SMILE (satellite)

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Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer

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SMILE
Description de l'image SMILELogo.png.
Données générales
Organisation ESA et Académie chinoise des sciences
Constructeur Airbus (Module de charge utile)
Programme Cosmic Vision
Domaine Héliophysique
Type de mission Sonde spatiale : orbiteur
Statut En développement
Lancement 2023
Lanceur Ariane 62 ou Vega C
Durée de vie 3 ans (durée nominale)
Site cosmos.esa.int/smile
Caractéristiques techniques
Masse au lancement 2 200 kg
Contrôle d'attitude Stabilisé 3 axes
Source d'énergie Panneaux solaires
Puissance électrique 850 W
Orbite
Satellite de Terre
Orbite elliptique
Périgée 5 000 km
Apogée 121 182 km
Période 51 h
Inclinaison 70° ou 98°
Principaux instruments
SXI Imageur rayons X mous
UVI Imageur ultraviolet
LIA Analyseur d'ions légers
MAG Magnétomètre

SMILE (acronyme de Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer) est une mission spatiale développée conjointement par l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Académie chinoise des sciences, ayant pour but principal l'étude des liens entre le bouclier magnétique de la Terre, la magnétosphère terrestre, et le vent solaire. SMILE va en effet pour le première fois obtenir des images du rayonnement X de la magnétogaine et des cornets polaires, grâce à un télescope grand angle ; et ceci durant plus de 40 heures par orbite en continu. De plus, ces mesures seront combinées à des images simultanées des régions polaires dans l'UV, tout en mesurant in situ les caractéristiques plasma du vent solaire. Ces mesures ont pour but d'améliorer notre connaissance de l'interaction dynamique entre le vent solaire et la magnétosphère terrestre. Cette combinaison unique de mesures devrait permettre des progrès significatifs en météorologie de l'espace[1],[2].

Le lancement est prévu pour 2023[3].

Objectifs scientifiques[modifier | modifier le code]

Les objectifs de la mission sont les suivants[4] :

  • Étudier la réponse dynamique de la magnétosphère terrestre sous l'impact du vent solaire de manière globale ;
  • Étudier la chaine complète des événements qui caractérisent la relation entre le Soleil et la Terre, en particulier le cycle des sous-orages magnétiques ;
  • Étudier les orages magnétiques liées aux éjections de masse coronale.

Vue d'ensemble de la mission[modifier | modifier le code]

La mission SMILE observera l'interaction du vent solaire avec la magnétosphère terrestre grâce à des caméras à rayons X et UV appelées SXI et UVI, permettant de collecter des images et des vidéos de la magnétopause côté jour (où le vent solaire rencontre la magnétosphère), les cornets polaires (une région située dans chaque hémisphère où les particules du vent solaire ont un accès directe à l'ionosphère terrestre) ainsi que l'ovale auroral (région entourant chaque pôle magnétique et où se concentrent les aurores boréales). SMILE mesurera aussi des paramètres du plasma local ou in-situ grâce à ses deux instruments plasma, l'analyse d'ions LIA et le magnétomètre MAG). Ces instruments estimeront en particulier la densité, température, vitesse et distribution en énergie des ions du vent solaire, de la magnétogaine et de la magnétosphère tout en détectant les fluctuations du champ magnétique local DC.

SMILE doit atteindre une altitude suffisamment élevée pour voir la magnétopause terrestre coté jour dans son ensemble et obtenir en même temps une vue compète de l'ovale auroral. L'orbite choisie est de ce fait très elliptique et fortement inclinée (70 ou 98 degrés suivant le lanceur). SMILE atteindra une distance à l'apogée de son orbite équivalent au tiers de la distance Terre-Lune, soit 121 182 km, ou encore 19 rayons terrestres. Ce type d'orbite permettra à SMILE de passer une grand partie de son temps (environ 80%) à haute altitude, où il sera le premier satellite à collecter ce type de données en continu durant plus de 40 h. Cette orbite limite aussi le temps passé dans les ceintures de radiations Van Allen. SMILE sera placé en orbite passe par une fusée Vega C ou une fusée Ariane 62, lancée depuis Kourou. Son module de propulsion PM l'amènera sur son orbite nominale ayant pour périgée 5 000 km. Le centre des opérations de cette mission sera piloté par l'académie chinoise des sciences (ou CAS) ; l'ESA et la CAS opéreront conjointement le centre des opérations scientifiques.

