CubeSat

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

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’innocuité des satellites pour la charge utile principale des lanceurs qui les mettent en orbite. Le nombre de CubeSats satellisé 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. Il s'agit d'une forte croissance, ils n'étaient que 77 en 2016[1].

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Les satellites les plus simples répondant à ce standard 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. ar 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 CubeSat 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].

Coût[modifier | modifier le code]

Le coût de fabrication et de lancement d'un satellite CubeSat 1U est d'environ 150 000 US$. 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.

Spécifications détaillées (extrait)[modifier | modifier le code]

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.

Historique[modifier | modifier le code]

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[5].

Lancements notables[modifier | modifier le code]

Déploiement de plusieurs CubeSats le 25 février 2014 à partir du module NanoRacks de la station spatiale internationale.

La base de donnée "Nanosatellite" liste pas moins de 2100 CubeSats qui ont été lancés depuis 1998[6]. L'un des premiers lancements de CubeSats a été effectué le 30 juin 2003 à partir de Plesetsk en Russie grâce à Eurockot Launch Service. Les CubeSats ont été mis sur une orbite héliosynchrone. Il s'agissait des CubeSats danois AUA et DTUSat, des japonais XI-IV et CUTE-1, du canadien CanX-1 et de l'américain Quakesat-1[7].

Le 13 février 2012, trois P-POD contenant sept CubeSats furent placés en orbite avec le satellite LARES (satellite) lors du vol inaugural de la fusée Vega à partir du centre spatial de Kourou en Guyane. Les Cubesats lancés étaient e-st@r (Ecole polytechnique de Turin, Italie), Goliat (Université de Bucarest, Roumanie), MaSat-1 (Université technologique et économique de Budapest, Hongrie), PW-Sat (Université technologique de Varsovie, Pologne), ROBUSTA (Université Montpellier II, France), UniCubeSat-GG (Université de Rome "La Sapienza", Italie) et XaTcobeo (Université de Vigo, Espagne)[8].

Le 13 septembre 2012, onze CubeSats ont été lancés à partir de huit P-Pod par une fusée Atlas V dans le cadre de "OutSat", un programme d'United Launch Alliance pour les charges secondaires[9]. Ce fut le plus grand nombre de CubeSats (et le plus grand volume avec 24 U) à avoir été placé en orbite par une seule fusée. Ce projet a été rendu possible par l'utilisation du nouveau système de déploiement NPS CubeSat (NPSCuL) développé par la Naval Postgraduate School (NPS) aux USA. Les CubeSats suivants furent placés sur orbite: Aeneas (Université de Californie du Sud, Californie), AeroCube 4A, 4B, 4C, CINEMA (Université de Californie, Californie), CP5 (Université d'État polytechnique de Californie, Californie), CSSWE (Université du Colorado, Colorado), CXBN (Université d'État de Morehead, Kentucky), Re (STARE) (Laboratoire national de Lawrence Livermore, Californie), SMDC_ONE 2.1 (Able) et SMDC-ONE (Baker)[10]. Le 4 octobre 2012, cinq CubeSats (Raiko, Niwaka, We-Wish, TechEdSat, F-1) ont été placés en orbite depuis la station spatiale internationale. Il s'agissait d'une démonstration technologique. Ils ont été lancés et livrés à l'ISS par le cargo japonais Kounotori 3 (HTV-3) le 21 juillet 2012. Un astronaute à bord a préparé le mécanisme de déploiement attaché au bras robotique du module japonais Kibō [11],[12],[13].

Le 21 avril 2013, quatre CubeSat ont été déployés à partir du Simulateur de masse Cygnus qui a décollé sur le vol inaugural de la fusée Antares. Trois d'entre eux sont les PhoneSats 1.0a (Graham), 1.0b (Bell) et 2.0a (Alexander) construits par le centre de recherche Ames de la NASA afin de démonter l'utilisation desmartphones en tant qu’avionique dans le CubeSat. Le quatrième était un satellite 3U appelé Dove-1 et construit par Planet Labs[14].

Schéma montrant la LightSail en configuration orbitale.

Un total de trente-trois CubeSat ont été déployés à partir de l'ISS entre le 11 et 28 février 2014. Ils avaient été transférés depuis le cargo Cygnus lancé par une fusée Antares le 9 janvier 2014. De ces trente-trois satellites, vingt-huit font partie de la constellation d'imagerie terrestre par CubeSat Flock-1 (Planet Labs). Parmi les cinq autres, deux ont été conçus par d'autres entreprises américaines (ArduSat 2 et SkyCube). Ce dernier est le premier satellite à avoir été financé de manière participative sur Kickstarter[15]. Deux autres satellites ont été développés en Lituanie par l'université de technologie de Kaunas (LitSat-1 et LituanicaSAT-1). Le cinquième satellite provient de l'Université Alas Peruanas au Pérou (UAPSAT-1)[16].

