The “Space Systems for Planetology and Applications” (SSPA) scientific group focuses on one main area of research: the development of missions and associated technologies for geophysical exploration of the solar system.
Nos axes de recherche
Le groupe SSPA concentre ses travaux sur deux thématiques principales :
L’étude de la structure interne et des propriétés physiques des planètes telluriques et des petits corps du système solaire : Cette recherche vise à comprendre la composition, la structure interne et l’évolution de ces objets.
L’étude des couplages entre la surface solide et l’atmosphère des planètes : Cette approche permet d’explorer les interactions entre les phénomènes atmosphériques et la géologie de ces mondes.
Ces thématiques s’inscrivent dans une stratégie double :
La préparation de futures missions spatiales, impliquant la conception et le développement d’instrumentation innovante.
L’analyse de données issues de missions passées ou en cours afin d’affiner les modèles scientifiques existants.
Nos missions et projets de recherche
Le groupe SSPA participe à plusieurs missions spatiales d’envergure, chacune contribuant à une meilleure connaissance du système solaire.
Le groupe SSPA est présent sur le projet du rover de la mission NASA Perseverance (Mars 2020 ; qui préparera la mission de retour d’échantillons) au travers de sa contribution à l’instrument SuperCam, qui analyse les roches à distance grâce à la technologie LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy).
L’équipe SSPA est impliquée dans de nombreuses missions de petits corps.
Notre implication va du développement des instruments spécifiquement pour l’exploration de petits corps, aux propriétés physiques de la surface et de la structure interne des astéroïdes.
L’équipe SSPA s’est investie dans les études de missions (collaboration avec le Jet Propulsion Laboratory/Caltech) visant à étudier la structure interne de la planète Vénus, cette fois-ci en utilisant les couplages de la planète « solide » avec l’atmosphère : nous pensons pouvoir détecter ces séismes soit à l’aide de ballons mesurant les infrasons dans la haute atmosphère (60 km) de Vénus, soit via la mesure de la luminescence dans l’infrarouge (airglow) depuis l’orbite.
Cette collaboration s’est traduite par plusieurs vols de ballons instrumentés en collaboration avec le JPL/Caltech et les laboratoires Sandia Labs aux États-Unis.
Le projet PIONEERS (Planetary Instruments based on Optical technologies for an iNnovative European Exploration using Rotational Seismology) a été élu en tant qu’action de recherche et innovation dans le cadre de l’appel à proposition H2020-SPACE-20-2018.
Ce projet financé par la commission européenne a pour objectif de développer une nouvelle génération de sismomètres planétaires.
Coordonné par l’ISAE-SUPAERO, il vise une rupture technologique qui devrait permettre de ressentir des déformations 100 fois plus faibles que les capteurs actuellement disponibles. Pour cela, des technologies d’interférométrie optique seront utilisées pour mesurer des translations, mais aussi des rotations de la surface des planètes. L’ajout de la mesure de rotation aux sismomètres traditionnels permet de nouvelles méthodes de sondage des intérieurs planétaires et de détermination des sources sismiques.
Deux instruments seront développés au cours des 4 ans du projet. Un protoype d’instrument très bas bruit pour les planètes telluriques du système solaire, et un modèle de vol plus compact, au format CubeSat, pour application aux astéroides.
PIONEERS est porté par un consortium européen de laboratoires de recherche (ISAE-SUPAERO, ETHZ, IPGP, ORB, LMU) et un partenaire industriel (iXblue). Cette action de recherche permet le regroupement de compétences de pointe venant de l’instrumentation planétaire, de la géodésie et de la sismologie de rotation en passant par l’électronique et l’optique spatiales.
EntrySat, le tout premier cubesat 3U français, a été déployé depuis la Station spatiale internationale (ISS) le 3 juillet à 16h25 UTC (18h25 heure locale). Les principaux objectifs de la mission EntrySat étaient d’étudier la rentrée atmosphérique des débris spatiaux. En outre, EntrySat devait réaliser des expériences de communication avec le sol et de mesure des caractéristiques de l’atmosphère.
EntrySat faisait partie du projet CNES JANUS (Jeunes en Apprentissage pour la réalisation de Nanosatellites au sein des Universités et des écoles de l’enseignement supérieur). Le développement a été mené par l’équipe SSPA et a impliqué de nombreux chercheurs, ingénieurs et étudiants de l’ISAE-SUPAERO qui ont participé à la conception du nanosatellite, aidés par l’ONERA et l’Université de Toulouse.
