QUE SONT LES CUBESATS?

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L'une des caractéristiques déterminantes de l'ère moderne de l'exploration spatiale est sa nature ouverte. Dans le passé, l'espace était une frontière qui n'était accessible qu'à deux agences spatiales fédérales - la NASA et le programme spatial soviétique. Mais grâce à l'émergence de nouvelles technologies et de mesures de réduction des coûts, le secteur privé est désormais capable de fournir ses propres services de lancement.

En outre, les établissements universitaires et les petits pays sont désormais capables de construire leurs propres satellites dans le but de mener des recherches sur l'atmosphère, de faire des observations de la Terre et de tester de nouvelles technologies spatiales. C’est ce que l’on appelle le CubeSat, un satellite miniaturisé qui permet des recherches spatiales rentables.

Structure et conception:

Aussi connus sous le nom de nanosatellites, les CubeSats sont construits à des dimensions standard de 10 x 10 x 11 cm (1 U) et ont la forme de cubes (d'où le nom). Ils sont évolutifs, disponibles dans des versions qui mesurent 1U, 2U, 3U ou 6U sur un côté, et pèsent généralement moins de 1,33 kg (3 lb) par U. Les CubSats de 3U ou plus sont les plus grands, composés de trois unités empilées dans le sens de la longueur avec un cylindre les enveloppant tous.

Ces dernières années, de plus grandes plates-formes CubeSat ont été proposées, qui incluent un modèle 12U (20 x 20 x 30 cm ou 24 x 24 x 36 cm), qui étendraient les capacités de CubeSats au-delà de la recherche universitaire et des tests de nouvelles technologies, intégrant une science plus complexe et les objectifs de défense nationale.

La raison principale de la miniaturisation des satellites est de réduire les coûts de déploiement, et parce qu'ils peuvent être déployés avec la capacité excédentaire d'un lanceur. Cela réduit les risques associés aux missions où des cargaisons supplémentaires doivent être acheminées vers le lanceur, et permet également des changements de cargaisons à court préavis.

Ils peuvent également être fabriqués à l'aide de composants électroniques commerciaux (COTS), ce qui les rend relativement faciles à créer. Étant donné que les missions CubeSats sont souvent effectuées sur des orbites très basses (LEO) et connaissent une rentrée atmosphérique après quelques jours ou semaines, le rayonnement peut être largement ignoré et une électronique standard de qualité grand public peut être utilisée.

Les CubeSats sont construits à partir de quatre types spécifiques d'alliage d'aluminium pour garantir qu'ils ont le même coefficient de dilatation thermique que le lanceur. Les satellites sont également recouverts d'une couche d'oxyde de protection le long de toute surface qui entre en contact avec le lanceur pour éviter qu'ils ne soient soudés à froid par une contrainte extrême.

Composants:

CubeSats transporte souvent plusieurs ordinateurs de bord pour mener des recherches, ainsi que pour le contrôle d'attitude, les propulseurs et les communications. En règle générale, d'autres ordinateurs de bord sont inclus pour garantir que l'ordinateur principal n'est pas surchargé par plusieurs flux de données, mais tous les autres ordinateurs de bord doivent être capables de s'interfacer avec lui.

En règle générale, un ordinateur principal est chargé de déléguer des tâches à d'autres ordinateurs, telles que le contrôle d'attitude, les calculs des manœuvres orbitales et la planification des tâches. Pourtant, l'ordinateur principal peut être utilisé pour des tâches liées à la charge utile, comme le traitement d'image, l'analyse de données et la compression de données.

Les composants miniaturisés fournissent un contrôle d'attitude, généralement composé de roues de réaction, de magnétorqueurs, de propulseurs, de suiveurs d'étoiles, de capteurs solaires et terrestres, de capteurs de vitesse angulaire et de récepteurs et d'antennes GPS. Beaucoup de ces systèmes sont souvent utilisés en combinaison afin de compenser les lacunes et de fournir des niveaux de redondance.

Les capteurs du soleil et des étoiles sont utilisés pour fournir un pointage directionnel, tandis que la détection de la Terre et de son horizon est essentielle pour mener des études terrestres et atmosphériques. Les capteurs solaires sont également utiles pour garantir que le CubsSat est en mesure de maximiser son accès à l'énergie solaire, qui est le principal moyen d'alimenter un CubeSat - où des panneaux solaires sont intégrés dans l'enveloppe extérieure des satellites.

