPWI (Radio and Plasma Waves Investigation) sur EJSM/JGO. Cette étude est menée dans le cadre de la préparation à la mission EJSM, engagée par l'ESA pour l'année 2009-2010.

Une collaboration Internationale

Cette étude rassemble toutes les équipes mondiales impliquées dans la conception et la réalisation d'instrumentation radio (électrique et/ou magnétique) spatiale.

Laboratoires Impliqués
Nom	Pays	Responsable(s) Scientifique(s)	Responsable Technique
LESIA, CNRS-Obs. de Paris	France	J.-L. Bougeret B. Cecconi	M. Dekkali
LPP, Ecole Polytechnique	France	T. Chust	C. Coillot
LPC2E, CNRS-Université d'Orléans	France	A. Marchaudon	C. Cavoit
CESR, CNRS-Université Paul Sabatier	France	N. André
IRFU	Suède	J.-E. Wahlund	L. Åhlén
KTH	Suède	L. Blomberg	J. A. Cumnock
Space Research Institute	Autriche	H. O. Rucker
Institute of Atmospheric Physics	Rép. Tchèque	O. Santolik	J. Chum
Astronomical Institute	Rép. Tchèque	P. Travnicek
Imperial College London	Grande Bretagne	I. Müller-Wodarg
Space Plasma Group SRC PAS	Pologne	H. Rothkaehl
ESTEC	Pays Bas	J.-P. Lebreton
University of Iowa	États-Unis	W. S. Kurth	D. L. Kirchner
University of California, Berkeley	États-Unis	S. D. Bale	P. S. Turin
University of Colorado, Boulder	États-Unis	R. E. Ergun
University of Minnesota	États-Unis	K. Goetz
Tohoku University	Japon	Y. Kasaba
Kyoto University	Japon	H. Kojima
Kanazawa University	Japon	S. Yagitani

Senseurs Electriques et Magnétiques

Le PDD (Payload Definition Document ou document de définition de la charge utile scientifique) de EJSM/JGO inclut un instrument RPWI (Radio and Plasma Waves Investigation). Cet instrument comporte quatre types de senseurs (3 jeux de senseurs électriques et et 1 jeu de senseurs magnétiques) permettant de sonder différentes gammes de fréquence, et différentes observables du plasma local. Au cours de cette étude, nous avons étendu la liste des senseurs, afin de couvrir tout le champs des mesures électriques et magnétiques envisageables dans l'environnement de Jupiter. Les différents types de récepteurs seront aussi discutés.

Sept types de senseurs ont été étudiés :

– Antennes électriques courtes Un trièdre orthogonal de dipôles électriques courts (L≈1m). Inclus dans le PDD. Ces antennes sont adaptées aux mesures goniopolarimétrique aux plus hautes fréquences du spectre jovien (≈40MHz). Elles sont cependant peu sensibles du fait de leur petite taille. Des antennes de plus grande taille (L≈2 à 3m) sont envisagées afin d'augmenter leur sensibilité.

– Antennes électriques longues Un dipôle électrique long (L=5 à 10m). Inclus dans le PDD. Possiblement, l'antenne radar de l'instrument SSR (Sub-Surface Radar). Ce type d'antenne est très sensible, mais sont diagramme de réception devient complexe au dessus de ∼2 MHz, rendant plus difficile les étude à plus haute fréquence. Il permet aussi de mesurer les paramètres locaux du plasma par spectroscopie du bruit quasi-thermique, si l'antenne est assez longue et assez fine. Une option envisagée est d'utiliser le dipôle dédié à l'instrument SSR.

– Search Coil Un capteur magnétique bi-bande couvrant la gamme 0.1 Hz à quelques centaines de kHz. Inclus dans le PDD. Ce capteur est composé de deux enroulements d'une dizaine de centimètres de long et d'une quinzaine de millimètres de diamètre, autour d'un noyau magnétique. Ce capteur pourrait être placé en trois exemplaire pour sonder trois composantes perpendiculaires du champ magnétique. Ce type de capteur permet d'observer les émissions radio très basses fréquences ainsi que les ondes de plasmas locales.

