Ontwikkeling en validatie van SLP

Ruimtefysica
De Sweeping Langmuir Probe (SLP), ontwikkeld door het BIRA, is één van de twee instrumenten die zullen meevliegen aan boord van de ESA-CubeSat PICASSO in 2019. SLP zal de elektrische stroom meten die opgevangen wordt door vier cilindrische sondes waarvan de elektrische potentialen variëren, zodat de volgende belangrijke parameters van de ionosfeer afgeleid kunnen worden: de ladingsdichtheid, de elektronentemperatuur, de ionentemperatuur en de potentiaal van het ruimtetuig t.o.v. de omgeving. De hoofddoelstelling van SLP is inzicht krijgen in de magnetosfeer-ionosfeer koppeling en in het poollicht. Dit wetenschappelijk onderzoek zal uitgevoerd worden door gegevens van andere bronnen te combineren met de meetresultaten van SLP, bv. GNSS TEC tomografie, fluittoon-detectoren van het AWDA-net, de WHISPER-instrumenten aan boord van Cluster, enz.

Ontwikkeling

SLP is een zeer licht en geminiaturiseerd instrument. De elektronische kaarten zijn omhuld door een op maat gemaakte afscherming om elektromagnetische storingen (EMI) te verminderen, zoals weergegeven in Figuur 2. De elektronica past in een doos van 104 mm x 98 mm x 25 mm en het volledig instrument weegt slechts 152 g (inclusief sondes).

Test en validatie

Omdat het geleidende oppervlak van het ruimtetuig niet groot genoeg is in vergelijking met het oppervlak van de sondes, zal de satelliet negatief laden wanneer de sondes op een positieve potentiaal worden geplaatst. Deze lading zal tijdens het meten leiden tot een afwijking van de satelliet-potentiaal, waardoor de gegevens onbruikbaar worden. Om dit probleem te voorkomen hebben we een specifieke meettechniek ontwikkeld waarbij twee verschillende sondes gelijktijdig gebruikt worden:

  1. terwijl één sonde op een bepaalde potentiaal geplaatst wordt en de stroom meet (traditionele Langmuir-sondetechniek)

  2. wordt een tweede sonde gebruikt om de zwevende potentiaal te meten

Door de gegevens van deze twee sondes te combineren zijn we in staat om consistente stroom-spanningskarakteristieken te bekomen. Dit nieuwe meetprincipe werd met succes getest en gevalideerd in de plasmakamer bij ESTEC (een onderzoekscentrum van ESA), zoals weergegeven in Figuren 3 en 4.

Integratie van de SLP-elektronica in PICASSO.
Figuur 2: Integratie van de SLP-elektronica in PICASSO.
Elektrisch representatieve PICASSO-maquette in de ESA-plasmakamer bij ESTEC, tijdens de testcampagne.
Figuur 3: Elektrisch representatieve PICASSO-maquette in de ESA-plasmakamer bij ESTEC, tijdens de testcampagne.
Links: gemeten stroom-spanningskarakteristieken in de plasmakamer, t.o.v. de potentiaal op het ruimtevaartuig (rood) en t.o.v. de zwevende potentiaal (blauw). Rechts: zwevende potentiaal t.o.v. de satellietpotentiaal.
Figure 4: Left: Measured current-voltage characteristics in the plasma chamber, with respect to the spacecraft potential (red) and with respect to the floating potential (blue). Right: Floating potential measurement with respect to the spacecraft potential.