Pendant ce temps, la propulsion peut prendre plusieurs formes, qui impliquent toutes des propulseurs miniaturisés fournissant de petites quantités d'impulsion spécifique. Les satellites sont également soumis au chauffage radiatif du soleil, de la terre et de la lumière solaire réfléchie, sans parler de la chaleur générée par leurs composants.

En tant que tels, CubeSat est également livré avec des couches d'isolation et des éléments chauffants pour garantir que leurs composants ne dépassent pas leurs plages de température et que la chaleur excessive peut être dissipée. Des capteurs de température sont souvent inclus pour surveiller les augmentations ou baisses de température dangereuses.

Pour les communications, CubeSat peut compter sur des antennes qui fonctionnent dans les bandes VHF, UHF ou L-, S-, C et X. Celles-ci sont principalement limitées à 2 W de puissance en raison de la petite taille et de la capacité limitée du CubeSat. Il peut s'agir d'antennes monopolaires hélicoïdales, dipôles ou monodirectionnelles, bien que des modèles plus sophistiqués soient en cours de développement.

Propulsion:

CubeSats s'appuie sur de nombreuses méthodes de propulsion différentes, ce qui a à son tour conduit à des avancées dans de nombreuses technologies. Les méthodes les plus courantes comprennent le gaz froid, la propulsion chimique, électrique et les voiles solaires. Un propulseur à gaz froid repose sur un gaz inerte (comme l'azote) qui est stocké dans un réservoir et libéré par une buse pour générer une poussée.

En ce qui concerne les méthodes de propulsion, c'est le système le plus simple et le plus utile qu'un CubeSat puisse utiliser. C'est aussi l'un des plus sûrs, car la plupart des gaz froids ne sont ni volatils ni corrosifs. Cependant, ils ont des performances limitées et ne peuvent pas réaliser de manœuvres à impulsion élevée. C'est pourquoi ils sont généralement utilisés dans les systèmes de contrôle d'attitude, et non comme propulseurs principaux.

Les systèmes de propulsion chimique reposent sur des réactions chimiques pour produire un gaz à haute pression et à haute température qui est ensuite dirigé à travers une buse pour créer une poussée. Ils peuvent être liquides, solides ou hybrides et se résument généralement à la combinaison de produits chimiques combinés à des catalyseurs ou à un oxydant. Ces propulseurs sont simples (et peuvent donc être miniaturisés facilement), ont de faibles besoins en puissance et sont très fiables.

La propulsion électrique repose sur l'énergie électrique pour accélérer les particules chargées à des vitesses élevées - alias. Propulseurs à effet Hall, propulseurs ioniques, propulseurs à plasma pulsé, etc. Cette méthode est avantageuse car elle combine une impulsion spécifique élevée et une efficacité élevée, et les composants peuvent être facilement miniaturisés. Un inconvénient est qu'ils nécessitent une puissance supplémentaire, ce qui signifie soit des cellules solaires plus grandes, des batteries plus grandes et des systèmes d'alimentation plus complexes.

Les voiles solaires sont également utilisées comme méthode de propulsion, ce qui est bénéfique car il ne nécessite aucun propulseur. Les voiles solaires peuvent également être mises à l'échelle aux propres dimensions de CubSat, et la petite masse du satellite entraîne une accélération plus grande pour une zone de voile solaire donnée.

Cependant, les voiles solaires doivent encore être assez grandes par rapport au satellite, ce qui fait de la complexité mécanique une source supplémentaire de défaillance potentielle. À l'heure actuelle, peu de CubeSats ont utilisé une voile solaire, mais elle reste un domaine de développement potentiel car c'est la seule méthode qui ne nécessite aucun propulseur ou qui implique des matières dangereuses.

Parce que les propulseurs sont miniaturisés, ils créent plusieurs défis et limites techniques. Par exemple, la vectorisation de poussée (c'est-à-dire les cardans) est impossible avec des propulseurs plus petits. En tant que tel, la vectorisation doit plutôt être réalisée en utilisant plusieurs buses pour pousser de manière asymétrique ou en utilisant des composants actionnés pour changer le centre de masse par rapport à la géométrie du CubeSat.

Histoire:

À partir de 1999, la California Polytechnic State University et la Stanford University ont développé les spécifications CubeSat pour aider les universités du monde entier à réaliser les sciences et l'exploration spatiales. Le terme «CubeSat» a été inventé pour désigner les nano-satellites qui adhèrent aux normes décrites dans les spécifications de conception de CubeSat.

