CubeSat

vignette|ESTCube-1, un CubeSat 1U estonien. vignette|Caméra embarquée à bord du CubeSat estonien ESTCube-1.|alt=

CubeSat, appelé également en France nanosatellite cubique, est un type de satellites artificiels de très petite taille (moins de ), souvent à objectif éducatif. Son cahier des charges définit sa forme, sa masse maximale ainsi que certaines des caractéristiques de ses composants et de son fonctionnement. Dans sa forme basique, appelée 1U, c'est un cube (d'où son appellation) de de côté et dont la masse ne doit pas excéder . La majorité des CubeSats sont formés par la juxtaposition de plusieurs cubes élémentaires (de 2U jusqu'à 24U).

Le cahier des charges définissant les caractéristiques des Cubesats est rédigé en 1999 par l'Université polytechnique de Californie et l'université Stanford (États-Unis). L'objectif en est de réduire les coûts de lancement des très petits satellites et ainsi de permettre aux universités de développer et de placer en orbite leurs propres engins spatiaux. Le projet CubeSat assure la diffusion du standard et contribue à garantir l’adéquation des satellites avec la charge utile principale des lanceurs qui les mettent en orbite.

Les CubeSats sont maintenant de plus en plus utilisés pour des applications professionnelles, en particulier dans le domaine de l'observation de la Terre. Des constellations comprenant plusieurs dizaines de satellites sont déployées à partir des années 2000. En 2022, les CubeSats commencent à être utilisés pour des missions d'exploration du système solaire. La réalisation de satellites d'une taille aussi réduite a nécessité le développement d'équipements spécifiques compatibles avec la taille, la masse et la quantité d'énergie disponibles.

Le nombre de CubeSats satellisés chaque année est resté faible jusqu'en 2012. À compter de cette date, le nombre de CubeSats lancés a fortement cru et il était de 338 en 2022. Les opérateurs des lanceurs tels que Falcon 9 et le véhicule de lancement de satellite polaire, (Polar Satellite Launch Vehicle, sigle PSLV, en anglais) proposent des vols consacrés en partie ou totalement à la mise en orbite de ce type de satellite, pour lesquels des dispositifs de déploiement spécifiques ont été mis au point. Les CubeSats 3U représentent la moitié du parc, suivis par les 6U et les 1U. Près de la moitié des CubeSats sont développés par des institutions et sociétés américaines.

Historique : création du standard CubeSat

Le projet Cubesat résulte de la collaboration entre le professeur Jordi Puig-Suari de l'Université polytechnique de Californie à San Luis Obispo et le professeur Bob Twiggs du Laboratoire de développement des systèmes de l'Université Stanford (États-Unis). Le but initial du projet était de permettre à leurs étudiants de développer des satellites aux capacités identiques aux premiers Spoutnik qu'ils seraient capables de piloter. La norme mise au point en 1999 est adoptée par les autres universités, sociétés et agences gouvernementales et devient un standard pour les nanosatellites (). Le premier CubeSat est lancé le par une fusée russe Rockot. Le projet CubeSat met aujourd'hui en relation une centaine d'universités et de sociétés privées pour le développement de nanosatellites à vocation scientifique, technologique ou pour répondre à des besoins privés ou gouvernementaux. L'Université polytechnique de Californie a la responsabilité du système de déploiement P-POD et de s'assurer que les CubeSats développés ne peuvent pas constituer un risque pour le lanceur et le reste de sa charge utile.

Caractéristiques techniques

Les satellites les plus simples répondant au standard CubeSat ont la forme d'un cube d'un décimètre de côté (soit un volume de précisément un litre), doivent peser moins de . et utilisent des composants électroniques banalisés. Les dimensions retenues étaient considérées par ses concepteurs comme la taille minimum pour obtenir un satellite opérationnel. La forme cubique permet au satellite, dont l'orientation n'est généralement pas contrôlée, de disposer, quelle que soit celle-ci, d'énergie électrique si toutes les faces sont couvertes de cellules solaires. En définissant une norme pour les nanosatellites (satellites de à ), le CubeSat devait permettre aux universités du monde entier de lancer dans l'espace des expériences scientifiques à un coût réduit en fixant les caractéristiques externes de ces engins spatiaux et facilitant ainsi leur installation sur les lanceurs. Dans le même objectif un système de déploiement, mis au point et construit par l'Université polytechnique de Californie, est systématiquement utilisé. Le P-POD () sert d'interface entre le lanceur et les CubeSats et peut contenir trois d'entre eux. Le lanceur envoie un signal électrique au P-POD qui déclenche l'ouverture de la porte et l'éjection à l'aide d'un ressort des CubeSats.

Les satellites peuvent être constitués de l'assemblage de plusieurs CubeSats. Par convention le CubeSat de base est désigné par l'abréviation 1U (One Unit). On trouve également des 2U (2 x 1U mises bout à bout), 3U (masse supérieure à ), 1,5 U et des 6U. D'autres tailles intermédiaires, comme celle du 4U, plus petites (jusqu'au 0,25U) ou plus grandes (jusqu'au 16U) sont utilisées en 2022. Les caractéristiques des CubeSats sont encadrés par un cahier des charges (), qui limite par exemple la pression de tout composant interne à , impose des contrôles très restrictifs sur l'emport de produits dangereux (comme les ergols hypergoliques utilisés généralement pour la propulsion) et limite l'énergie chimique stockée (dans des batteries) à . L'objectif de ces contraintes est de supprimer toute source de risque pour la charge utile principale emportée par le lanceur chargé de placer en orbite le NanoSat..