Nos technologies et instrumentations
Le groupe SSPA joue un rôle crucial dans la conception et le développement de technologies avancées pour l’exploration spatiale. Ces technologies incluent :
Des capteurs sismiques et infrasonores pour analyser les activités internes et atmosphériques des planètes.
Des instruments d’observation embarqués permettant de recueillir des données en temps réel.
Des systèmes de détection de chocs et de vibrations utilisés dans l’étude des astéroïdes et des comètes.
Responsable Groupe SSPA
La mission InSight sur Mars
La mission InSight a été sélectionnée par la NASA en août 2012 dans le cadre du programme DISCOVERY. Elle a déployé le 26 novembre 2018 le premier observatoire géophysique sur Mars, afin de fournir des connaissances scientifiques essentielles pour comprendre les processus fondamentaux de la formation des planètes telluriques et de leur évolution. Pour y parvenir, elle emporte deux instruments scientifiques : le sismomètre SEIS et HP3, instrument de mesure des flux de chaleur en provenance du cœur de la planète.
Le sismomètre SEIS, mesurant l’activité sismique, le flux d’impact des météorites et les mesures de la marée de Phobos, caractérise la structure intérieure de Mars, fournissant des informations sur l’épaisseur et la structure de la croûte, la composition et la structure du manteau et la taille du noyau. Il a été développé depuis plus de 10 ans par l’Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) avec le soutien du CNES et du CNRS, et un large éventail de partenaires internationaux : IPGP, École polytechnique fédérale de Zurich (ETHZ), Institut Max-Planck de Lindau, Imperial College de Londres et Oxford, Jet Propulsion Laboratory et l’ISAE-SUPAERO.
Les chercheurs de l’equipe SSPA fournissent deux co-investigateurs de la mission (David Mimoun, Raphael Garcia) ainsi que 5 collaborateurs (Naomi Murdoch, Nicolas Compaire, Leo Martire, Melanie Drilleau, Alexandre Stott), et ont contribué à la mission InSight au travers notamment du modèle de performance de l’instrument SEIS du modèle de performance de la mission, de la spécification du logiciel scientifique et de la conception du concept des opérations de l’instrument sur Mars. Ils contribuent également significativement à l’exploitation des données scientifiques sur la structure de la croute, de la structure interne de la planète ou l’étude des tourbillons de vent (« dust devils »).
Quelques thématiques de recherche du groupe SSPA en lien avec la mission InSight :
Les variations du vent (Murdoch et al. 2017), de pression atmosphérique (Murdoch et al., 2018, Garcia et al., 2020), du champ magnétique ou bien de température sont des phénomènes naturels qui créent du bruit sur l’instrument SEIS. Comprendre et prédire tells sources de bruit (Mimoun et al., 2017) a été important dans la conception de la mission, la définition des spécifications et dans l’exploitation des données. Pour aider la NASA et l’équipe InSight à choisir le meilleur emplacement possible pour l’instrument SEIS, nous avons aussi réalisé des cartes de performances et de bruit de chaque point autour du lander. Elles recensent tous les bruits susceptibles de perturber les mesures de l’instrument et prennent en compte toutes les caractéristiques connues de l’environnement martien.
Contraindre la structure interne des planètes telluriques (la Terre, Mars, la Lune) constitue un enjeu fondamental pour mieux comprendre leur processus de formation et leur évolution. Pour y parvenir, les enregistrements effectués grâce aux stations sismologiques terrestres, et ceux issus des missions Apollo et InSight, constituent des données de premier plan pour sonder l’intérieur des planètes. Dans ce cadre, un axe de recherche important est le développement d’algorithmes d’inversion des données sismologiques, et plus largement géophysiques, afin d’estimer les profils de vitesses sismiques et de température à l’intérieur des planètes, ainsi que leur composition minéralogique (Drilleau et al., 2013, 2020 ; Panning et al., 2015, 2017 ; Bissig, 2018 ; Garcia et al., 2019).
Déterminer la structure de la proche surface permet de fournir des contraintes sur l’histoire géologique d’une planète. Les fluctuations de pression de l’atmosphère martienne génèrent de petites déformations du sol, qui peuvent être mesurées par le sismomètre SEIS de la mission InSight. Ces déformations dépendent fortement des propriétés élastiques du régolite. A partir des enregistrements des données de pression, de vent, et de déformation du sol, il est possible d’estimer les paramètres élastiques sous le lander dans les 20 premiers mètres sous la surface (Lognonné et al., 2019, Kenda et al., 2020, Garcia et al., 2020, Murdoch et al., 2020). Les premiers résultats ont montré la présence d’une transition entre le régolite en surface et une roche plus dure, qui correspondrait à des blocs de roches éjectés lors d’un impact météoritique (Lognonné et al., 2020).