Celles-ci ont été présentées par le professeur d'ingénierie aérospatiale Jordi Puig-Suari et Bob Twiggs, du Département d'aéronautique et d'astronautique de l'Université de Stanford. Il s'est depuis développé pour devenir un partenariat international de plus de 40 instituts qui développent des nano-satellites contenant des charges utiles scientifiques.

Initialement, malgré leur petite taille, les établissements universitaires étaient limités en ce qu'ils étaient obligés d'attendre, parfois des années, une opportunité de lancement. Cela a été résolu dans une certaine mesure par le développement du Poly-Pico Satellite Orbital Deployer (autrement connu sous le nom de P-POD), par California Polytechnic. Les P-POD sont montés sur un lanceur et transportent des CubeSats en orbite et les déploient une fois que le signal approprié est reçu du lanceur.

Le but de cela, selon JordiPuig-Suari, était de "réduire le temps de développement des satellites au calendrier de la carrière d'un étudiant et de tirer parti des opportunités de lancement avec un grand nombre de satellites." En bref, les P-POD garantissent que de nombreux CubeSats peuvent être lancés à tout moment.

Plusieurs sociétés ont construit CubeSats, dont Boeing, un grand fabricant de satellites. Cependant, la majorité du développement provient du monde universitaire, avec un bilan mitigé de CubeSats orbités avec succès et d'échecs de missions. Depuis leur création, CubeSats a été utilisé pour d'innombrables applications.

Par exemple, ils ont été utilisés pour déployer des systèmes d'identification automatique (AIS) pour surveiller les navires marins, déployer des capteurs à distance de la Terre, pour tester la viabilité à long terme des attaches spatiales, ainsi que pour mener des expériences biologiques et radiologiques.

Au sein de la communauté académique et scientifique, ces résultats sont partagés et les ressources sont mises à disposition en communiquant directement avec d'autres développeurs et en assistant aux ateliers CubeSat. En outre, le programme CubeSat profite aux entreprises privées et aux gouvernements en offrant un moyen peu coûteux de faire voler des charges utiles dans l'espace.

En 2010, la NASA a créé la «CubeSat Launch Initiative», qui vise à fournir des services de lancement aux établissements d'enseignement et aux organisations à but non lucratif afin qu'ils puissent mettre leurs CubeSats dans l'espace. En 2015, la NASA a lancé son Cube Quest Challenge dans le cadre de ses programmes Centennial Challenges.

Avec une bourse de 5 millions de dollars, cette compétition incitative visait à favoriser la création de petits satellites capables de fonctionner au-delà de l'orbite terrestre basse - en particulier en orbite lunaire ou dans l'espace lointain. À l'issue de la compétition, jusqu'à trois équipes seront sélectionnées pour lancer leur conception CubeSat à bord de la mission SLS-EM1 en 2018.

La mission d'atterrissage InSight de la NASA (dont le lancement est prévu en 2018) comprendra également deux CubeSats. Ceux-ci effectueront un survol de Mars et fourniront des communications relais supplémentaires à la Terre lors de l'entrée et de l'atterrissage de l'atterrisseur.

Désigné Mars Cube One (MarCO), ce CubeSat expérimental de taille 6U sera la première mission dans l'espace lointain à s'appuyer sur la technologie CubeSat. Il utilisera une antenne à bande plate à gain élevé et à écran plat pour transmettre des données à l’orbiteur de reconnaissance (MRO) de la NASA - qui les transmettra ensuite à la Terre.

Rendre les systèmes spatiaux plus petits et plus abordables est l'une des caractéristiques de l'ère de l'exploration spatiale renouvelée. C’est également l’une des principales raisons pour lesquelles l’industrie du NewSpace s’est développée à pas de géant ces dernières années. Et avec des niveaux de participation plus élevés, nous constatons de meilleurs rendements en matière de recherche, de développement et d'exploration.

Nous avons écrit de nombreux articles sur CubeSat pour Space Magazine. Voici la Planetary Society qui lancera trois voiles solaires séparés, les premiers CubeSats interplanétaires à être lancés sur InSight Mars Lander de la NASA en 2016, Making CubeSats do Astronomy, Que pouvez-vous faire avec un Cubesat?, Ces Cubesats pourraient utiliser des propulseurs à plasma pour quitter notre système solaire.

Si vous souhaitez plus d'informations sur le CubeSat, consultez la page d'accueil officielle de CubeSat.

Nous avons enregistré un épisode d'Astronomy Cast consacré à la navette spatiale. Écoutez ici, épisode 127: La navette spatiale américaine.

Sources: