menu
DEBUG
Formation > Centre spatial étudiant > Nanosatellites - Classe 3U
cinq ans pour intégrer l’industrie aérospatiale
1 2 3 4 5
Nanosatellites - Classe 3U
Développement de nanosatellites de la classe 3U

Le CSE ELISA Jules Verne travaille aujourd'hui sur deux projets de nanosatellites de la classe 3U en coopération avec des universités/écoles d'ingénieur françaises et/ou des industriels :

  • un nanosatellite visant à tester en orbite un micropropulseur plasmique,
  • un nanosatellite NIMPH visant à tester en orbite la tenue aux radiations d'équipements optoélectroniques.

 

1 - Nanosatellite « Micropropulseur Plasmique »

Trente neuf nanosatellites répondant aux normes CubeSats définies en 1999 par J. Puig-Suari (Univ.n Polytech. de Califormie) et B.Twiggs (Univ. de Stanford) ont été mis en orbite depuis 2003 et le dernier lancement, effectué le 13 février 2012 par un lanceur VEGA, a placé sept CubeSats en orbite elliptique basse (périgée à 327km d'altitude, apogée à 1450km d'altitude). Ces Cubesats de même que les précédents seront désorbités en environ 2 ans et demi par frottement sur l'atmosphère lors des passages à basse altitude au voisinage du périgée. En revanche, pour de futurs CubeSats en orbite circulaire à une altitude de 700km le freinage est insuffisant pour effectuer une désorbitation en 25 ans au plus pour respecter la loi française sur les objets dans l'espace (LOS) de juin 2008.

Une désorbitation en 550 jours depuis une orbite circulaire à 700 km d'altitude peut être réalisée avec une poussée de 0,1mN appliquée à un CubeSat-3U (10cmx10cmx30cm, 3kg) appliquée seulement pendant 50 jours sur un arc de la trajectoire. Ce résultat a été calculé à l'Université Paris VI Pierre et Marie Curie (UPMC) en utilisant un modèle simple tenant utilisant le modèle d'atmosphère de Vallado.

La propulsion par plasma grâce à la vitesse importante des ions éjectés permet de réaliser des changements de vitesse ( ) en consommant un minimum de gaz ce qui la rend très attractive pour de nombreuses missions dans l'espace (maintien à poste des satellites géostationnaires de télécommunication, missions lointaine comme par exemple la mission Smart1 de l'ESA vers la Lune (2003-2004). Cependant, les propulseurs à effet Hall utilisés délivrent nécessitent une puissance importante (1500W pour un PPS1350) pour l'obtention de poussée de l'ordre la centaine de milli-newtons. Dans le cadre d'un programme européen FP-7 SPACE un propulseur de 20kW a été construit et la NASA a développé un propulseur de 50 kW.

Un petit propulseur (PPI) de 300W a été construit et testé. Il utilise des aimants permanents (SmCo) à la place des bobines généralement utilisées pour la barrière magnétique, un entrefer pour déplacer la lentille magnétique vers la sortie du canal, une injection au travers une céramique poreuse et un design s'affranchissant d'écrans magnétiques. A partir des caractéristiques de ce petit propulseur et des résultats obtenus sur l'influence des facteurs d'échelle (sur la dimension du canal), un est en cours de développement. Les caractéristiques estimées pour ce sont une poussée comprise entre 0,1 et 0,2 mN, un poids inférieur à 5 g et un diamètre extérieur du canal annulaire de 8 millimètres. La consommation en xénon sera de l'ordre de 50 g pour un débit d'environ . Ce propulseur sera construit par le GEMaC pendant l'année 2013 avec le soutien du CNES et testé dans un caisson à vide avant la fin 2013.

L'intégration de l'ensemble du système dans un cubesat 3U est actuellement étudiée par le CSE ELISA Jules VERNE qui fédère les activités des différentes entités universitaires impliquées dans le projet : GEMaC (Marcel Guyot), Université Pierre et Marie Curie (Michel Dudeck et Pierre Claudé) et ELISA. D'autres universités et écoles d'ingénieurs pourraient être intégrées dans le projet afin de bénéficier de leurs compétences.