– Boucles magnétiques haute fréquence Une boucle magnétique haute fréquence couvrant la gamme 100 kHz à 40 MHz. Ce capteur est composé d'un enroulement magnétique fin d'environ 30 cm de diamètre. Ce capteur n'est pas inclus dans le PDD, mais serait très complémentaire aux senseurs électriques pour les mesures radio.

– Sonde de Langmuir Un système actif (qui polarise le milieu en imposant un courant entre deux éléments distants) composé d'antennes électriques de type boule placées au bout de bras. Inclus dans le PDD. Ce capteur permet de mesurer la densité du plasma et les fluctuations très basses fréquences du champ électrique (de l'ordre du Hz). Il donne aussi une mesure du potentiel flottant du satellite. Afin de fonctionner efficacement, une sonde de Langmuir doit être placée à une distance suffisante du corps du satellite. Idéalement, il faut que cette distance soit plus grande que la longueur de Debye du milieu, mais on peut se contenter de la placer en dehors de la gaine et du sillage de plasma du satellite. Quatre sondes de Langmuir sont prévues dans la version actuelle du PDD, ce qui permet d'effectuer des mesures électriques sur trois dimensions, mais cela permet aussi d'avoir toujours deux sondes en dehors du sillage de plasma du satellite.

– Boucle de Rogowsky Un enroulement magnétique qui permet de mesurer les fluctuations de courant dans la direction perpendiculaire à la boucle. Ce capteur n'est pas inclus dans le PDD, mais apporterait des mesures essentielles dans la phase orbitale finale de EJSM/JGO, lorsque la sonde sera en orbite circulaire autour de Ganymède, à une altitude telle qu'elle sera dans l'ionosphère du satellite.

– Sonde à impédance mutuelle Une instrumentation active qui permet le sondage du milieu en mesurant son impédance, lorsque l'on le soumet à des stimuli électriques. Ce système n'est pas inclus dans le PDD. Il permettrait de calibrer les positions des sondes de Langmuir.

Objectifs de l'étude

Le rapport qui sera produit en Août 2010 contiendra un comparatif des différents senseurs. Il a été décidé de restreindre le champ d'application de l'étude aux senseurs électriques et magnétiques haute fréquence, considérant que les senseurs proposés dans le PDD sont satisfaisant pour la partie basse fréquence. Un ensemble de senseur optimal sera proposé à l'ESA.

Le rapport contiendra aussi une proposition de plan 'EMC' (Electro-Magnetic Cleanliness) qui devra caractériser les contraintes en terme de propreté électromagnétique pour les instruments embarqués sur EJSM/JGO. Ce document sera rédigé en commun avec l'équipe du magnétomètre qui étudiera le champ magnétique continu.

Deux autres documents annexes seront inclus dans le rapport : un document décrivant les synergies entre l'instrument RPWI et les autres instruments, en terme de retour scientifique ; et un document décrivant les contraintes imposées par les émissions radio joviennes naturelles sur les mesures radar du sous-sol des satellites Galiléens.

Personnels Impliqués
Nom	Rôle
J.-L. Bougeret	Responsable Scientifique
B. Cecconi	Co-responsable Scientifique
M. Dekkali	Chef de Projet Technique
L. Lamy
P. Zarka
M. Moncuquet
C. Briand
~~Milan Maksimovic~~ [1]

Liens

– Etude Senseurs Electromagnétiques EJSM (Accès restreint)

– Mission EJSM/Laplace (ESA)

– Appel pour les études de phase A de l'ESA pour les missions de classe L du programme Cosmic Vision

[1] The name of M. Maksimovic was put initially by mistake on this page. He is not a member of the Electromagnetic Sensor Study. See the explanation by Milan Maksimovic and by Baptiste Cecconi

Mission JUICE/Laplace (ESA)

Baptiste Cecconi — 2010-12-01T10:39:50Z

La mission JUICE/Laplace (JUpiter ICy moon Explorer) vers le système de Jupiter est la première mission de classe L du programme Cosmic Vision de l'Agence Spatiale Européenne, sélectionnée en Mai 2012. La sonde sera lancée en 2022, pour une arrivée à Jupiter 8 ans plus tard, en 2030. Cette sonde naviguera dans le système de Jupiter avant de s'insérer en orbite autour de Ganymède. Cette phase orbitale va permettre l'étude approfondie de l'atmosphère de Jupiter, de sa magnétosphère et de ses autres satellites.

