Adopté dans différents secteurs

Il est possible de classer les CubeSats en différents secteurs et par extension tous les satellites de moins de 50 kg (échelles "nano" et en partie "micro"), dont les CubeSats forment la majeure partie :

• Secteur civil : ils sont utilisés pour des activités non militaires et à but non lucratif. On peut distinguer les deux catégories suivantes :
  • Secteur académique : secteur historique des CubeSats, il regroupe l'ensemble des satellites développés à des fins pédagogiques. L’objectif principal est de former les étudiants à un certain nombre de disciplines d’ingénierie nécessaires pour réaliser un satellite. C’est dans ce but que des universités américaines ont créé le standard CubeSat. La mission particulière du satellite n’est donc pas en soi l’objectif prioritaire.
  • Secteur public : on y retrouve tous les CubeSats des agences nationales ou des laboratoires de recherche (exemple : NASA).
• Secteur militaire : ce secteur regroupe les opérateurs dont l'objectif principal est de participer à des activités de défense nationale (exemple : US Naval Research Laboratory). La demande des opérateurs militaires devrait être constante dans les années à venir.
• Secteur commercial : les opérateurs de cette catégorie envoient des satellites pour générer de l'activité et du profit (exemple : Spire). Ce secteur commercial devient le principal moteur du lancement de nouveaux CubeSats, avec plus de 70 % des lancements prévus dans les 5 prochaines années.

De nombreuses applications

Le même classement peut être fait concernant les familles d'applications :

• CubeSat technologique : l’objectif principal est de démontrer une technologie particulière en environnement spatial avec un satellite beaucoup moins cher qu’une mission traditionnelle. Ainsi les nanosatellites peuvent nous aider à préparer les instruments de demain. Si la mission du nanosat est un succès, la technologie aura un niveau de maturité technologique (TRL pour "technology readiness level" en anglais) plus élevé, ce qui permettra de la proposer plus tard pour une mission spatiale scientifique encore plus ambitieuse et pas nécessairement au format nanosatellite.
• CubeSat scientifique : le CubeSat peut aussi embarquer un instrument de mesure. L’objectif principal est alors de réaliser cette mesure scientifique. Les applications scientifiques émergent peu à peu, avec une diversification de concepts, comme le CubeSat d’accompagnement d’une mission mère qui peut aller reconnaître le terrain avant de s’approcher d’un astéroïde ou comme les flottilles ou les essaims de nanosatellites pour des mesures "coopératives" (mesures simultanées par plusieurs CubeSats).
• CubeSat d'observation de la Terre / de télédétection : le satellite se concentre sur l'étude de la Terre et son atmosphère. La plupart des CubeSats commerciaux se concentre sur ce type d'applications (Planet Labs et Spire).
• CubeSat de communication : le CubeSat relaie des signaux émis par des stations émettrices vers des stations réceptrices. On retrouve de nombreux CubeSats pédagogiques dans cette catégorie (ITF 2, lancé le 12/2016).

Une tendance à l'embonpoint

Depuis la création de ce standard, le nombre de lancements a fortement augmenté au fil des ans. Cette tendance ne fait que se confirmer avec les nombreux nouveaux acteurs du marché, qu'ils se placent du côté de la conception de CubeSats ou de leur lancement. Il est intéressant de noter que si les CubeSats de petit format (1U, 2U et 3U) ont été privilégiés jusqu'à présent, des formats 12U et 27U sont maintenant envisagés afin d'offrir des profils de mission plus flexibles (missions interplanétaires, plus grosse charge utile) tout en préservant les avantages offerts par la standardisation, faisant varier le profil des CubeSats envoyés.

Charge utile

La charge utile est le sous-système qui réalise les fonctions correspondant à l'objectif de la mission. Si celle-ci varie fortement d'une mission à l'autre, les éléments suivants qui forment la plate-forme sont généralement présents sur tous les satellites.

Structure porteuse

La structure porteuse a pour but d'assurer l'interface avec le lanceur, la cohésion mécanique du satellite et le support des équipements. Elle est aussi appelée "architecture mécanique". L'intégrité du satellite doit être assurée dans les différents environnements qu'il rencontrera au cours de sa vie, c'est-à-dire le sol, le lancement et l'orbite.

