mise à jour : 13 décembre 2021
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- Techniques et méthodes

Sous-systèmes

Auteur: Gary Quinsac
Schéma éclaté du CubeSat ArduSat3
images/ArduSat3.png
On retrouve une partie des sous-systèmes classiques d'un satellite sur ce CubeSat 1U. On remarque également qu'ils se présentent généralement sous la forme de cartes disposées les unes après les autres dans la structure du CubeSat.
Crédit : Wikipedia

Comme nous l'avons vu précédemment, un satellite se décompose en différents sous-systèmes essentiels à son bon fonctionnement :

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.

complementComplément : modes de transfert d'énergie

Il existe trois modes de transfert d'énergie :

  • Le transfert par conduction est l'échange d'énergie, sous l'effet d'une différence de température, entre deux corps en contact physique ou au sein d'un même corps solide.
  • La convection thermique désigne l'échange d'énergie à l'interface d'un fluide en mouvement sous l'effet d'une différence de température. L'absence de fluide conducteur (air) dans l'espace empêche ce type de transfert thermique vers l'extérieur du satellite.
  • Le transfert radiatif (ou transfert par rayonnement) représente l'unique transfert possible avec l'espace. Il représente le transfert d'énergie par radiation et implique l'interaction du rayonnement avec la matière.

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.

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