InSight mesure la vitesse et la direction du vent, et la pression atmosphérique de manière presque continue, offrant plus de données que les missions au sol précédentes. Ces capteurs météorologiques ont détecté des centaines de vortex convectifs (tourbillons), appelés tourbillons de poussière lorsqu’ils ramassent de la poussière et deviennent visibles. Le site d’InSight a plus de tourbillons que tout autre endroit où nous avons atterri sur Mars avec des capteurs météorologiques (Banfield, Spiga et al., 2020). SEIS peut sentir ces vortex tirer sur la surface comme un aspirateur géant (Lorenz et al., 2015). En plus de pouvoir calculer l’élasticité de la surface martienne en mesurant l’aspiration du sol par des tourbillons de poussière qui passent (Lognonné et al., 2020 ; Banerdt et al., 2020), les mesures sismique et de pression combinées permettent de fournir des contraintes sur les propriétés des vortex et ses trajectoires (Murdoch et al., 2020), et peuvent indiquer des hétérogénéités dans la structure souterraine autour de l’atterrisseur InSight (Golombek et al., 2020).
Le Microphone Martien à bord du Rover de la NASA « Persévérance »
Le groupe SSPA est présent sur le rover de la mission NASA Perseverance (Mars 2020 ; qui préparera la mission de retour d’échantillons) au travers de sa contribution à l’instrument SuperCam, qui analyse les roches à distance grâce à la technologie LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy).
Nous avons en effet réalisé et fourni le premier microphone martien, qui complète les mesures du LIBS en fournissant des informations calibrées de la dureté des roches.
Quelques thématiques de recherche du groupe SSPA en lien avec le microphone martien :
Nous étudions le signal acoustique associé à la formation du plasma lors de l’expérience de ‘Laser-Induced Breakdown Spectroscopy’ (LIBS) sur SuperCam. Nos recherches montrent que l’écoute des étincelles LIBS fournit des informations sur la dureté / densité cible. Ces résultats sont indépendants et complémentaires du spectre LIBS.
Le microphone enregistrera le bruit aéroacoustique généré par le vent passant devant le microphone. À l’aide d’expériences réalisées dans la soufflerie martienne d’Aarhus, nous avons démontré que le microphone sur SuperCam a le potentiel de déterminer à la fois la vitesse et la direction du vent sur Mars, contribuant ainsi aux recherches scientifiques sur l’atmosphère.
Les missions de petits corps
L’équipe SSPA est impliquée dans de nombreuses missions de petits corps. Notre implication va du développement des instruments spécifiquement pour l’exploration de petits corps, aux propriétés physiques de la surface et de la structure interne des astéroïdes.
- La mission AIDA
- Le rover MMX sur Phobos
- Le projet H2020 NEO-MAPP
La mission DART (‘Double Asteroid Redirection Test’) de la NASA atteindra Didymos en septembre 2022 et se dirigera vers Dimorphos à une vitesse d’environ 6,6 km/s. La dernière chose que DART transmettra à la Terre avant la collision sera une image de la surface de Dimorphos.
Les investigations post-impact seront réalisées dans un premier temps depuis la Terre, puis par l’autre composante d’AIDA, la mission Hera de l’ESA (dont le lancement est prévu en 2024). Les études post-impact détaillée de Hera (Michel et al., 2017) transformera l’expérience d’impact à grande échelle en une technique de défense planétaire bien comprise et reproductible.
Les résultats globaux des deux missions devraient fournir une base de référence pour la planification de toute future stratégie de défense planétaire, offrant un aperçu du type de force nécessaire pour déplacer l’orbite d’un astéroïde, et mieux comprendre comment la technique pourrait être appliquée si une menace réelle venait à se produire.
DART et Hera sont autonomes ; chaque mission seule fournira des connaissances précieuses. Cependant, une fois combinées, ces connaissances seront considérablement multipliées.
L’implication de la SSPA dans ces missions est double : aider à préparer les opérations de proximité immédiate de la mission Hera, notamment en ce qui concerne l’atterrissage et la stratégie opérationnelle des CubeSats, et préparer les analyses scientifiques des missions DART et Hera, notamment avec en ce qui concerne les propriétés géophysiques de Didymoon (structure interne et propriétés mécaniques de surface). Naomi Murdoch est co-I de la mission Hera et collaboratrice de la mission DART.