Caractéristiques techniques du satellite[modifier | modifier le code]

SMILE aura une masse au lancement de 2 200 kg et de 679 kg sans propergol. Il comprend deux modules :

  • La charge utile PLM (pour PayLoad Module) ;
  • Le module de propulsion aussi appelée plateforme.

Module de propulsion[modifier | modifier le code]

Le module de propulsion fourni par l'agence spatiale chinoise comprend quatre réservoirs sphériques alimentant un propulseur principal d'une puissance de 490 N[1], et plusieurs moteurs utilisés pour le contrôle d'attitude. Le satellite est stabilisé trois axes. Il est alimenté en énergie par deux ensembles de panneaux solaires d'une superficie de 5,8 m2[1] produisant 850 W[1]. Sa masse est de 547 kg[1] sans propergol et peut contenir jusqu'à 1 600 kg[1] de propergol.

Module de charge utile[modifier | modifier le code]

La charge utile est composée de quatre instruments dont deux imageurs et deux instruments de mesure in situ. Leur masse totale est estimé à 66,4 kg. Le module de charge utile emportera aussi à son bord un système de communication dans la bande X, fourni par l'ESA, afin de transmettre au sol les données collectées. Ce module de charge utile sera construit par Airbus[5].

Caméra rayonnement X doux SXI[modifier | modifier le code]

Le Soft X-ray Imager (SXI) est un télescope de type "lobster-eye", utilisant des détecteurs CCD afin de réaliser de l'imagerie dans le domaine des rayons X dans une gamme d'énergie allant de 0,2 à 2,5 keV[1] avec un large champ de vision de 26,5 x 15,5 degrés[1]. Le télescope est développé, sera construit et calibré par l'University of Leicester, Royaume-Uni, et d'autres institutions à travers l'Europe. Un parti du logiciel utilisé par SXI est développé en partenariat avec le centre de sciences spatiales chinois. Les CCD seront fabriqués par la société britannique Te2v. La masse totale de SXI est de 35,99 kg[1].

Caméra ultraviolet UVI[modifier | modifier le code]

UVI (UltraViolet Imager) est une caméra UV composé de quatre miroirs guidant la lumière vers un détecteur CMOS. UVI permet d'effectuer de l'imagerie UV dans une gamme de longueur d'ondes allant de 160 à 180 nm, chaque minute. Il aura un champ de vision de 10° × 10°[1]. La masse totale de UVI est de 15,73 kg[1]. UVI est développé en partenariat entre l'Université de Calgary (Canada), le centre de sciences spatiales chinois, l'académie chinoise des sciences, l'institut de recherches polaire chinois et le Centre spatial de Liège en Belgique.

Analyseur d'ions LIA[modifier | modifier le code]

LIA (Light Ion Analyzer) sera composé de deux analyseurs électrostatique de type "top-hat" permettant la détection de protons et particules alpha dans une gamme d'énergie allant de 50 eV à 20 keV[1] et une résolution temporelle pouvant atteindre 0,5 s[1]. LIA déterminera les propriétés et la manière dont se propagent les ions du vent solaire et de la magnétogaine sous différentes conditions en mesurant les fonctions de distribution de vitesse en 3D des protons et particules alpha. Ces deux analyseurs seront montés de chaque côté du module de propulsion, contrairement aux trois autres charges utiles. Cet instrument est développé en partenariat entre le centre de sciences spatiales chinois, l'académie chinoise des sciences, le Mullard Space Science Laboratory de l'University College de Londres, et le Laboratoire de physique des plasmas (CNRS / École Polytechnique) en France. La masse totale de LIA est de 6 kg[1].

