Le monde des nanosatellites

Le monde des nanosatellites

Le monde des nanosatellites

Plan de la Présentation:

 v Contexte et Généralités

 v Les nanosatellites

 v Le projet JANUS

 v Les Plateformes NEXEYA

 v Quelques perspectives

 v INISAT: kit pédagogique 1U

 v Discussion
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 La classification des satellites
ü Femtosatellite : masse < 100 g

ü Picosatellite : masse < 1 kg Mino ?
ü Nanosatellite : masse < 10 kg (CubeSat) (CNES < 50Kg)

ü Microsatellite : masse < 100–150 kg (NASA < 100 kg) Small satellite

ü Minisatellite : masse < 500 kg (NASA small satellite < 180 kg)

ü Satellite : de 500kg à 5 T

ü Les “gros” satellites : > 5 T

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Les premiers satellites… tous « smallsat »

 1957 – Spoutnik (88 Kg)-URSS 1958 – Vanguard 1 (1,36 Kg) – USA 1958 – Pioneer 1 (34 Kg) – USA 1962 – Ariel 1 (62 Kg)- UK

 1967 – WRESAT (42 Kg) – Australie

 1969 – AZUR (72 Kg) – RDA

 1970 – OZUMI - ( 24 Kg) – Japon

 1971 - Dong Fang Hong - (134 Kg) – Chin

 1962 – Allouette 1 (145 Kg) – 1964 – San Marco 1 (152 Kg) – 1965 – Asterix (42 Kg) – FR 1974 – ANS (129 Kg ) - Netherland
 CAN I
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La complexification des missions à ensuite conduit à de plus
gros et de très gros satellites…

 1968 – PROTON (17000 Kg) – ESA 2002 – Envisat1 (8200 Kg) – ESA 2013 – Alphasat (7000 Kg) – ESA

Plus de 8600 satellites artificiels ont été lancés: 4700 sont encore en
orbite et 1800 sont encore en fonctionnement.
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Les possibles (électronique, calculateurs)
1948: IBM SSEC (Selective Sequence Electronic
Calculator)
Ce calculateur est composé de 20 000 relais et de 12
500 tubes.
1950: Premier “bipolar junction transistor” (Shockley).
1958: Jack Kilby, Texas Instruments, fabrique le premier
circuit intégré sur germanium.
1965: Loi de Moore “ A coût constant la capacité double
tout les ans”
1971: Premier microprocesseur (Intel 4004). Il s’agissait
d’une unité de calcul de 4 bits, cadencée à 740 kHz et
intégrant 2 300 transistors.

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Le monde des nanos et des microsatellites

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Les « incompressibles » : La puissance électrique

 Rendement (cellules
 1353 w/m² Adaptation (réseau électrique)
 satellites)
 Orbite Age
 voisin de 30%
 Saison température
 (état de l’art)
 Altitude

 Chiffres clés:

 280 w/m²< Pu < 330 w/
 m²

 45w/kg à 50 w/kg

 5 kg/m² à 7kg/m²

 A prévoir: gestion au niveau du système électrique
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Les « incompressibles » : La puissance électrique

 Rendement des Cellules
 Solaires

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Les « incompressibles » : Les Antennes
 ​4 /​ ↑2
 ( )=10∗ ∗

 = rendement d’illumination
 S= surface
 ​ = ​ ↑′ ↑

 ℎ 
 −→ …

 Le bilan de liaison
 (ici, pour illustration en Ku GEO) 10

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Les « incompressibles » : La résolution optique

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La problématique du lancement
 Lanceur Masse Masse
 totale Lancée
 (LEO)

 AR 5 ECA 780 T 20 T
 FALCON 9 550 T 22,8 T
 AR 6 530 T 20 T
 PSLV 320 T 3,25 T
 Strato L 589 T 1,3 T
 (avion)

 Véga 134 T 2,3 T
 Rockot 107 T 1,9 T
 Intrepid 1 24,2 T 600 kg

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Le prix du lancement

 SSO (satellites M > 50 kg)
 Le prix moyen est voisin de 40 k€ / kg lancé

 LEO
 Le prix moyen est voisin de 60 k€ / kg lancé
 Copyright © : Spaceworks Entreprises, Inc.

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La Loi Spatiale

 è Une réalité
 Ø 900 satellites lancés ces 10 dernières années, autant dans les 10 prochaines
 Ø 20 000 objets de plus de 10 cm en orbite autour de la Terre (dont 15000 catalogués)
 Ø 500 000 objets de 1 à 10 cm (non catalogués)
 Ø Plusieurs dizaines de millions d’objets entre 1mm et 1cm (non catalogués)

 è Des enjeux
 Ø Limiter le nombre de débris produits
 • Protection des orbites basses (règle des 25 ans)

 • Protection de l’orbite géostationnaire (orbite cimetière)

 • Passivation des satellites et lanceurs en fin de vie

 Ø Gérer les risques de collisions pour les satellites opérationnels
 Ø Limiter les risques en cas de retombée sur Terre
 Ø Comprendre et suivre l’évolution de la population des débris

