CubeSat

CubeSat désigne un format de nano-satellites défini en 1999 par l'Université polytechnique de Californie et l'université Stanford (États-Unis) pour réduire les coûts de lancement des très petits satellites et ainsi 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. Le nombre de CubeSats satellisés est en forte croissance : 287 satellites utilisant ce standard, dont la masse peut aller de 1 à 10 kg, ont été placés en orbite en 2017 alors qu'ils n'étaient que 77 en 2016.

ESTCube-1, un CubeSat estonien.
Caméra embarquée à bord du CubeSat estonien ESTCube-1.

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 (1 à 10 kg). Le premier CubeSat est lancé le 30 juin 2003 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[1].

Caractéristiques techniques

Les satellites les plus simples répondant au standard CubeSat ont la forme d'un cube d'un décimètre de côté (volume de précisément 1 litre), doivent peser moins d'1,33 kg 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 1 kg à 10 kg), 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 (Poly Picosatellite Orbital Deployer) 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[2].

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 < 4 kg), 1,5 U et des 6U. Les caractéristiques des CubeSats sont encadrés par un cahier des charges (CubeSat Design Specification) qui limite par exemple la pression de tout composant interne à 1,2 atmosphère, 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 (batterie) à 100 watts-heures[2]. 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[3].

Spécifications détaillées (extrait)

Le cahier des charges mis à jour régulièrement par les créateurs du standard définit très précisément les caractéristiques externes, certaines caractéristiques internes pour des raisons de sécurité et les tests que les développeurs doivent satisfaire avant le lancement[4] :

  • Le cahier des charges définit les dimensions externes, les limites dans lesquels 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 1,2 atmosphère et le facteur de sécurité doit être de 4
  • L'énergie chimique stockée (batterie) doit être inférieure à 100 watts-heures
  • La mise en œuvre du système de propulsion doit nécessiter de désactiver trois sécurités
  • Le dégazage 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 l'être que 30 minutes après l'éjection
  • Aucun signal radio ne doit être généré tant qu'il ne s'est pas écoulé au moins 45 minutes depuis l'éjection 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.
  • etc.

Axes de recherche

Les domaines d'utilisation des CubeSats se heurtent à la taille qui limitent à la fois l'énergie disponible, la mobilité et les capacités de la charge utile.

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 :

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 permettent 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 2 130 secondes 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 127 g proche de celle du xénon (130 g). La poussée est limitée par la quantité d'énergie disponible (environ 65 watts). Le CubseSat emporte 1,5 kg d'ergols qui lui permettent d'accélérer (Δv) de 1,2 km/s. Le moteur peut être orienté et faire un angle de 10° avec l'axe du satellite[5],[6].

Énergie

Les CubeSats utilisent des cellules solaires pour convertir l'énergie solaire en électricité qui est ensuite stockée dans des batteries lithium-ion rechargeables qui fournissent de l'énergie pendant des éclipses ainsi que pendant les périodes de pointe[7].

Télécommunications

Le faible coût de CubeSats a permis un accès sans précédent à l'espace pour les petites institutions et organisations, mais, pour la plupart des formulaires CubeSat, la portée et la puissance disponible sont limitées. En raison du tumbling et de la faible portée de puissance, les radiocommunications sont un défi pour les CubeSats.

Coût

Le coût de fabrication et de lancement d'un satellite CubeSat 1U est d'environ 150 000 US$, mais des nouveaux opérateurs de lanceurs promettent de nouveaux prix d'environ 50 000 US$ - 90 000 US$[8]. De nombreux opérateurs de lanceurs acceptent de mettre en orbite des CubeSats en tant que charge utile secondaire. Les lancements de grappes de CubeSats sont la norme.

Développement des CubeSats
Nbre de CubeSats lancés et prévisions de lancement actualisées à mars 2018.
Déploiement de plusieurs CubeSats le 25 février 2014 à partir du module NanoRacks de la station spatiale internationale.