Magnétomètre MAG[modifier | modifier le code]

MAG (Magnetometer) sera utilisé afin de déterminer l'orientation et l'amplitude du champ magnétique continu dans le vent solaire et la magnétogaine, et de détecter le front de choc terrestre et toute discontinuité magnétique croisée par le satellite. MAG sera constitué de deux détecteurs triaxiaux montés au bout d'un bras articulé d'une longueur de 3 m et séparés de 80 cm[1]. Le boitier électronique de l'instrument est monté sur la module instrument auquel le bras articulé sera attaché. Cette configuration permettra à MAG d'être utilisé comme un gradiomètre et de permettre de déterminer le champ magnétique généré par le satellite lui-même, afin de la soustraire des mesures. MAG mesurera les trois composantes du champ magnétique dans la gamme ± 12 800 nT[1]. MAG est développé en partenariat entre le centre de sciences spatiales chinoise, l'Académie chinoise des sciences et l'institut de recherche spatiale autrichien, l'Académie autrichienne des sciences. La masse totale de MAG est de 8,7 kg[1].

Groupes de travail[modifier | modifier le code]

Plusieurs groupes de travail ont été mis en place afin d'aider à la préparation de la mission SMILE dont :

Science in-situ[modifier | modifier le code]

Ce groupe de travail a été mis en place afin d'aider à optimiser les opérations scientifiques dans le but d'atteindre les objectives scientifiques de SMILE. Plus précisément, l'activité groupe est concentré sur l'optimisation du design, des opérations, du planning de calibration ainsi que des conjonctions en vol avec d'autres missions magnétosphériques.

Modélisation[modifier | modifier le code]

Le groupe de travail de modélisation lié à la mission SMILE poursuit plusieurs objectifs :

  1. Comparaison de modèle MHD aux caractéristiques techniques et objectifs scientifiques de l'instrument SXI afin
    • d'unifier la méthode de calcul rayons X (même modèle de densité neutre, bruit de fond etc.)
    • de comparer les modèles estimant le signal Solar Wind Charge eXchange (SWCX) et la localisation des régions frontières (front de choc terrestre, magnétopause et cornets polaires)
    • évaluer la gamme d'amplitudes des rayons X mous par des modèles MHD
    • évaluer la gamme de distances à la Terre des régions frontières suivant le flux du vent solaire
    • quel flux de vent solaire est nécessaire pour distinguer ces régions avec une résolution de 0,5 rayon terrestre toutes les 5 minutes ? avec une résolution de 0,2 rayon terrestre chaque minute ?
  2. Identification des régions frontières par les données SXI
    • Sélectionner une référence de résultats de simulation afin de tester différentes techniques d'identification de régions frontières
    • Tester la méthode d'identification de la magnétopause développée par A. Jorgensen & T. Sun à partir des caractéristiques des futures mesures de SXI
    • Tester la méthode d'identification de la magnétopause développée par M. Collier & H. Connors à partir des caractéristiques des futures mesures de SXI
    • Développer de nouvelles méthodes d'identifications de la magnétopause à partir des données SXI
    • Développer un logiciel d'identification des régions frontières à partir des données SXI
    • Développer et valider des méthodes d'identifications du front de choc terrestre et des cornets polaires à partir des données SXI
  3. Autre projets scientifiques
    • Étudier si de faibles signatures dans la magnétogaine telles que des jets de plasma très rapides sont détectables par des mesures de rayons X mous
    • Étudier le couplage magnétosphère-ionosphère par la combinaison d'imageurs UV et rayons X mous.