Participation du LESIA à la charge utile de JUICE

Le LESIA est impliqué sur trois expériences de la charge utile de la mission JUICE sélectionnée par l'ESA :

MAJIS (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer), spectromètre infrarouge :
- participation au consortium.
RPWI (Radio and Plasma Waves Investigation), instrument radio et onde plasma :
- coordination de la contribution française (LPP, LPC2E, LATMOS et IRAP),
- responsabilité scientifique du récepteur radio (JENRAGE, Jovian ENvironment Radio Astronomy and Ganymede Exploration),
- co-responsabilité de l'archivage et de la distribution des données RPWI avec le CDPP (Centre de Données de la Physique des Plasma), à Toulouse (IRAP et CNES),
- soutien scientifique pour les observations radio sol, pour la modélisation des émissions radio et de leur propagation, ainsi que pour l'analyse multi-longueur d'onde,
- préparation, étalonnage et analyse scientifique.
SWI (Sub-millimetre Wave Instrument), spectromètre à micro-onde hétérodyne passif :
- préparation et analyse scientifique,
- collaboration avec le LERMA pour la fourniture des synthétiseurs de fréquence et de l'oscillateur ultrastable.

Participation du LESIA aux études préparatoires

Grâce à sa longue expérience dans l'étude des atmosphères et des magnétosphères des planètes géantes, les équipes du LESIA ont été impliquées dans les études préliminaires organisées par l'ESA, dès l'étape de définition des charges utiles. Les instruments qui seront développés pour la mission EJSM devront répondre à un cahier des charges très strict en terme de résistance aux radiations et de protection planétaire.

Le LESIA a été impliqué dans les études préliminaires liées aux instruments suivants :

SWI (Spectromètre à micro-onde hétérodyne passif) : étude d'un synthétiseur de fréquence et du mécanisme d'antenne (collaboration avec le LERMA) ;
VIRHIS (Spectromètre imageur hyperspectral visible et proche IR) : participation au développement chaîne de détection mené par l'IAS ;
HIRIMS (Spectromètre haute résolution proche IR) : étude d'un instrument de spectro-imagerie infrarouge de nouvelle génération ;
JENRAGE (Jovian ENvironment Radio Astronomy and Ganymede Exploration) : un récepteur radio miniaturisé adapté à la gamme des émissions radio naturelles de Jupiter, dans le cadre de l'étude de l'éxpérience RPWI menée par l'IRFU (Suède).

Enfin, l'équipe plasma du LESIA a réalisé une étude sur les senseurs électro-magnétiques pour la mission EJSM/JGO, afin de définir un ensemble de capteur et de récepteurs optimal en terme de retour scientifique, ainsi que de masse, de consommation ou d'encombrement.

Historique de la mission

La mission JUICE/Laplace reprend la partie ESA du projet EJSM/Laplace (Europa Jupiter System Mission), qui était conjointement étudié par la NASA et l'ESA jusqu'en avril 2010. Ce projet comprenait deux sondes :

Jupiter Europa Orbiter (JEO, menée par la NASA), destinée à étudier le satellite Europe ;
Jupiter Ganymede Orbiter (JGO, anciennement LAPLACE, menée par l'ESA), dédiée à l'étude de Ganymède.

Lors de son Planetary Decadal Survey (avril 2011), la NASA a abandonné l'étude de JEO en raison de son coût trop élevé. La NASA continue cependant d'étudier la possibilité d'explorer Europa, mais avec une mission réduite et sans collaboration directe avec l'ESA.

Un second orbiteur (JMO, Jupiter Magnetospheric Orbiter) est à l'étude par la JAXA pour compléter le duo ESA/NASA : celui-ci se concentrerait sur la magnétosphère jovienne.

Le 2 mai 2012, l'ESA a sélectionné la mission JUICE comme première mission de classe L du programme Cosmic Vision.

Le 21 février 2013, l'ESA a sélectionné la charge utile scientifique de JUICE, dans laquelle le LESIA est impliqué dans 3 expériences.

Le 19 Novembre 2014, l'ESA a donné son feu vert pour le démarrage de la phase de réalisation de la mission JUICE.

Le 16 Mars 2017, l'ESA lance la fabrication de la plateforme satellite de la mission JUICE.