Deux facteurs contribuent à une forte croissance du nombre de CubeSats au cours des années 2010. Plusieurs sociétés offrent désormais de lancer des CubeSats 1U à 3U en tant que charge utile secondaire pour des sommes comprises entre 50000 et 200000 US$ (le prix dépendant de sa taille et de l'altitude visée). Certaines de ces sociétés annoncent qu'elles abaisseront les prix jusqu'à un plancher de 10000 US$ à l'horizon 2020. Le deuxième facteur est la mise à disposition sur étagère d'équipements spatiaux à bas prix utilisables par les CubeSats. Le nombre de satellites lancés en 2017 utilisant ce standard et avec une masse comprise entre 1 et 10 kg, a atteint 287 alors qu'ils n'étaient que 77 en 2016[9]. La base de données "Nanosatellite" liste en juin 2019 2400 CubeSats et autres nanosatellites qui ont été lancés depuis 1998[10].

Une organisation s'est mise en place pour faciliter le lancement des CubeSats. Le lanceur indien PSLV et le lanceur russe Dnepr se sont fait une spécialité des lancements groupés de CubeSats : le record a été atteint le 15 février 2017 avec le lancement de 104 satellites avec une seule fusée. La PSLV-C37 de l'ISRO a mis en orbite 104 satellites 650 kg dont seulement trois n'étaient pas des CubeSats. Sur les 101 nano-satellites restants, 96 viennent des États-Unis. Les 5 autres proviennent d'Israël, du Kazakhstan, des Pays-Bas, de la Suisse et des Émirats arabes unis[11]. Des micro-lanceurs comme Epsilon sont développés dans le but de répondre à ce nouveau marché.

Les CubeSats sont initialement des satellites expérimentaux. Mais des recherches très actives sont menées pour déboucher sur des applications scientifiques ou commerciales en miniaturisant les instruments et les équipements nécessaires pour contrôler l'orientation, l'orbite et améliorer la précision du pointage. Les agences spatiales, en particulier la NASA, expérimentent l'utilisation de CubeSats pour traiter des problèmes scientifiques. Deux CubeSats 6U ont été lancés en 2018 vers Mars pour une expérience de télécommunications[12]. Des applications commerciales débutent comme la constellation de satellite Dove qui fournit des images grâce à 200 CubeSats.

Applications

Démonstrateurs technologiques
Schéma de RaInCube qui embarque un radar miniaturisé.
CubeSat ASTERIA.
CubeSat martien MarCO en cours de test avec son antenne (verticale) et ses panneaux solaires (horizontaux) déployés.

Instruments
  • RaInCube ((Radar In a CubeSat)) est un CubeSat 6U développé par le JPL qui teste un radar miniaturisé. Le lancement a eu lieu en 2018.
  • ASTERIA (Arcsecond Space Telescope Enabling Research in Astrophysics) lancé en 2017 est un CubeSat 6U du Massachusetts Institute of Technology embarquant un télescope qui a testé avec succès un système de pointage dont la précision est de l'ordre de la seconde d'arc[13].
  • DeMi (Deformable Mirror Demonstration Mission) est un CubeSat 6U qui embarque un télescope destiné à tester une optique adaptative reposant sur l'utilisation de MEMS[14]..

Télécommunications
  • Le laboratoire de Los Alamos a développé trois séries de CubeSats 1,5U - Perseus (2010), Prometheus v1 (2013), Promotheus v2 (2017-2018) pour tester les transferts de données par nano-satellites entre des personnes équipées des terminaux portables et des stations terriennes mobiles[15].

Voile solaire
  • LightSail-1 est un démonstrateur technologique (CubeSat 3U) propulsé par une voile solaire. Il a été lancé le 20 mai 2015 à partir de Cap Canaveral (Floride). Ses quatre voiles sont faites d'une très fine pellicule de Mylar et ont une superficie totale de 32 m2. Ce test avait pour but de permettre de démontrer qu'une voile solaire pouvait être utilisée pour une mission principale en 2016[16].

Applications commerciales (imagerie, télécoms)
  • Dove est une constellation de 200 CubeSats 3U (satellites actifs courant 2018) fournissant des images avec une résolution spatiale de 3 à 5 mètres[17].

Observation de la Terre (scientifique)
  • QB50 est une constellation d'une quarantaine de CubeSats 2U développés par différents instituts de recherche européens dont l'objectif est l'étude de la thermosphère. Chaque nanosatellite emporte un des trois instruments de mesure définis dans le cadre d'un cahier des charges : spectromètre de masse des ions neutres , expérience F de mesure de l'oxygène, Sonde de Langmuir. Cette constellation est en cours de déploiement en 2018[18].
  • TROPICS (Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of Smallsats) est une constellation de 12 CubeSats 3U embarquant un radiomètre orientable pour fournir une mesure de la température et de l'humidité avec une résolution temporelle particulièrement fréquente. Ce projet, sélectionné par la NASA en 2016, doit être déployé en 2019[19].