Synergies scientifiques avec des instrumentations sols et spatiaux[modifier | modifier le code]

Ce groupe de travail a pour but d'identifier et coordonner de future campagnes d'observations par une série d'instruments sols et d'autres missions spatiales magnétosphériques à même de compléter les observations spatiales du satellite SMILE. Le but est de maximiser le retour scientifique des mesures de SMILE. Parmi les moyens d'instrumentation sol de la communauté héliophysique, on peut citer le système radar Super Dual Auroral Radar Network ou le système radar EISCAT 3D.Ce groupe de réflexion travaille aussi à la mise en place d'une série d'outils de visualisation des données SMILE combinés à ces données complémentaires.

Vulgarisation scientifique[modifier | modifier le code]

Ce groupe de travail a pour but de promouvoir l'intérêt de la science en général, susciter de possible carrières dans la domaine scientifique, à travers le prisme du projet SMILE. Les membres de ce groupe ont commencé à entreprendre une séries de conférences/rencontres dans des écoles avec des classes d’âge variées, afin de présenter la science liée à la mission SMILE et animer des ateliers pratiques. Une attention particulière est portée à des écoles primaires et des collèges situées dans des zones d'éducation prioritaire. Les membres de ce groupe utilisent SMILE comme un exemple concret, permettant de montrer comment un projet spatial est mis en œuvre et encourager la jeune génération à suivre son développement jusqu'au lancement et en vol. De plus, SMILE est montré en tant qu'exemple de coopération scientifique internationale.

Historique[modifier | modifier le code]

Après le succès scientifique de la première mission spatiale sino-européenne (Double Star), l'ESA et l'académie des sciences Chinoise ont décidé conjointement de sélectionner, mettre en œuvre, lancer et exploiter les données d'une nouvelle mission spatiale scientifique. Après une série d'ateliers de travail, un appel d'offres a été lancé en janvier 2015. Une évaluation conjointe des 13 propositions reçues a conduit à la sélection de la mission SMILE[6]. Cette mission a été proposée[7] par un consortium d'instituts mené conjointement par l'University College de Londres et le centre de sciences spatiales chinois situé à Pékin. De juin à novembre 2015, des études de faisabilité ont été menées et le lancement d'une étude de Phase A a été décidée par le comité du programme scientifique de l'ESA en novembre 2015. Une demande d'information pour le provisionnement du module d'instrumentation a été annoncé le 18 décembre 2015. L'objectif fut de contacter des fournisseurs potentiellement intéressés par la mise en œuvre de ce module, afin d'en évaluer les risques et de préparer l'appel d'offres, publié en 2016[8]. La revue des exigences de la mission fut complétée en octobre 2018 et son adoption par le comité du programme scientifique de l'ESA en mars 2019[3].

Références[modifier | modifier le code]

  1. a b c d e f g h i j k l m n o p et q (en) Branduardi-Raymont, G., C. Wang, L. Dai, E. Donovan, L. Li, S. Sambay, ESA study team, CAS study team et ESA coordinators, ESA SMILE definition study report, vol. ESA/SCI(2018)1, European Space Agency, , 84 p., PDF (lire en ligne)
  2. (en) « SMILE: Summary », UCL Mullard Space Science Laboratory
  3. a et b (en) « ESA gives go-ahead for Smile mission with China » [PDF], ESA,
  4. (en) « SMILE - Summary of ESA-CAS CDF Study » [PDF], Agence spatiale européenne, , p. 3
  5. « Airbus réalise le satellite SMILE de l’ESA » (consulté le 31 juillet 2019)
  6. (en) « ESA and Chinese Academy of Sciences to study Smile as joint mission », ESA, (consulté le 5 octobre 2015)
  7. (en) Branduardi-Raymont, G. et Wang, C., « Joint Scientific Space Mission Chinese Academy of Science (CAS) - European Space Agency (ESA) PROPOSAL SMILE: Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer » [PDF] (consulté le 4 juin 2015)
  8. (en) « Request for Information (RFI) for the provision of the payload module for the joint ESA-China SMILE mission », ESA, (consulté le 8 janvier 2016)