• Au sol, il est victime de sollicitations mécaniques de type quasi-statique lors de la phase d'intégration et l'ensemble de ses composants est soumis à la gravité (1 g au sol), qui peut entraîner des déformations par différence avec l'environnement orbital. Le transport et la manutention peuvent être sources de chocs et de conditions climatiques variables (- 40°C, + 40°C). Les longues périodes de stockage nécessitent un contrôle de l'environnement (pression, température, hygrométrie) afin de ne pas dégrader les caractéristiques des éléments structuraux. A cela s'ajoutent les essais mécaniques qui constituent la source principale de sollicitation mécanique au sol.
• Durant le lancement, différents éléments sont dimensionnants du point de vue mécanique. On peut citer l'allumage des moteurs et le décollage, la pression dynamique et le passage du mur du son, la séparation des propulseurs latéraux à poudre (EAP) ou encore la séparation de la coiffe. Ils sont définis dans les Manuels Utilisateurs des Lanceurs par l'accélération statique continue, les vibrations à basse fréquence, l'environnement acoustique et les chocs dus aux séparations pyrotechniques.
• Lors de sa vie orbitale, le satellite est soumis à un cyclage en température dû aux variations de l'environnement thermique externe et à la dissipation des électroniques internes, générant des gradients thermiques sur la structure. L'utilisation de matériaux organiques, quant à elle, pose des problèmes hygro-élastiques. Une fois dans l'espace (ou même dans la coiffe du lanceur), ces matériaux subissent une déformation liée à la désorption de l'humidité préalablement absorbée au sol. Dernier aspect à ne pas négliger, les vibrations en orbite provoquées par les parties mobiles de certains équipements (roues, gyroscopes, mécanismes d'orientation des générateurs solaires...) peuvent altérer l'alignement d'optiques particulièrement sensibles.

Contrôle thermique

Le contrôle thermique a pour fonction de maintenir les équipements dans leur plage de température de fonctionnement, quelle que soit la phase de la mission, et ce durant toute la durée de vie du satellite. Dans le cas de missions nécessitant une grande précision astrométrique, le contrôle thermique permet également d'uniformiser les températures afin d'assurer une stabilité dimensionnelle (et ainsi éviter des phénomènes de dilatation/contraction par exemple). Pour ce faire, on peut faciliter ou interdire certains échanges thermiques de façon passive, ou utiliser des actionneurs (des réchauffeurs pour réchauffer ou des radiateurs pour refroidir) pour réguler la température. Ce contrôle thermique s'effectue dans des conditions très particulières, celles du milieu spatial, qui limitent le nombre d'acteurs. Nous pouvons classer les acteurs en deux catégories : les sources froides et les sources chaudes.

• Le Soleil, qui génère au voisinage de la Terre un flux de 1500W/m², est l'une des sources chaudes. Son flux décroît en 1/D², D étant la distance au Soleil. Pour une sonde spatiale s'éloignant fortement du Soleil, l'impact du flux solaire décroîtra donc rapidement.
• Les planètes, telles que la Terre, sont elles aussi des sources chaudes. Elles réfléchissent le flux solaire, c'est ce que l'on appelle le flux albédo. Elles émettent également directement un rayonnement.
• Les surfaces externes du satellite se refroidissent en émettant un rayonnement vers le fond du ciel (partie du ciel sans le Soleil et les planètes) qui n'est pas réfléchi vers le satellite. Néanmoins, l'espace est à l'origine d'un rayonnement dont le spectre correspond à un corps noir à 3 K. Ce rayonnement, appelé fond diffus cosmologique, est le vestige d'une phase importante de notre univers : sa réionisation 380 000 ans après le Big Bang. Cela veut dire que le fond du ciel consitue un puits radiatif infini et qu'un corps inerte dans l'espace tend vers une température d'équilibre de 3 K.

Génération d'énergie

La génération d'énergie permet le fonctionnement de l'engin spatial en lui fournissant l'énergie électrique dont il a besoin. En effet, ce dernier étant mobile et autonome, il a besoin de produire son électricité. Le système d'alimentation électrique est découpé en quatre éléments qui sont la production (ou source primaire), le stockage (ou source secondaire), la régulation et la distribution.

• La production électrique utilise généralement le flux solaire grâce à des générateurs solaires placés sur la structure du satellite. Ces générateurs solaires, aussi appelés panneaux solaires, peuvent être déployables afin d'offrir une grande surface d'accumulation malgré un volume restreint dans la coiffe du lanceur. Des cellules solaires assurent la conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique, avec un certain rendement. Outre l'énergie solaire, des missions lointaines pilotées par les agences américaine ou russe ont également utilisé des générateurs nucléaires ou isotopiques (sonde Cassini-Huygens).
• L'énergie produite est ensuite stockée dans les batteries électrochimiques afin d'alimenter le satellite lors de phases d'éclipse ou de consommation instantanée supérieure à la production des générateurs.
• La régulation et la distribution permettent de fournir à la charge utile et aux autres éléments nécessitant de l'énergie une alimentation présentant des caractéristiques électriques précises et compatibles avec les différents équipements. La régulation permet également de garantir la durée de vie de la batterie. Pour ce faire, on limite la profondeur de décharge, c'est-à-dire la quantité d'énergie fournie par la batterie, on limite le courant de charge et de décharge...