Astronomie et exploration du système solaire
  • MinXSS (Miniature X-ray Solar Spectrometer CubeSat) (lancé en 2015) est un CubeSat 3U financé par la NASA qui emporte un spectromètre rayons X pour l'observation des éruptions solaires
  • HaloSat est le premier CubeSat destiné à l'astronomie financé par la NASA. Lancé en 2018 il doit mesurer la masse des gaz chauds dans notre galaxie.
  • Colorado Ultraviolet Transit Experiment est un CubeSat 6U financé par la NASA qui doit déterminer les caractéristiques des atmosphères des exoplanètes et mesurant leur courbe spectrale dans l'ultraviolet proche. Son lancement est prévu vers 2020.
  • PicSat (2018) est un Cubesat 3U qui embarque un petit télescope pour tenter de mesurer les caractéristiques d'une exoplanète par la méthode des transits. Il est développé par plusieurs laboratoires menés par l'Observatoire de Paris[20].
  • MarCO (2018) satellite de format CubeSat 6U de la NASA utilisé de manière expérimentale comme relais de télécommunications dans le cadre d'une mission vers Mars[21]
  • SPARCS (Star-Planet Activity Research CubeSat) est un CubeSat 6U embarquant un télescope ultraviolet qui doit observer les variations d'intensité du rayonnement ultraviolet de 10 étoiles de faible masse. Le satellite est financé par la NASA et son lancement est prévu en 2021[22].
  • Inspire (Interplanetary NanoSpacecraft Pathfinder In a Relevant Environment) sont deux CubeSat 3U de la NASA destinés à tester des fonctions mises en œuvre dans l'espace interplanétaire [23].
  • BurstCube est un CubeSat 6U financé par la NASA et dont le lancement est prévu vers 2021 qui doit détecter les sursauts gamma.
  • CAPSTONE (Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment) est un CubeSat 12U financé par la NASA dont l'objectif est de tester l'orbite lunaire NRHO de la future station spatiale Lunar Gateway. Son lancement est prévu en à bord d'une fusée Electron[24].

13 CubeSats 6U, embarqués en tant que charge utile secondaire, doivent être placés dans l'espace interplanétaire par la fusée Space Launch System dans le cadre de la mission Artemis 1 organisée par la NASA et planifiée en 2020. Parmi ces nano-satellites figurent :

  • Lunar IceCube est un CubeSat 6U de la NASA qui sera le premier satellite de cette taille embarquant un moteur ionique. Celui-ci d'une poussée d'un milliNewton a une impulsion spécifique de 2 130 secondes et utilise comme ergol de l'iodine. Le CubeSat emporte un spectromètre miniaturisé qui doit lui permettre d'analyser les volatiles à la surface de la Lune[5].
  • Lunar Flashlight est un CubeSat 6U de la NASA qui doit se placer sur une orbite particulièrement basse autour de la Lune et utiliser un laser fonctionnant en proche infrarouge pour permettre à un spectromètre embarqué d'effectuer des mesures des volatiles (dont l'eau) présents dans les régions polaires restant en permanence à l'ombre[25].
  • Lunar Polar Hydrogen Mapper est un CubeSat 6U de la NASA qui doit se placer sur une orbite basse autour de la Lune et utiliser un détecteur de neutrons à scintillation pour mesurer la proportion d'hydrogène présente dans la couche superficielle de la surface de la Lune et en déduire la proportion d'eau[26].
  • Near-Earth Asteroid Scout est un CubeSat 6U de la NASA qui utilise une voile solaire pour effectuer un survol de l'astéroïde géocroiseur 1991 VG [27].
  • OMOTENASHI est un CubeSat 6U développé par l'agence spatiale japonaise (JAXA) qui doit démontrer la faisabilité d'un atterrisseur lunaire de très petite taille. Pour se poser sur la Lune l'engin utilise un moteur à propergol solide de 6 kg et un airbag (vitesse d'atterrissage 60 m/s)[28].
  • EQUULEUS est un CubeSat 6U développé conjointement par l'Université de Tokyo et l'agence spatiale japonaise (JAXA) qui doit mesurer la distribution du plasma dans l'environnement spatial de la Terre et valider l'utilisation de trajectoires à faible énergie pour se déplacer à proximité du point de Lagrange L2 du système Terre-Lune[28].