Spécifications détaillées (extrait)

Le cahier des charges, mis à jour régulièrement par les créateurs du standard, définit précisément les caractéristiques externes, certaines caractéristiques internes pour des raisons de sécurité et les tests que les développeurs doivent satisfaire avant le lancement.. Ci-dessous sont listées quelques-unes des contraintes.

Sont définies les dimensions externes, les limites dans lesquelles doivent s'inscrire le centre de gravité du satellite, la masse, les caractéristiques des rails qui coulissent dans le système d'éjection. Les dispositifs pyrotechniques sont interdits Aucun composant ne doit être libéré dans l'espace Les composants sous pression ne doivent pas dépasser une pression interne de et le facteur de sécurité doit être de 4 L'énergie chimique stockée (dans des batteries) doit être inférieure à La mise en œuvre du système de propulsion doit nécessiter de désactiver après éjection du satellite dans l'espace trois sécurités Le dégazement doit induire une perte de masse inférieure à 1 % Le système de propulsion et les produits dangereux stockés doivent se conformer aux normes de sécurité définies dans AFSPC (norme de l'Armée de l'air américaine). Le système fournissant l'énergie doit être désactivé jusqu'à son éjection pour empêcher la mise en route du satellite. Trois interrupteurs distincts doivent prévenir toute mise en marche intempestive Les éléments déployables ne doivent être déployés que après l'éjection Aucun signal radio ne doit être généré tant qu'il ne s'est pas écoulé au moins depuis l'éjection du satellite en orbite Une liste des tests à réaliser est indiquée et des normes à respecter dans le domaine. L'opérateur du lanceur a toute latitude pour fixer d'autres exigences de test.

Axes de recherche

Les domaines d'utilisation des CubeSats se heurtent à la taille, qui limite à la fois l'énergie disponible, la mobilité et les capacités de la charge utile. Les industriels et les laboratoires mettent au point des équipements plus compacts et moins consommateurs d'énergie que ceux embarqués sur les satellites traditionnels.

Propulsion

Une des principales difficultés à laquelle est confrontée la conception d'un CubeSat est le recours à une propulsion capable de fournir un Delta-v suffisant malgré le faible volume disponible. Plusieurs modes de propulsion sont mis en œuvre selon les missions : propulsion à gaz froid, propulsion à ergols liquides, moteur ionique, propergol solide.

Propulsion à gaz froid

La propulsion à gaz froid est une technique de propulsion spatiale utilisée par les engins spatiaux pour effectuer de petites corrections d'orientation ou de vitesse. Un propulseur à gaz froid utilise un gaz stocké sous haute pression qui est simplement libéré dans une tuyère, laquelle permet d'orienter la poussée exercée.

Propulsion à ergols liquides

Le moteur-fusée à ergols liquides est un type de moteur-fusée utilisant des ergols liquides pour son fonctionnement. Comme les moteurs-fusées à propergol solide ou hybride, ce type de propulsion exploite l'énergie chimique contenue dans les ergols qui est libérée soit par réaction exothermique d'un comburant et d'un combustible soit par décomposition. Comme tous les moteurs-fusées, il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par la réaction chimique à l'opposé de la direction du déplacement souhaité et il peut fonctionner dans le vide car il ne prélève pas son comburant dans l'environnement extérieur.

Moteur ionique

Pour remplir les objectifs de certaines missions à destination d'orbite haute ou de l'espace interplanétaire, il est nécessaire de modifier la vitesse de plusieurs centaines de mètres par seconde. La plupart des types de propulsion spatiale permettant d'atteindre cette performance ont soit une masse ou un volume trop importants, soit sont trop complexes pour rentrer dans le volume d'un CubeSat. Pour propulser Lunar IceCube (lancement en 2020), un moteur ionique d'une poussée de 0,8 millinewton avec une impulsion spécifique de a été choisi. Le volume disponible est mal adapté à un réservoir pressurisé (sphérique) utilisé pour stocker le xénon ergol utilisé d'habitude pour les moteurs ioniques. Le fournisseur du moteur ionique (Busek) a choisi d'utiliser comme ergol du diiode car celui-ci est stocké à l'état solide (donc non pressurisé) tout en disposant d'une masse molaire (facteur ayant un impact directement sur le rendement du moteur) de proche de celle du xénon (). La poussée est limitée par la quantité d'énergie disponible (environ ). Le CubseSat emporte d'ergols qui lui permettent d'accélérer (Δv) de . Le moteur peut être orienté et faire un angle de 10° avec l'axe du satellite...

Propergol solide

Le moteur-fusée à ergols liquides est un type de moteur-fusée utilisant des ergols liquides pour son fonctionnement. Comme les moteurs-fusées à propergol solide ou hybride, ce type de propulsion exploite l'énergie chimique contenue dans les ergols qui est libérée soit par réaction exothermique d'un comburant et d'un combustible soit par décomposition. Comme tous les moteurs-fusées, il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par la réaction chimique à l'opposé de la direction du déplacement souhaité et il peut fonctionner dans le vide car il ne prélève pas son comburant dans l'environnement extérieur.

Contrôle d'attitude

+État de l'art en 2021 Equipement PerformancesRoue de réaction Couple max : 0,00023 – 0,3 Nm Stockage : 0,0005 – 8 N m sMagnéto-coupleur 0,15 A m² – 15 A m²Viseur d'étoiles précision : 8 secondes d'arcCapteur solaire précision : 0,1 minute d'arcCapteur d'horizon de Terre précision : 0,25 minute d'arcGyroscope Dérive 0,15°/hAccéléromètre Précision 3 µgRécepteur GPS Position connue à 1,5 mEquipement intégré précision : 5 – 0.002°Horloge atomique Fréquence ! 10-150 MHzNavigation interplanétaire Bandes X, Ka, S et UHF