A space mission of a nano-satellite constellation for the study of electromagnetic wave-energetic particle interactions: mission design, simulations and experimentation

Abstract

Earth’s magnetosphere is a natural laboratory where various plasma processes occur at a wide range of temporal, spatial and energy scales. Amongst them, wave-particle interactions play a key role in determining the state and the variability of energetic particles, as they are a primary mechanism for the source and loss of these particles. Radiation belt relativistic electrons are able to gain energy and pitch-angle scatter from resonant interactions with plasma waves, leading to part of the population to precipitate into the atmosphere. Understanding and quantifying wave-particle interactions is a key open scientific topic in magnetospheric physics, and there are many efforts to both measure and simulate the various sources of wave-particle interactions. The main reason for the current lack of conclusive quantification is the lack of co-temporal, co-spatial measurements of both energetic particles and electromagnetic waves at the location where wave-particle interactions occur. The purpose of this work is to: A) investigate the status of understanding and characterization of the underlying processes related to wave-particle interactions; B) simulate wave-particle interactions via test particle simulations and wave ray tracing; C) investigate the effective amplitudes that could produce a change in energetic particle fluxes; D) suggest a mission design with a certain level of feasibility for an innovative space mission consisting of a pair of satellites, for the in situ investigation of interactions between electromagnetic waves and charged particles. Specifically, for the design of such a mission, during the PhD, a comprehensive set of numerical and analytical tools was developed to support the definition of the mission parameters. These tools include test particle simulation codes for investigating electron scattering by VLF waves, with particular emphasis on non-linear scattering processes; models for simulating the radiation properties of antennas immersed in the magnetospheric plasma; and codes dedicated to orbital design and propagation, analysis of magnetic conjunctions between satellites, and propulsion system performance. Furthermore, specific software was implemented to define and optimize the parameters of the satellite payloads, including the VLF transmitter, energetic particle detector, VLF electric and magnetic field instruments, and the Langmuir probe. The combined use of these tools enables the simulation and assessment of preliminary mission scenarios. Based on the above results, and in combination with the characteristics of instruments that have flew on satellites, we chose all the necessary payloads/instruments and subsystems of the two satellites and we designed the preliminary CADs of the two satellites.

Η μαγνητόσφαιρα της Γης συνιστά ένα φυσικό εργαστήριο, εντός του οποίου πραγματοποιούνται ποικίλες διεργασίες πλάσματος σε ευρύ φάσμα χρονικών, χωρικών και ενεργειακών κλιμάκων. Μεταξύ αυτών, οι αλληλεπιδράσεις κυμάτων–σωματιδίων διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στον προσδιορισμό της κατάστασης και της μεταβλητότητας των ενεργητικών σωματιδίων, καθότι αποτελούν θεμελιώδη μηχανισμό τόσο για την αύξηση όσο και για την μείωση του πληθυσμού τους. Σχετικιστικά ηλεκτρόνια των ζωνών ακτινοβολίας δύνανται να αποκτήσουν ενέργεια και να υποστούν σκέδαση ως προς την γωνία κλίσης της ταχύτητας τους με το γεωμαγνητικό πεδίο, μέσω συντονισμένων αλληλεπιδράσεων με κύματα πλάσματος, μέρος των οποίων μπορεί να οδηγηθεί σε πρόσπτωση στην ατμόσφαιρα. Η εις βάθος κατανόηση και ποσοτικοποίηση των αλληλεπιδράσεων κυμάτων–σωματιδίων συνιστά ανοικτό επιστημονικό ζήτημα στη φυσική της γήινης μαγνητόσφαιρας, με πληθώρα ερευνητικών προσπαθειών να εστιάζουν τόσο στον προσδιορισμό όσο και στην προσομοίωση των εκάστοτε πηγών τους. Η κύρια αιτία της υφιστάμενης αδυναμίας οριστικής ποσοτικοποίησης εδράζεται στην έλλειψη ταυτόχρονων μετρήσεων ενεργητικών σωματιδίων και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην περιοχή όπου λαμβάνουν χώρα οι αλληλεπιδράσεις. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι: Α) η διερεύνηση του υφιστάμενου επιπέδου κατανόησης και χαρακτηρισμού των υποκείμενων διεργασιών που συνδέονται με τις αλληλεπιδράσεις κυμάτων–σωματιδίων• Β) η προσομοίωση των εν λόγω αλληλεπιδράσεων μέσω προσομοιώσεων δοκιμαστικών σωματιδίων και διάδοσης κυμάτων εντός της μαγνητόσφαιρας• Γ) η εκτίμηση των αποτελεσματικών πλατών κυμάτων VLF που δύνανται να επιφέρουν τροποποίηση στις ροές ενεργητικών σωματιδίων• Δ) Να προταθεί, με ένα ορισμένο επίπεδο εφικτότητας, ο σχεδιασμός μιας καινοτόμου διαστημικής αποστολής που αποτελείται από ένα ζεύγος δορυφόρων, για την επιτόπια διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και φορτισμένων σωματιδίων. Ειδικότερα για τον σκοπό σχεδιασμού μιας τέτοιας αποστολής, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο σύνολο αναλυτικών εργαλείων για την υποστήριξη του καθορισμού των παραμέτρων της αποστολής. Τα εργαλεία αυτά περιλαμβάνουν: α) κώδικες προσομοίωσης δοκιμαστικών σωματιδίων για τη μελέτη της σκέδασης ηλεκτρονίων από VLF κύματα, με ιδιαίτερη έμφαση στις μη γραμμικές διεργασίες σκέδασης• β) μοντέλα για την προσομοίωση των χαρακτηριστικών ακτινοβολίας κεραιών εντός του μαγνητοσφαιρικού πλάσματος• και γ) κώδικες αφιερωμένους στον σχεδιασμό τροχιών, την ανάλυση μαγνητικών συζεύξεων μεταξύ δορυφόρων και την απόδοση των συστημάτων προώθησης. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ειδικό λογισμικό για τον καθορισμό και τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων των ωφέλιμων φορτίων των δορυφόρων, συμπεριλαμβανομένου του πομπού VLF, του ανιχνευτή ενεργητικών σωματιδίων, των οργάνων μέτρησης ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων VLF κυμάτων, καθώς και του οργάνου μέτρησης ηλεκτρονίων. Ο συνδυασμός των παραπάνω εργαλείων κατέστησε δυνατή την προσομοίωση και αξιολόγηση προκαταρκτικών σεναρίων αποστολής. Βάσει των παραπάνω αποτελεσμάτων, και σε συνδυασμό με χαρακτηριστικά υπαρχόντων οργάνων που έχουν πετάξει σε διάφορους δορυφόρους, έγινε επιλογή όλων των απαραίτητων οργάνων και υποσυστημάτων των δύο δορυφόρων και σχεδιάστηκαν τα πρωταρχικά CAD των δύο δορυφόρων.