Le 19 juillet 2014, une fusée Dnepr met en orbite 33 CubeSats, un record[17].

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[18].

Le 5 octobre 2015, AAUSAT5 (université d'Aalborg, Danemark) a été déployé à partir de l'ISS. Il a été lancé dans le cadre du programme Fly your Satellite! de l'Agence Spatiale Européenne[19].

Trois CubeSats ont été lancés le 25 avril 2016 avec Sentinel-1B sur une fusée Soyouz VS14 depuis la base de Kourou, en Guyane française. Les satellites étaient: AAUSAT4 (université d'Aalborg, Danemark), e-st@r-II (école polytechnique de Turin, Italie) et d'OUFTI-1 (université de Liège, Belgique). Les CubeSats ont été lancés dans le cadre du programme Fly your Satellite! de l'Agence Spatiale Européenne.

Le 15 février 2017, l'organisation indienne pour la recherche spatiale (ISRO) a battu un record avec le lancement de 104 satellites avec une seule fusée. La PSLV-C37 a mis en orbite 650 kg. Des 104 satellites, 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 Emirats Arabes Unis[20].

La mission Insight s'envole vers Mars le 5 mai 2018. À son bord, deux CubeSats identiques, MarCO A et B. Il s'agit des premiers CubeSats interplanétaires[21].


Utilisation[modifier | modifier le code]

Les CubeSats sont initialement des satellites expérimentaux. Mais des recherches très actives sont menées pour déboucher sur des applications scientifiques ou commerciales.

Quelques CubeSats remarquables :

  • SkyCube (2014) est un CubeSat 1U développé aux États-Unis. Il s'agit du premier satellite à avoir été financé de manière participative à hauteur de 116 890 US$ sur Kickstarter[15]
  • Miniature X-ray Solar Spectrometer CubeSa (lancé en 2015) est un CubeSat 3U financé par la NASA qui emporte un spectromètre rayons X pour l'observation des éruptions solaires
  • PicSat (2018) est un Cubesat 3U qui embarque un petit télescope pour tenter de mesurer les caractéristiques d'une exoplanète par le méthode des transits
  • 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

Galerie[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) « CubeSat Database » (consulté le 7 juillet 2018)
  2. a et b 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. CubeSat Design Specification rev 13 2015, p. 5
  6. (en) « Nanosatellite Database » (consulté le 7 juillet 2018)
  7. (en) « EUROCKOT Successfully Launches MOM - Rockot hits different Orbits » [archive], sur eurockot.com (consulté le 7 juillet 2018)
  8. (en) « CubeSats », sur esa.int, (consulté le 7 juillet 2018)
  9. (en) « CSSWE (Colorado Student Space Weather Experiment) », sur directory.eoportal.org (consulté le 7 juillet 2018)
  10. (en) « NROL-36 Features Auxiliary Payloads », sur nro.gov, (consulté le 7 juillet 2018)
  11. (ja) « On Technical Verification of Releasing Small Satellites from "Kibo" », sur jaxa.jp (consulté le 7 juillet 2018)
  12. (ja) « 「きぼう」からの小型衛星放出実証ミッションに係る 搭載小型衛星 の選定結果について », sur jaxa.jp (consulté le 7 juillet 2018)
  13. (ja) « 「きぼう」日本実験棟からの小型衛星放出ミッション » [archive] (consulté le 7 juillet 2018)
  14. (en) « Cygnus on Deck after Successful Antares Debut », sur spacenews.com, (consulté le 8 juillet 2018)
  15. a et b (en) « SkyCube: The First Satellite Launched by You! », sur kickstarter, (consulté le 8 juillet 2018)
  16. (en) « Planet Labs Cubesats Deployed from ISS with Many More To Follow », sur spacenews.com, (consulté le 8 juillet 2018)
  17. « Record battu du nombre de satellites lancés ensemble : 37 », sur reves-d-espace.com, (consulté le 8 juillet 2018)
  18. (en) « It's Official: LightSail Test Flight Scheduled for May 2015 », sur planetary.org, (consulté le 8 juillet 2018)
  19. (en) « AAUSAT5 CubeSat starts its space mission », sur esa.int, (consulté le 8 juillet 2018)
  20. (en) « India launches record 104 satellites at one go », sur reuters.com, (consulté le 8 juillet 2018)
  21. (en) « Mars Cube One », sur jpl.nasa.gov, (consulté le 8 juillet 2018)

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (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); Commissionné en 2013 et mis à jour mi 2015;Référence : NASA/TP–2015–216648/REV1

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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