Domaine Physique - thématiques de recherche du département Physique, instrumentation, environnement, espace (DPHY)

Adjoint scientifique de département

Pierre Sarrailh

DPHY
département Physique, instrumentation, environnement, espace

Thématiques PHY du département DPHY - Physique, instrumentation, environnement, espace

• Modèles et mesures de l'environnement spatial DPHY
• Effets de l'environnement radiatif aérospatial sur les systèmes embarqués DPHY
• Interaction de l'environnement spatial avec les matériaux DPHY
• Charge et décharges électrostatiques sur satellite DPHY
• Foudre, plasma et propulseurs électriques DPHY
• Instrumentation et métrologie par spectroscopie laser DPHY
• Capteurs inertiels à atomes froids DPHY
• Accélérométrie spatiale haute performance DPHY
• Micro/nano-systèmes (MEMS/NEMS) et capteurs inertiels miniatures DPHY

 PHY représente le domaine scientifique Physique de l'ONERA 

Modèles et mesures de l'environnement spatial

[CNU 63, 28] [CoCNRS 19,3]

DPHY  Angélica Sicard, Sébastien Bourdarie [contacts prenom.nom@onera.fr]

• Ceintures de radiation
• Modélisation physique
• Spécification d'environnement radiatif
• Assimilation de données, Apprentissage
• Moniteur de radiation

Exemples

Capteur Protons Basse énergie Avec les nouveaux profils de mise à poste des satellites géostationnaires, les satellites passent plus de temps dans les ceintures de radiations. Les rares mesures disponibles sur de telles orbites nous montrent que les modèles d’ingénierie actuels sous-estiment les flux de protons d’énergie entre 1 et 15 MeV. Aussi, une nouvelle tête de détection compatible avec l’instrument ICARE-NG (photo) développé par le CNES, l’ONERA et EREMS a donc été « designée » par l’ONERA et est embarquée sur un satellite EutelSat fabriqué par ADS.

GREEN (Global Radiation Earth Environnement) est un modèle global de spécification des ceintures de radiation terrestres combinant le modèle global américain de référence AE8/AP8 et les modèles de spécification locaux de l’ONERA. GREEN permet donc de calculer les flux de protons et d’électrons de quelques dizaines d’eV à quelques MeV pour les électrons et plusieurs centaines de MeV pour les protons dans la totalité des ceintures de radiation.

Le projet SafeSpace vise à faire progresser les capacités de prévision de la météorologie spatiale et à contribuer à la sécurité des systèmes spatiaux. Ceci est réalisé grâce à la synergie de cinq modèles de météorologie spatiale bien établis (l'outil du CNRS/CDPP, Euhforia de KU Leuven, l'outil d’assimilation de données de l’ONERA, le modèle de plasmasphère de l’IASB, le code Salammbô de l’ONERA).

Effets de l'environnement radiatif aérospatial sur les systèmes embarqués

[CNU 63, 28] [CoCNRS 3]

DPHY Guillaume Hubert, Laurent Artola [contacts prenom.nom@onera.fr]

• Système électronique
• Effets des radiations, effets singuliers (SEE)
• Effets cumulés
• Environnement radiatif naturel (ERN) atmosphérique
• Durcissement par design
• Avionique & spatial Exemples

Exemples

Réseau de spectromètres neutron Mise en place pour la caractérisation et l’étude de l’environnement radiatif naturel.  En particulier, un spectromètre neutron est exploité dans la station polaire Concordia depuis 2015, dans le cadre du projet CHINSTRAP (ONERA/PHY principal investigator, Continuous High-Altitude Investigation of Neutron Spectra for Terrestrial Radiation Antarctic Project).

Plateforme de simulation multi-physique MUSCA SEP3–TERRIFIC Modélisation des défaillances de type évènement singulier dans les électroniques embarquées: environnement radiatif – interaction rayonnement matière – physique du semi-conducteur – injection au niveau circuit.

Interaction de l'environnement spatial avec les matériaux

[CNU 63, 28] [CoCNRS 3]

DPHY Christophe lnguimbert, Laurent Artola [contacts prenom.nom@onera.fr]

• Effet des radiations spatiales
• Matériau
• Semi-conducteur
• Polymère
• Contamination

Cette thématique propose au profit de l’industrie spatiale européenne une expertise des effets des radiations sur les matériaux constitutifs des engins spatiaux. Cela concerne les revêtements de contrôle thermique (peintures) jusqu’aux matériaux semi-conducteurs des photorécepteurs, en passant par les membranes souples des ballons stratosphériques qui évoluent aussi dans un environnement radiatif contraignant. L'ONERA dispose d'une large palette de moyens expérimentaux de simulation de l’environnement spatial radiatif, associé à des moyens de caractérisation des propriétés physique de ces matériaux (propriétés thermo/optiques, électroniques, désorption, contamination, plasticité). Nous proposons aussi des moyens de simulation numériques de ces effets.

