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PIMCA - Projet étudiant de Mesure des Ceintures de Van Allen

Nous savons aujourd'hui que les satellites évoluant autour de notre planète sont soumis à des particules émises par le soleil ; celles-ci entrainant, à trop fortes doses, la destruction des appareils électroniques embarqués. Mais quelle est la quantité exacte de radiation subie par ces engins spatiaux ?

C'est de cette question qu'est né le projet PIMCA : étudier avec exactitude et pour chaque orbite utilisée par nos satellites, la quantité de particules énergétiques présentes.

Il y a principalement deux ceintures de radiation autour de notre planète. Chacune de ces ceintures ont une forme de tore entourant la terre :

•La ceinture interne culmine à environ 5000 kilomètres d'altitude et est constituée principalement de protons de hautes énergies (de l'ordre de quelques keV à 500 MeV)

•La ceinture extérieure s'étend de 20000 à 35000 kilomètres. Elle est constituée principalement d'électrons de quelques eV à 10 MeV.

Figure 1 : Les Ceintures de Radiation, ou Ceintures de Van Allen

Depuis 2008, et à partir d'une étude préliminaire réalisée par un chercheur du CNES, nous réalisons ce nanosatellite. Afin de mesurer les particules à haute énergie, PIMCA devrait embarquer le détecteur ICARE-NG, développé par le CNES.

Cet appareil permet de mesurer des électrons de 250 keV à 4 MeV et des protons de 8 à 100 MeV. Ainsi, nous pourrons connaître la densité et les énergies des particules emprisonnées par le champ magnétique terrestre.

Figure 2 : Détecteur ICARE-NG

PIMCA utilisera l'orbite de transfert géostationnaire (GTO / Périgée≈200Km / Apogée≈36 000Km / Inclinaison=7°) pour deux raisons :
•Les particules n'étant pas réparties équitablement sur l'ensemble des orbites géocentriques il faut pouvoir « balayer » l'espace entier.
•La fusée Ariane 5 avec qui nous souhaiterions décoller peut facilement nous déposer sur une orbite GTO.

Figure 3 : Trajectoire de PIMCA pendant 1 an sur une orbite GTO

Quel est l'état d'avancement de PIMCA ?
Nous avons déjà réalisé une première étude de faisabilité en nous basant sur des éléments validés (satellite de moins de 10Kg, type de mission, emplacement des équipements etc...). Celle-ci comprend :

•une étude de la dégradation des cellules solaires
•les durées d'ensoleillement du satellite (à l'aide du logiciel STK 9)
•les calculs d'épaisseurs d'aluminium nécessaires pour protéger les équipements (à l'aide du logiciel OMERE V3)
•l'étude de base du système de télécommunication et le bilan de liaison
•la localisation du segment sol
•les données déterminant l'architecture électronique

Puis nous nous sommes focalisés sur une recherche plus technique des différents éléments composant la nanosatellite. Nous avons donc commencé à démarcher différents industriels pour obtenir des informations sur les éléments que nous souhaitons intégrer à PIMCA.
Nous devons apporter beaucoup de soin à l'équipement électronique et sa protection. Le but de la mission est d'étudier les particules de hautes énergies, il faut donc pouvoir traverser les ceintures et les étudier mais sans endommager les cartes d'acquisitions et les batteries.

Un autre point important sur lequel nous devons également nous attarder est l'étude thermique. Nous devons bien sûr prendre en compte le rayonnement du soleil et l'albédo terrestre, mais d'autres paramètres sont aussi - ou plus - importants :
•Les autres rayonnements terrestres et spatiaux
•L'effet joule induit par l'alimentation des différents circuits électroniques
•L'échauffement aérodynamique lorsque le satellite est en orbite basse (<300Km)
•Les effets de conductions entre les matériaux

Figure 4 : Le rayonnement terrestre et solaire

De tous ces paramètres, nous devons en déduire le revêtement à appliquer à notre satellite afin que, pour des temps d'ensoleillement et d'éclipse connus, la température des composants soit comprise dans une certaine plage de température (autour de ±30°).

Mais le grand pas réalisé cette année réside dans le partenariat avec l'ENS Cachan. Avec cette école, nous allons pouvoir construire notre premier prototype dont la structure devrait être achevée au courant du 1er semestre 2010. Ce premier PIMCA n'est bien sur pas destiné à voler, mais il nous permettra de valider de nombreux points liés à l'usinage, la structure, les fixations etc...

Même si des éléments manquent (nous ne connaissons pas exactement tous les systèmes qui seront embarqués, la nature exacte de la protection thermique etc...), nous avons tout de même souhaité réaliser une structure proche de ce qu'elle sera dans le futur. Nous avons donc réalisé un modèle en 3D sous le logiciel CATIA V5.
Par calcul numérique, nous avons pu simuler les charges subies par la structure lors du décollage et vérifier si, approximativement, le satellite pouvait subir de telles contraintes.

Figure 5 : PIMCA modélisé sous CATIA V5R19 - Textures réelles

Si vous souhaitez avoir plus d'information, visitez notre site web : www.pimca.elisa-aerospace.fr, ou contactez nous à l'adresse mail suivante : pimca@elisa-aerospace.fr

De plus, nous sommes en recherche de partenariats avec des écoles ou des entreprises. Si vous êtes intéressés, contactez nous!

Projet PIMCA
ELISA - EcoLe d'Ingénierie des Sciences Aérospatiales
Val-de-Reuil (Eure)