La mission Martians Moons eXploration (MMX)de l’Agence Japonaise d’Exploration Aérospatiale, JAXA, visitera les lunes martiennes Phobos et Deimos, et ramènera des échantillons de Phobos sur Terre.
Dans le cadre de cette mission, un petit rover ( 25 kg), fourni par le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) et le Centre Aérospatial Allemand (DLR), avec des contributions supplémentaires de l’INTA (Espagne) et de la JAXA, sera livré à la surface de Phobos.
Le rover sera une démonstration technologique de la locomotion sur une surface planétaire en faible gravité et recouverte de régolithe. En outre, le rover fournira des données scientifiques sur les propriétés du régolithe (mécaniques, minéralogiques et thermiques), donnera des informations de contexte pour les échantillons retournés, et contribuera à réduire les risques des opérations de la mission MMX.
L’un des quatre instruments scientifiques à bord du rover est le ‘WheelCams’ (PI : Naomi Murdoch). Ces caméras observeront les interactions entre les roues du rover et la surface afin de caractériser les propriétés mécaniques du régolithe.
Dans l’équipe SSPA, en plus de préparer l’analyse des données des WheelCams, nous étudions la faisabilité et les performances attendues d’un véhicule à roues à la surface de Phobos.
NEO-MAPP ‘Near Earth Object Modeling And Payload for Protection’ est un projet financé par le programme H2020 de la Commission européenne. Ce projet aborde le thème « Recherche avancée sur les objets géocroiseurs (NEO) et les nouvelles technologies de charge utile pour la défense planétaire » (SUSPACE-23-SEC-2019).
L’objectif principal de NEO-MAPP est de soutenir le développement et l’analyse des données des missions petits corps, comme Hera, et d’apporter des avancées significatives à la fois dans notre compréhension de la réponse des objets géocroiseurs aux forces extérieures (en particulier un impact cinétique ou un passage près d’une planète), et des mesures faites par les missions spatiales.
Les objectifs du NEO-MAPP sont les suivants :
- Pousser les limites de la modélisation numérique de la réponse des objets géocroiseurs à un impact cinétique, ainsi que de leurs propriétés physiques et dynamiques tout en développant les capacités de modélisation européennes liées à la défense planétaire et à l’exploration d’objets géocroiseurs ;
- Accroître la maturité de multiples instruments spatiaux européens directement liés à la défense planétaire, tout en se concentrant sur les mesures des propriétés de surface, de sous-surface peu profonde et des intérieurs des objets géocroiseurs ;
- Développer des algorithmes et des simulateurs pour se préparer aux opérations de proximité et à l’exploitation des données ;
- Développer des stratégies innovantes et synergiques de mesure et d’analyse des données qui combinent plusieurs instruments, afin d’assurer une exploitation optimale des données venant des missions petits corps ;
- Développer et valider des stratégies et des technologies GNC robustes permettant une interaction entre une surface et un CubeSat ou petit / micro-atterrisseur, et des mesures de réponse.
L’équipe NEO-MAPP consacrera des ressources considérables au développement de synergies importantes et innovantes entre les deux sous-thèmes. En tant que tel, NEO-MAPP fournira des avancées significatives dans notre compréhension des objets géocroiseurs tout en s’appuyant sur l’expertise des scientifiques et ingénieurs européens dans les efforts de défense planétaire et l’exploration des petits corps.
Quelques thématiques de recherche du groupe SSPA en lien avec les petits corps :
La dynamique du régolithe (matériel granulaire sur les surfaces planétaires) est également impliquée dans l’évolution des petits corps de notre système solaire et est essentielle pour la conception et / ou le fonctionnement des atterrisseurs, des appareils d’échantillonnage et des rovers.
- Atterrissage sur les astéroïdes : la compréhension des interactions surface-atterrisseur est importante pour tous les atterrisseurs car ces considérations influencent la stratégie de déploiement, la conception et les opérations de la mission, et même le choix de la charge utile. Pour simuler l’atterrissage sur un astéroïde, nous avons développé une machine Atwood : une tour de largage à gravité variable (Sunday et al., 2016). Avec la tour, nous effectuons des collisions à faible vitesse dans des conditions de faible gravité. Les résultats de nos expériences indiquent que les collisions en faible gravité conduisent à un comportement plus fluidisé des grains (Murdoch et al., 2017). Pour voir une expérience sur la simulation de l’atterrissage d’un astéroïde.
- Roulage en faible gravité : A l’aide d’un code DEM, que nous avons amélioré et validé pour modéliser les interactions spécifiques d’une roue avec le régolithe d’un petit corps (Sunday et al., 2020), nous étudions comment le comportement d’une roue (traction, maniabilité, …) varie selon les types de régolithes et à différents niveaux de gravité. Les résultats seront utilisés directement pour la planification des opérations du rover MMX et interpréter les interactions entre les roues et le régolithe sur Phobos.
Comprendre la structure interne d’un astéroïde a des implications importantes pour interpréter son histoire, pour comprendre son évolution géologique continue, ainsi que pour la déviation des astéroïdes et l’utilisation des ressources spatiales in situ. Il existe des preuves solides que les astéroïdes sont sismiquement actifs (voir Murdoch et al., 2015 pour une revue). L’équipe SSPA étudie la sismicité naturelle (forces de marée, impacts, fissuration thermique,…) des astéroïdes pour comprendre les conséquences sur leur évolution et leur structure interne, et pour les futures stations sismiques d’astéroïdes (Garcia et al., 2015 ; Murdoch et al., 2017).
En mesurant le déplacement du sol dû à l’activité sismique à la surface des astéroïdes, un géophone peut fournir des contraintes sur la stratification et les propriétés mécaniques du sous-sol, en plus de la taille typique des hétérogénéités du sous-sol.
La sismologie a longtemps été considérée comme une technique clé pour comprendre un corps planétaire et son intérieur. Cependant, malgré les preuves que les astéroïdes sont sismiquement actifs et le besoin évident d’approfondir notre compréhension de leur structure interne, aucune expérience sismique n’a été réalisée sur la surface d’un astéroïde.
Pour atteindre l’objectif de mettre un seismometre à la surface d’un petit corps, nous développons un instrument adapté à l’environnement du petit corps. Notre sismomètre de faible masse et de faible puissance peut s’intégrer dans un petit atterrisseur (par exemple un CubeSat) et peut fonctionner dans l’environnement difficile de la surface de l’astéroïde.
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Discover the portrait of Anthéa COMELLINI doctoral student at ISAE-SUPAEROAnthéa completed her thesis in the Complex Systems Engineering Department (DISC). Her thesis is entitled “Vision-based autonomous rendezvous with non-cooperative targets”. Anthéa is attached to the AA - Aéronautique Astronautique doctoral school. Her thesis, carried out in collaboration with Thales Alenia Space, is part of the CIFRE* program ISAE-SUPAERO hosts its doctoral students in six teams at ISAE-SUPAERO, ONERA and the Clément Ader Institute, covering a broad spectrum of scientific disciplines related to aeronautics and space: aerodynamics and propulsion, structures and materials, onboard systems, networks and telecommunications, systems control and operation, human factors, electronics, signals. ISAE-SUPAERO offers a rich and diversified doctoral training program, leading to the doctorate, the highest level diploma awarded by the institute, and recognized internationally. *Since 1981, the CIFRE scheme - Conventions Industrielles de Formation par la REcherche (Industrial Conventions for Training through Research) - has enabled companies to benefit from financial assistance to recruit a young doctoral student whose research, supervised by a public research laboratory, will lead to the completion of a thesis in three years. CIFREs are fully funded by the French Ministry of Higher Education and Research, which has entrusted ANRT (Association Nationale de la Recherche et de la Technologie) with their implementation.
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Complex Systems Engineering Department (DISC)Within ISAE-SUPAERO, the Complex Systems Engineering Department (DISC) develops skills in mathematics and computer science for aeronautical and space engineering. In both teaching and research, it focuses on the models, methods, and tools needed to control the behavior and performance of complex systems. This complexity may be induced by the multi-physics or multi-scale nature of the systems studied, their dynamic behavior, or their distributed and communicating structure.
DISC
PhD
Researcher
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Validation of prior experienceThe validation of prior experience is an individual right enshrined in the French Labor Code and Education Code. It enables candidates to obtain all - or part - of a professional certification (Diploma, Professional Title, Certificate of Professional Qualification), based on their professional, salaried or non-salaried and/or voluntary experience. This scheme can be used if the candidate is seeking personal recognition, or more generally to support a professional project that he or she wishes to put into practice.
Aeronautics
Certificates of advanced studies
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