Exemples

Parc expérimental complet de simulation et d’analyse des effets de l’environnement spatial radiatif

Outils de simulation numérique de transport et des effets des radiations dans les matériaux

Charge et décharges électrostatiques sur satellite

[CNU 63, 28] [CoCNRS 3]

DPHY Sébastien Hess, Pierre Sarrailh [contacts prenom.nom@onera.fr]

• Charge en orbite
• Décharges électrostatiques, arcs, conductivité induite
• ieillissement électrique
• Plasma, interaction particules/plasma satellite
• Émission électronique
• Analyse de surfaces

Exemples

Charge électrique des poussières lunaires par le vent solaire. Le DPHY étudie la manière dont les poussières à la surface des corps célestes se chargent électriquement et peuvent ainsi se déplacer et adhérer à la surface des sondes et des combinaisons spatiales des astronautes envoyés vers la Lune. Pour cela, le DPHY a développé une expertise unique mêlant mesure expérimentale dans la chambre DROP et simulation numérique.

Interaction des satellites avec les plasmas spatiaux et issus de la propulsion électrique. L'ONERA étudie et caractérise les matériaux utilisés dans le spatial et leurs interactions avec les plasmas naturels et artificiels rencontrés en orbite. Au moyen du logiciel SPIS qu’il développe, le DPHY peut ainsi simuler la propreté électrostatique des satellites au cours de leur mission, pour prévenir les risques de décharges et de perturbation des équipements, en particulier des instruments scientifiques.

Foudre, plasma et propulseurs électriques

[CNU 63] [CoCNRS 4]

DPHY  Paul-Quentin Elias, Denis Packan [contacts prenom.nom@onera.fr]

• Foudre
• Plasmas, propulsion électrique
• Instrumentation embarquée
• Modélisation des plasmas
• Haute tension et générateurs
• Magnétohydrodynamique
• Décharges électrostatiques (DES)
• Caractérisation du risque atmosphérique

Exemples

Le système de surveillance du risque Foudre Conçu, déployé et opéré par l’ONERA, il combine des capteurs embarqués sur avion, sur un réseau de bouées autonomes, ou des stations sol. Il permet un suivi temps réel des risques atmosphériques liés à la foudre, au profit des centres d’essai de la défense.

Le propulseur ECRA Il préfigure la prochaine génération de propulseurs plasmiques pour les satellites. Alliant un système de tuyère magnétique permettant un contrôle du vecteur de poussée sans mouvement mécanique et une source plasma micro-onde, ses performances le situent au meilleur niveau dans sa classe de puissance. La photo illustre la vectorisation de la poussée du propulseur ECRA par actuation magnétique.

Le banc Grifon Il est composé d’un ensemble de générateurs délivrant les ondes de courant Foudre normatives sur des échantillons de test. Il permet la mise en place d’une instrumentation avancée pour caractériser finement les phénomènes d’interaction plasma-matériaux.

La plateforme de simulation des plasmas TARANIS L'association de cette plateforme numérique avec le moyen expérimental GRIFON  permet une confrontation simulation-expérience cruciale pour concevoir et sécuriser les futures structures aéronautiques.

Instrumentation et métrologie par spectroscopie laser

[CNU 30, 63] [CoCNRS 4,8]

DPHY Michael Schermann, Myriam Raybaut [contacts prenom.nom@onera.fr]

• Spectroscopie
• Thermométrie, vélocimétrie
• Fluorescence induite par laser
• Diffusion Raman spontanée / cohérente (CARS)
• Optique non linéaire
• Spectroscopie d'absorption par diode laser
• Oscillateurs et amplificateurs paramétriques optiques
• Maîtrise du contenu spectral de sources cohérentes
• Spectroscopie photo-acoustique
• Capteur de gaz, lidar à absorption différentielle
• Spectroscopie d'absorption par diode laser
• Peignes de fréquences
• Optique quantique et capteurs

Exemples

Lidars pour la détection d’espèces gazeuses à distance Des développements de sources paramétriques ont permis deux transferts de technologies, ainsi que le développement d'instruments Lidar à absorption différentielle multi-espèces, pour l’étude de la physique de l'atmosphère et la détection d’espèces gazeuses dangereuses.

Banc de spectroscopie Raman Cohérent femtoseconde Une architecture laser innovante a permis le montage d'un tel banc CARS femtoseconde fonctionnant à haute cadence (1-5 kHz). Développé pour la mesure de température dans les gaz, il a été déployé avec succès sur le banc de combustion aéronautique représentatif de l'ONERA MICADO.

Banc d’imagerie LIF à haute cadence Un banc d’imagerie LIF (fluorescence induite par laser) à haute cadence (10 kHz) a été développé pour caractériser des écoulements instationnaires et/ou des phénomènes transitoires. Une application originale à l’atome d’aluminium (Al) a été développée puis mise en œuvre sur des flammes de propergols solides contenant des particules d’aluminium pour imager la fluorescence de l’aluminium évaporé par les gouttes en cours de combustion.