Galerie
  • Schéma éclaté du CubeSat ArduSat3.
  • Système normalisé de stockage et de déploiement de CubeSat.
  • CubeSat 3U.

Notes et références
  1. CubeSat Design Specification rev 13 2015, p. 5
  2. CubeSat Design Specification rev 13 2015, p. 7
  3. Small Spacecraft Technology State of the Art 2014, p. 30
  4. CubeSat Design Specification rev 13 2015, p. 7-15
  5. (en) « Lunar IceCube », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  6. (en) Michael Tsay et all, « Flight Development of Iodine BIT-3 RF Ion Propulsion System for SLS EM-1 CubeSats »,
  7. « Power System and Budget Analysis », sur web.archive.org, (consulté le )
  8. (en) « Space Is Open For Business, Online », sur Rocket Lab (consulté le )
  9. (en) « CubeSat Database » (consulté le )
  10. (en) « Nanosatellite Database » (consulté le )
  11. (en) « India launches record 104 satellites at one go », sur reuters.com, (consulté le )
  12. (en) Eric Hand, « Interplanetary small satellites come of age », Science, vol. 361, no 6404,‎ , p. 736-737 (DOI 10.1126/science.361.6404.736).
  13. (en) « ASTERIA », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  14. (en) « DeMi », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  15. (en) « Promotheus », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  16. (en) « It's Official: LightSail Test Flight Scheduled for May 2015 », sur planetary.org, (consulté le )
  17. (en) « Flock 1 », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  18. (en) « QB50 : the first network of CubeSats », Institut von Karman de dynamique des fluides (consulté le )
  19. (en) « TROPICS », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  20. « Aperçu rapide de la charge-utile de PicSat », sur site de la mission PicSat, Observatoire de Paris (consulté le )
  21. (en) NASA, Mars InSight Launch Press Kit, NASA, , 67 p. (lire en ligne)
  22. (en) « SPARCS », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  23. (en) « INSPIRE », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  24. Loura Hall, « What is CAPSTONE? », sur NASA, (consulté le )
  25. (en) « Lunar Flashlight », sur NASA/JPL, Jet Propulsion Laboratory (consulté le )
  26. (en) « LunaH-Map: University-Built CubeSat to Map Water-Ice on the Moon », sur NASA/JPL, NASA,
  27. (en) Julie Castillo-Rogez et all, « Near-Earth Asteroid Scout Mission », sur NASA/JPL, Lunar and Planetary Institute,
  28. (en) « EQUULEUS and OMOTENASHI », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )

Bibliographie
  • (en) Akshay Reddy Tummala, Atri Dutta et al., « An Overview of Cube-Satellite Propulsion Technologies and Trends », Aerospace, vol. 2017-4, no 58,‎ , p. 343-361 (DOI 10.3390/aerospace4040058, lire en ligne) — Synthèse sur les modes de propulsion étudiés pour les CubeSats en 2017
  • (en) Evgenya L. Shkolnik et al., « On the verge of an astronomy CubeSat revolution », Nature Astronomy, vol. 2,‎ , p. 374-378 (DOI 10.1038/s41550-018-0438-8, lire en ligne) — La révolution introduite par les CubeSats dans le domaine de la recherche astronomique spatiale
  • (en) M. N. Sweeting et al., « Modern Small Satellites-Changing the Economics of Space », Proceedings of the IEEE,, vol. 106, no 3,‎ , p. 343-361 (DOI 10.1109/JPROC.2018.2806218, lire en ligne) — Développement des satellites de petites tailles (état des lieux en 2018)
  • (en) Arash Mehrparvar, CubeSat Design Specification rev 13, , 42 p. (lire en ligne)
    Spécifications CubeSat de 20/2/14 (version 13)
  • (en) Centre de recherche Ames de la NASA, Small Spacecraft Technology State of the Art, NASA, , 173 p. (lire en ligne)
    État de l'art des technologies utilisées sur les micro-satellites en 2015 (moins de 180 kg à sec); première publication en 2013, mise à jour mi 2015 ; Référence : NASA/TP–2015–216648/REV1

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes
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