 è Le rôle du CNES
 Ø Partenaire de la Défense pour la surveillance de l’espace (collisions, rentrées),
 définition et application des mesures de prévention

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Exemple d’impact à très grande vitesse

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 CERISE
Un exemple vécu

 24 juillet 1996

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Contrôler la conformité des systèmes orbitaux à la loi spatiale

 v Un contexte
 Ø Par la loi du 3 juin 2008, la France s’est dotée d’un socle
 juridique sécurisant l’accès au marché spatial pour des
 opérateurs privés tout en maintenant le niveau d’exigence et
 de sécurité requis par la nature unique des activités spatiales

 v Des obligations
 Ø Tout opérateur doit obtenir une autorisation préalable à toute
 opération de la part du Ministère en charge de l’espace

 v Le rôle du CNES
 Ø Vérifier la conformité à la réglementation technique (analyse
 du dossier de demande et vérification après l’autorisation)
 Ø Le bureau de contrôle de conformité des systèmes orbitaux
 à la loi a été créé et est basé à Toulouse.

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Contrôler la conformité des systèmes orbitaux à la loi spatiale

 v La spécification à valider
 Ø Tout satellite doit revenir dans l’atmosphère avant 25 ans.

 Ø Comment analyser cela ? : Mise à disposition par le CNES du logiciel STELA

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La naissance des Cubesats
Un CubeSat désigne un format de nanosatellite défini en 1999 par l'
Université polytechnique de Californie et l‘Université de 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 d’un standard et contribue à garantir
l’innocuité des satellites pour la charge utile principale des lanceurs qui les
mettent en orbite.
Standard – 1U Prof. Jordi Puig-Suari

 v Dimensions: 10cm x 10cm x 10cm
 v Masse: ~1 kilogramme
 v Temps de développement typique: 1 à 2 ans
 v Les cibles sont l’éducation, la recherche et les tests (IOD/IOV).

 Prof. Robert Twiggs
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Le Standard 1U

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Le Standard 2U puis 3U

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La famille de standards… mais des cibles différentes
 « SERVICE » EDUCATION

 12U 6U 3U 2U 1U
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Le déploiement
 1U 2U 3U 6U

Masse 1,33 2,66 5 10
(kg)
Volume 0,275 0,600 1.5 7
CU (Kg)
P pour CU 1.3 2.5 3.7 20
(W)

 Nanoracks (sur ISS) Spaceflight (sur lanceur USA)
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La montée en puissance
2000-2001 : 8 picosats lancés via Minautor 1

2003 : 6 cubesats lancés via le PPOD (sur Rokot)

2005 : 3 cubesats lancés par Kosmos 3M

L’augmentation de la communauté sera significative en 2013… avec de nombreuses

missions technologiques

 Copyright © : National Academy of science
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Le début des missions commerciales (2013-2015)

 Science

 Lab
 Copyright © : National Academy of science
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Une prédominance américaine

 © Cubesat Database 2016

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Hors USA… les pays convaincus…

 Copyright © : National Academy of science
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A méditer …

 Copyright © : National Academy of science
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Le marché des nanosatellite, aujourd’hui.

 Copyright © : Spaceworks Entreprise Inc.
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Architecture satellite 1U

 SATELLITE

 Traitement de
 Structure Energie Commande Communication Senseurs
 Données
 Structure Traitement
 Générateurs
 Commande GPS
 Mécanique Solaires Contrôle
 Satellite
 TTC/ Station sol Accéléro
 Contrôle
 Batteries Calculateur TMCU Gyro
 Thermique Magnéto
 Antenne(s Antenne(s
 Régulateurs ) ) Capteurs
 Mémoire
 Charge thermiques
 Emetteurs(s) Emetteurs(s)
 Convertisseur Récepteur(s) Récepteur(s)
 s Caméra

 Calculateur
 Switchs
 Sécurité

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Architecture satellite (écorché)
 u UNE ARCHITECTURE MECANIQUE
 u UNE ARCHITECTURE THERMIQUE
 q Des radiateurs (évacuer la
 chaleur)
 Senseur stellaire
 q Des éléments chauffants Roues à réactions
 u UNE PLATEFORME
 Carte RF Bande X
 q Des panneaux solaires
 q Une alimentation Antenne
 Bande S
 q Des communications Bord/Sol
 Antenne
 q Un ordinateur de bord avec le logiciel de Bande X

 vol
 Carte Ordinateur Bord
 q Un système de contrôle d’attitude Carte RF Bande S

 q Des interfaces

 u UNE CHARGE UTILE (exemple) Impossible
 d'afficher
 Impossibl
 e
 Impossible
 d'afficher
 d'afficher l'image. Votre

 Un télescope
 l'image. l'image.
 q Votre ordinateur
 Votre manque peut-
 ordinateur ordinateur
 manque être de
 manque mémoire pour

 Caméra + roues à filtres + optique +
 peut-être de peut-être

 q mémoire ouvrir l'image
 de ou l'image est
 pour ouvrir mémoire

 baffle

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 Le Segment Sol
!

 TC PF et CU

 TM CU
 TM Servitudes

 CENTRE COMMANDE TC PF et CU
 STATION
 CONTROLE SOL
 TM Servitudes

 TC CU

 TM CU

 CENTRE DE
 MISSION

 Mesures intruments traitées

 UTILISATEURS

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Le Centre de Contrôle

 La poursuite du satellite
 (suivie des TM/TC)

 L’orbitographie (visibilité station)

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En France : 2012 création du projet

 Contact: Alain Gaboriaud (alain.gaboriaud@cnes.fr) @CNES Toulouse
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Le Projet JANUS
 Rapport sur la stratégie spatiale française édité par le MESR en 2011

 q MISSIONS D’EDUCATION
 « Veiller au renouvellement des ressources humaines de la filière spatiale
 sans perte de compétence-clé »
 « Favoriser la création de pôles spatiaux au sein des nouvelles structures
 d’enseignement supérieur de recherche »
 q RECHERCHES SCIENTIFIQUE ET TECHNOLOGIQUE
 « Mettre l’accent sur des innovations technologiques génériques à fort
 potentiel (micronanotechnologies, vol en formation…)… »

 Priorités fixées par le gouvernement dans le contrat Etat CNES

 q « Contribuer au développement régional »,…« Soutenir le développement industriel et la 35

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Le Projet JANUS
 LANCEMENT EN NOVEMBRE 2013 DU PROJET JANUS DE SOUTIEN AUX
 PROJETS NANOSATS ETUDIANTS

 o Sélection de projets étudiants structurés en fin de phase de faisabilité
 o Soutien en ressources financières et humaines sur 5 ans (2013-2017) pour
 le développement et le lancement de nanosats
 • 125 à 550 K€/projet, soit ~ 50% coûts de développement des nanosats
 • ~1M€/an (demande projet) de dépenses externes directes pour un plan de 5 ans glissant
 • RH CNES : ~3,5 ETP/an

 o 6 projets ont été engagés dès 2013 / 13 projets ciblés (11 écoles/univers.)
 • UNIVERSITÉ MONTPELLIER 2 ROBUSTA 1B
 • ISAE / SUP AERO ENTRY-SAT
 • POLYTECHNIQUE X-CUBESAT (PROJET QB50 DU VKI)
 • ECOLE DES MINES DE PARIS SPACECUBE (PROJET QB50 DU VKI)
 • UNIVERSITÉ PARIS EST CRETEIL OGMS-SAT (PROJET QB50 DU VKI)
 • UNIVERSITÉ PARIS SUD 11 /CACHAN EYE-SAT 36

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3 students satellites lancés en 2017…

 Lancés à partir de l’ISS le 18 mai 2017:
 • X-Cubesat (Ecole Polytechnique)
 2U (2kg)
 • Spacecube (Ecole des Mines)
 2U (2kg)

 • ROBUSTA 1B
 Université de Montpellier
 1U (1Kg)
 Lancé par un PSLV, le 23 juin 2017

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6 satellites étudiants seront lancés d’ici fin 2020

 EyeSat (L: 2019) IGO Sat (L: 2020) Entrysat (L: 2019)

Mediterranée Sat (L: 2020) CASAA Sat (L: 2020) OGMS Sat (L: 2019)
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3 satellites étudiants seront lancés en 2019 (hors JANUS)

ü CSU G – AMICALSAT (2U – Mars 2019)

ü CSU M – MT CUBE ET CELESTA ( 1U- lancés ensemble mi 2019)

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Quelles missions pour les Cubesats ?

 Copyright © : National Academy of science
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Quelques acteurs commerciaux

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Des prévisions optimistes

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De nombreuses initiatives / petits lanceurs
 Précurseurs / offre :

 ü Rocket Lab

 ü Pegasus
 ü Minautor

 ü Kaituozhe-2
 ü Kuaizhou-1A
 ü Long March 11
 ü OneSpace ?

 ü SS-520-5

Principalement pour réduire l’attente et proposer des lancements plus fréquents (prix ~ 40k$/kg) 46

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Des approches très innovantes… ouvrant le champ des possibles

 Crownfunding

 16 projets financés

 www.nanosats.eu
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Un engouement confirmé: les conférences 2018

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INISAT : Un cubesat pour apprendre sur table

 Projet Pilote en cours

 Actions d’évaluation en cours :

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Merci pour votre attention

Hubert.diez@cnes.fr hubert.diez@cnes.fr

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DISCUSSION

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Les CSU

Chaque CSU se positionne suivant ses points forts
Sur 3 CSU, il y a 3 positionnements différents:

 v Grenoble : se focalise sur la mission et la charge utile. La PF est approvisionnée.

 mathieu.barthelemy@univ-grenoble-alpes.fr
 v Toulouse : se focalise sur la mission et l’ingénierie. Le matériel est approvisionné. - GIS

 Benedicte.Escudier@isae-supaero.fr

 v Montpellier : veut faire simple mais maîtriser l’ensemble (aves des CU dans un cœur
 de métier: tenue de composants aux rayonnements). - P-F techno pour la Recherche

 laurent.dusseau@umontpellier.fr

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