Le signal de fluorescence très intense de l’aluminium permet de le détecter facilement malgré les conditions très sévères (hautes température et pression, forte luminosité de la flamme, milieu très diffusif) qui empêchent jusqu’à présent d’obtenir des diagnostics basés sur des techniques de spectroscopie laser dans des conditions représentatives. La combinaison de la haute cadence et du traceur atomique intense donne un excellent contraste instantanément. Ce moyen de métrologie laser apporte des solutions innovantes pour l’analyse non intrusive de milieux réputés difficiles.

Capteurs de détection de gaz locale par photacoustique La photoacoustique est une technique sensible pour la détection de gaz à l’état de traces permettant de répondre aux besoins de diverses applications aussi bien environnementales, que de sûreté et de sécurité. En lien avec la thématique « Micro/nano-systèmes (MEMS/NEMS) et capteurs inertiels miniatures », nous développons des capteurs à base de micro-résonateurs en quartz spécifiquement conçus et réalisés pour optimiser les performances de détection.

Capteurs inertiels à atomes froids

[CNU 63] [CoCNRS 4]

DPHY Nassim Zahzam, Myriam Raybaut [contacts prenom.nom@onera.fr]

• Capteurs inertiels
• Atomes froids
• Interférométrie atomique
• Gravimètres
• Capteur de champ électromagnétique à atomes de Rydberg

Exemples

Gravimètre quantique embarquable Avec le soutien de la DGA, l’équipe « capteurs inertiels à atomes froids » a développé un gravimètre quantique capable de réaliser des mesures absolues de pesanteur depuis un bateau ou un avion.

Hybridation entre un accéléromètre quantique et électrostatique pour la géodésie spatiale Avec le soutien de l’ESA, l’équipe « capteurs inertiels à atomes froids » a étudié l’association d’un accéléromètre quantique et électrostatique pour la mesure du champ de gravité terrestre depuis l’espace. Au vu des simulations et des expériences effectuées, ce concept semble très prometteur pour les futures missions de géodésie spatiale.

Accélérométrie spatiale haute performance

DPHY Joël Bergé, Manuel Rodrigues [contacts prenom.nom@onera.fr]

• Accéléromètre électrostatique,  femto-g, pico-g
• Senseur inertiel
• Compensation de traînée de satellite, contrôle d'attitude
• Géodésie
• Gravimétrie
• Physique fondamentale

Exemples

CHAMP, GRACE, GOCE, GRACE-FO Les accéléromètres spatiaux développés à l’ONERA ont volé dans ces missions dédiées à la cartographie du champ de gravité de la Terre.

Ces missions définissent le géoïde de référence en géophysique.

Ici les satellites jumeaux de la mission GRACE-FollowOn (NASA, suite de GRACE) et son accéléromètre ONERA.

MICROSCOPE Les accéléromètres T-SAGE ont atteint des performances exceptionnelles lors de cette mission Cnes de physique fondamentale, permettant de réaliser le test du Principe d’Équivalence le plus précis jamais réalisé au monde.

Micro/nano-systèmes (MEMS/NEMS) et capteurs inertiels miniatures

[CNU 63] [CoCNRS 4]

DPHY Jean Guérard, Raphaël Levy [contacts prenom.nom@onera.fr]

• MEMS, NEMS
• Micro/nano systèmes
• Capteurs inertiels vibrants
• Capteurs couches minces
• Matériaux 2D

Exemples

Accéléromètre tri-axe pour la navigation inertielle, intégrant une structure vibrante MEMS en quartz obtenue par gravure chimique. Muni d’une suspension silicone et d’une électronique numérique intégrée, l’instrument est qualifié sur lanceur.

Résonateur MEMS en quartz pour base de temps de précision, fabriqué de manière collective par gravure ionique réactive profonde (DRIE). Contrairement à la gravure chimique humide, l’absence de figures d’attaques dans ce procédé spécifique ONERA (flancs verticaux sur 100 µm) est une voie de recherche très prometteuse pour le développement de cellules innovantes en quartz

Moyen de mesure en développement pour l’évaluation du coefficient d’échange convectif et de la température du gaz d’écoulements de statoréacteurs. Capteur intégrant deux fluxmètres et deux thermomètres de surface en couches minces déposés par pulvérisation cathodique.

Capteurs de gaz ultrasensibles pour la détection de NO2 et NH3 à base de graphène sur un substrat de nitrure de bore multicouches (synthèse par dépôt chimique en phase vapeur à l’ONERA) réalisé par photolithographie en salle blanche.

* CNU : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national des universités (voir liste au CNU)
* CoNRS : relatif aux sections disciplinaires du Conseil national de la recherche scientifique, en vigueur au CNRS (voir CoNRS/sections)