8 Juillet 2021

Instrument RPW

RPW (Radio and Plasma Waves) est unique parmi les instruments de Solar Orbiter en ce qu'il fait à la fois des mesures in-situ et de télédétection.

RPW mesurera, d’une part les ondes électriques depuis le continu jusqu’à 16 MHz et d’autre part les ondes magnétiques depuis quelques Hertz jusqu’à 500 kHz. Le design et les performances de RPW permettront pour la première fois des mesures très précises des champs électriques basse fréquence dans l’héliosphère interne, dans le vent ambiant ou bien au travers des chocs interplanétaires. Ce champ électrique, toujours pas détecté, est soupçonné jouer un rôle important dans les mécanismes de chauffage et d’accélération du vent solaire, qui ne sont toujours pas compris actuellement. À plus haute fréquence, la spectroscopie de bruit thermique fournira des mesures précises des densités et températures électroniques du milieu. Ces mesures sont fondamentales pour complémenter les observations faites par les analyseurs de particules de Solar Orbiter.

L’instrument RPW, réalisé en maîtrise d’œuvre interne CNES est constitué de 3 sous-ensembles :

  • Le boîtier MEB (Main Electronics Box) fourni par le LESIA (Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique – département de l’Observatoire de Paris), qui intègre, entre autres cartes, un récepteur basse fréquence LFR (Low Frequency Receiver), conçu et réalisé par le LPP (Laboratoire de Physique de Plasmas) et un récepteur haute fréquence HFR (High frequency Receiver) conçu et réalisé par le LESIA, ces deux récepteurs sont dédiés au traitement à bord des mesures d’ondes électromagnétiques.
  • Le LESIA est également responsable des opérations de l’instrument RPW,
  • Les antennes électriques approvisionnées par le CNES auprès de Heliospace (USA),
  • Le SCM (Search Coil Magnetometer), magnétomètre à induction fourni par le LPC2E (Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement de l’Espace),

RPW hérite de Stereo et de l'orbiteur MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) de BepiColombo et est constitué des éléments suivants :

  • Le LFR (Low Frequency Receiver : Récepteur Basse Fréquence) : LFR couvre à la fois les mesures électriques et magnétiques in-situ du courant continu jusqu'à 10 kHz et fournira la forme d'onde ainsi que les spectres dans cette gamme de fréquences. Les données de haut niveau de traitement (polarisation et propriétés de propagation des ondes observées), avec diverses possibilités de taux de données (transmission continue ou cyclique, largeur de bande de fréquences adaptable, ainsi que résolutions de fréquence et de temps adaptable) seront aussi fournies par LFR.

  • Le TNR-HFR (Thermal Noise and High Frequency receiver : Récepteur de bruit thermique et haute fréquence) : TNR-HFR déterminera les propriétés de la population d'électrons ambiants à partir des mesures du bruit thermique local autour de la fréquence du plasma et des émissions radio solaires télédétectées. Il fournira, à diverses résolutions temporelles, des spectres de puissance électrique de 4 kHz à 16 MHz ainsi que des densités spectrales de puissance magnétique de 10 kHz à 500 kHz.

  • Le TDS (Time Domain Sampler : Échantillonneur de Domaine de Temps) : TDS réalisera la numérisation des formes d'ondes du champ électrique et magnétique dans la gamme de fréquence de 100 Hz à 250 kHz. Ils seront prétraités et une sélection d'événements potentiellement intéressants seront stockés en mémoire interne et transmis plus tard au sol.

Ces trois sous-systèmes (LFR, TNR-HFR, TDS) sont connectés à deux unités différentes de capteurs : un ensemble de trois antennes électriques (ANT) et un magnétomètre à bobine d'exploration (SCM : Search Coil Magnetometer), lesquels seront tous deux optimisés pour fonctionner correctement pour les mesures du courant continu ainsi que des hautes fréquences. La conception du capteur ANT est optimisée pour mesurer à la fois les émissions du champ électrique du courant continu / basse fréquence (DC/LF) ainsi que les hautes fréquences radio et le bruit thermique. Une unité de biais (BIAS, comme décrite ci-dessous) permettra les mesures de courant continu électrique. ANT est constitué d'un ensemble de trois antennes monopoles identiques déployées depuis deux des coins et un côté du satellite.

Après le déploiement, les trois monopoles sont à 120° les uns des autres, dans un plan perpendiculaire à l'axe satellite-Soleil. Chaque monopole est constitué d'un mat rigide déployable et d'un capteur antenne déployable. Le Mât déployable rigide fourni un écartement plus large des capteurs d'antenne du satellite et assure que les capteurs d'antenne seront entièrement illuminés et donc bien couplés au plasma local potentiel par une gaine de photoélectrons. Ceci est nécessaire pour des bonnes mesures DC/LF.

Le BIAS conduira un courant continu aux antennes électriques permettant des mesures fiables du champ électrique DC/LF et du potentiel du satellite en minimisant l'impédance dans le couplage avec le plasma.

Le SCM est un capteur magnétique à induction et est constitué d'un cœur de matériau hautement perméable (ferrite ou permalloy) autour duquel une bobine principale de plusieurs milliers de tours et une seconde bobine de quelques tours sont enroulés. Le SCM est situé sur le mât instrument.
Ces sous-systèmes ont un DPU (Unité Traitement des données : Data Processing Unit) commun qui gère les commandes, données et communications avec le satellite. Avec un LVPS, les quatre sous-systèmes seront intégrés dans un boîtier électronique principal (main electronic box : MEB) qui se trouvera dans le satellite.