Dans le cadre de ce projet de nombreux challenges techniques sont à relever comme la micro-régulation du débit de xénon, le réservoir de Xénon, la micro-vanne, le contrôle-commande du , l'alimentation en énergie électrique du micromoteur plasmique, le contrôle thermique du micromoteur, le système de contrôle d'attitude et d'orbite (SCAO) afin d'orienter la poussée du dans la direction désirée, l'intégration du système dans un Cubesat 3U...

Plusieurs autres types de propulseurs sont actuellement proposés pour les CubeSats (liquide ionique : EPFL, .....), PPT (MIT), à compléter. Le est aussi un propulseur utilisant l'éjection d'ions, mais basé sur le concept de propulsion à effet Hall en champ électromagnétique croisé.

La mission principale du nanosatellite sera le test du en orbite. Son utilisation sera plusieurs milliers d'orbite aura pour objectif la désorbitation du nanosatellite. Après cette démonstration, ce pourrait être utilisé pour d'autres missions comme les rendez-vous de nanosatellites dans l'espace ou encore le vol en formation de nanosatellites.

Les principales activités menées cette année dans le cadre de ce projet, au sein du CSE ELISA Jules VERNE :

  • l'analyse fonctionnelle du projet de nanosatellite (réalisée par les étudiants de la promotion 2013 de la thématique IMSS de la troisième du cycle d'ingénierie dans le cadre du cours de conception satellites)
  • les études de faisabilité et l'établissement du cahier des charges pour les différents systèmes du nanosatellite dans le cadre de stages de 1ère et 2ème années du cycle d'ingénierie
  • le début des études de conception (projet de fin d'études en 3ème année du cycle d'ingénierie + projet industriel et de recherche en 2ème année du cycle d'ingénierie à partir de la rentrée universitaire 2013-2014 + stages) en vue de la tenue de la PDR (Preliminary Design Review) à l'automne 2014.

 

2 - Nanosatellite NIMPH (Nanosatellite to Investigate Microwave Photonic Hardware)

Ce projet est beaucoup plus récent car son lancement a été validé par M. Alain Gaboriaud, responsable au CNES des centres spatiaux étudiants, le mercredi 10 avril 2013 lors d'une réunion au centre spatial de Toulouse du CNES.

Les technologies optiques et opto-microondes sont envisagées pour un certain nombre d'applications, notamment pour les futures charges utiles flexibles Ku et Ka. Elles font l'objet d'actions d'étude et réalisation de démonstrateurs de ces applications d'une part, d'évaluation des composants et technologies clés d'autre part. L'absence de retour d'expérience est un obstacle majeur à leur adoption. Le vol sur nanosatellite de la classe 3U offre l'opportunité de premières expérimentations et validations en environnement spatial.

Le but de cette mission est de mesurer les effets des radiations en orbite sur un jeu de composants micro-ondes photoniques.

Le jeu de composants micro-ondes photonique seront choisis et assemblés afin de satisfaire une fonction opérationnelle qui soit représentative d'une fonction envisagée dans une future charge utile de satellites de télécommunication. Cette sera définie en phase de faisabilité. La mission doit maximiser autant que possible l'exposition de ces composants micro-ondes photoniques aux radiations spatiales. Le nanosatellite devra être en mesure de collecter les paramètres nécessaires à l'analyse du fonctionnement des composants (tension, intensité courant, température, puissance, résistance, atténuation ...), de les stocker avant de les retransmettre vers une station terrestre. Le satellite devra aussi embarquer un dosimètre afin de connaître la dose de radiations reçue. Une mission secondaire peut être envisagée suivant les ressources disponibles à bord du satellite.

La charge utile opto-microondes sera développée par une école d'ingénieur ou une université située dans le sud-ouest afin de permettre un suivi des travaux par les équipes de Thalès Alenia Space. La conception de la plateforme et des servitudes du satellite, l'intégration, les essais et le management du projet seront de la responsabilité du Centre Spatial Etudiant ELISA JULES VERNE qui s'entourera des écoles d'ingénieur et universités qu'il jugera souhaitable pour la réalisation optimale du projet.

Ces points sont en cours de finalisation dans le cadre d'une convention liant le CNES, THALES ALENIA SPACE et le CSE ELISA Jules VERNE.

Les travaux relatifs à ce projet débuteront au sein du CSE ELISA Jules VERNE à compter du 2 juin 2013 dans le cadre de stages d'étudiants ELISA 3 et 4.

L'objectif est de lancer ce satellite à l'horizon fin 2016 et au plus tard dans le courant du 1er semestre 2017.