Ce sous-système occupe usuellement entre 20 % et 30 % de la masse sèche (réservoirs vides d'ergols) d'un satellite classique.

Télécommunication

Le sous-système de télécommunication utilise des émetteurs, des récepteurs ou des transpondeurs afin de gérer l'ensemble des fonctions de communication. S'il s'agit d'un satellite de communication, ce sous-système peut alors devenir la charge utile du satellite.

Télémesure, télécommande et localisation

Les équipements de télémesure, télécommande et localisation constituent un ensemble de télécommunications de servitude transmettant au sol les télémesures de différents paramètres soumis à contrôle (température d'un équipement, charge d'une batterie) et recevant les télécommandes pour les équipements à opérer (plate-forme et charge utile).

Chaîne de traitement, de stockage et de gestion bord

Les informations transitant dans le satellite sont prises en charge par la chaîne de traitement, de stockage et de gestion bord. Ce sous-système s'assure de la bonne distribution des données vers les équipements. Il est également en charge du stockage des données avant que celles-ci soient transmises, généralement à une station sol.

Système de contrôle d'attitude et d'orbite

Le système de contrôle d'attitude et d'orbite (SCAO) assure deux types de mouvement : celui autour de son centre de gravité (attitude) et celui de son centre de gravité (orbite). En d'autres termes, il est responsable de l'orientation et de la position du satellite dans l'espace. En fonction de l'attitude recherchée, les commandes d'attitude impriment les corrections d'orientation autour du centre de gravité. Le maintien du satellite sur l'orbite prévue est indispensable à la plupart des missions. Le sous-système de propulsion crée les incréments de vitesse nécessités par les manœuvres d'orbite. Celles-ci sont commandées depuis le sol, ou déterminées à bord, la détermination d'orbite à bord étant aujourd'hui rendue possible par les navigateurs embarqués qui permettent d'accroître l'autonomie des satellites.

Propulsion

La propulsion, enfin, fonctionne de pair avec le SCAO. Elle est un actionneur du SCAO, assez complexe pour être traité séparément, qui a pour fonction de créer les variations de vitesse nécessaires aux manœuvres du satellite.

GOMX-3 un satellite de démonstration téchnologique

GOMX-3 est une collaboration entre l'ESA et GOMspace (Danemark) embarquant différentes charges utiles de démonstration technologique :

• un contrôle d'attitude 3 axes avec 1 degré de précision, permettant jusqu'à 7 changements d'attitude par orbite et un suivi de cible,
• un récepteur expérimental pour détecter les signaux ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) diffusés par les avions en vol,
• une radio réalisée par logiciels pour évaluer les faisceaux de réception des satellites de télécommunication,
• un émetteur bande-X développé par Syrlinks pour télécharger des données à haut débit.

Après une année d'opération, le satellite a effectué sa ré-entrée atmosphérique. Tous les objectifs ont été atteints et la mission nominale a même été dépassée, permettant de démontrer d'autres capacités.

QB50 une flotte de CubeSats scientifiques universitaires

L'objectif de la mission QB50 est de démontrer la possibilité de lancer un réseau de satellites construits par des équipes universitaires à travers le monde pour effectuer une étude scientifique de la basse thermosphère. De nombreux enjeux du standard CubeSat se retrouvent à travers les différents objectifs de cette mission :

• faciliter l'accès à l'espace pour des missions spatiales à petite échelle,
• étudier la couche la moins explorée de l'atmosphère (entre 200 et 380 km),
• effectuer des démonstrations technologiques avec certains CubeSats, notamment QARMAN (étude de la rentrée atmosphérique) et InflateSail (test d'une voile solaire),
• permettre à des étudiants en ingénierie de concevoir et construire ces satellites.

Autres missions

De nombreux projets de CubeSats sont développés dans le cadre de C²ERES (Campus et Centre de Recherche pour l’Exploration Spatiale), le pôle spatial de l'Université de Recherche PSL conjointement piloté par le LabEx ESEP et le Master OSAE. En août 2017, on en dénombre pas moins de 8, à des stades de développement différents :

• PICSAT, surveillance de l'exoplanète Beta Pictoris b
• METEORIX, spectre UV des météores pour analyser la composition des météoroïdes
• SERB, précurseur pour la surveillance de la variabilité solaire
• GPU4SPACE, qualification spatiale d'un GPU
• NANOPOT, Tests pour la maîtrise du potentiel électrique d'un nanosatellite
• OGMS-SA, un instrument d'astrochimie spatiale
• BIRDY-T, développement technologique pour la navigation autonome
• CIRCUS, étude de l'ionosphère avec STAR, une technologie nouvelle