Le phénomène « CubeSat »

Le principal intérêt de travailler à petite échelle, l’échelle des "nanosatellites", est de multiplier les opportunités d’applications scientifiques, à un coût limité et en dépassant les contraintes des missions traditionnelles. Cette échelle permet notamment de préparer les futures missions par la démonstration de concepts nouveaux.

Le format dit "CubeSat" optimise l’échelle nano financièrement et opérationnellement. Il a changé le paradigme des missions spatiales : il faut alors penser les missions autrement.

C²ERES permet dès aujourd’hui aux chercheurs et aux ingénieurs de s’approprier des savoir-faire originaux, autant en termes de plateforme spatiale d’observation qu’en termes de cycles plus courts et plus flexibles de développement.

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3 CubeSats 1U lancés depuis l’ISS
Expedition 38 Crew, NASA,@ APOD 6-jan-2014


Définition du CubeSat

Illustration : Famille - SmallSat, NanoSat et CubeSat

Dans la famille des nanosatellites, le format « CubeSat » correspond à un standard défini par des universités américaines en 1999 pour faciliter l’accès à l’espace pour les étudiants. La taille des CubeSats est normalisée. L’unité de base, dite 1U, est un cube de de 10 cm de côté et 1.3 kg. Le standard a été porté à 2U puis 3U (volume et masse de 2 ou 3 cubes superposés). Désormais des formats de 4U ou de N x 3U sont proposés. L’idée du « standard » reste toujours la même : simplifier au maximum la réalisation du CubeSat en imposant sa forme extérieure, qui permet de s’adapter à un « déployeur » lui aussi standard qui fait l’interface avec les lanceurs, selon les exigences de qualité et de sûreté traditionnelles du spatial.

Ce standard simplifie grandement la réalisation et le lancement de satellites. En 15 ans, il a conduit à la réalisation de centaines de CubeSats, dont le premier français a été « Robusta » en 2012, conçu par l’université de Montpellier.

Illustration : CubeSat

Le CubeSat est placé en position éteinte dans un déployeur fermé (P-POD ou équivalent) attaché à la fusée qui assure le lancement. Le CubeSat reste ainsi dans le déployeur jusqu’à son largage dans l’espace par ouverture du déployeur. Le largage déclenche la mise sous tension du CubeSat et donc le début de sa mission.

Trois types d’applications pour les nanosatellites

Il y a typiquement trois grandes familles d’applications pour les CubeSats et par extension pour toute l’échelle « nano », largement dominée par le standard CubeSat mais qui s’étend à tout satellite de moins de 50 kg.

Nanosat pédagogique (ou "éducatif") : 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.

Nanosat 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 "TRL" plus élevé, ce qui permettra de la proposer plus tard pour une mission spatiale scientifique encore plus ambitieuse et pas forcément au format nanosatellite.

Nanosat scientifique : le nanosat 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).

Par distinction avec les Nanosats pédagogiques, on parle souvent de nanosats "recherche" pour désigner aussi bien les nanosats scientifiques que technologiques.



CubeSat : un nouvel outil d’observation depuis l’espace

Dans les trois domaines d’exploration d’ESEP, les CubeSats vont apporter plus de souplesse pour l’acquisition de données depuis l’espace. En météorologie de l’espace, il est par exemple utile de mesurer la propagation d’un flux de particules solaires en deçà et au-delà de l’orbite terrestre. En planétologie, il faut souvent aller sur place, pour découvrir, explorer et comprendre ces autres objets différents de la Terre. Le signal des exoplanètres est tellement faible qu’il faut pouvoir observer plusieurs jours dans la direction des étoiles et de s’affranchir de l’alternance du jour et de la nuit que nous subissons sur Terre.

Nos trois thèmes de recherche :

Les efforts d’accompagnement d’ESEP, principal promoteur de C²ERES avec l’université PSL, portent sur la stimulation de la communauté scientifique française en faveur du standard CubeSat et de ce qui s’y rattache à l’échelle des nanosatellites. C²ERES adopte les trois thèmes de recherche du Labex ESEP :

  1. Comprendre comment le Soleil interagit avec la Terre, jusqu’à perturber nos satellites
  2. Explorer l’extrème diversité de notre système solaire
  3. Découvrir les systèmes planétaires autour des autres étoiles


CubeSats et Innovation

On estime à 1 million d’euros, lancement inclus, le coût total d’un CubeSat 3U « étudiant », avec un coût humain très inférieur à celui de l’ingénierie spatiale professionnelle, pour une orbite basse terrestre. Déjà plusieurs centaines de CubeSats ont été lancés et les projets de constellations de CubeSats font leur apparition. L’expansion rapide de ce format en fait un secteur économique à part entière où l’on trouve aussi bien des sous-systèmes que des prestations, depuis l’ingénierie jusqu’aux opérations, en passant bien sûr notamment par les lancements en « piggy-back » c’est-à-dire en passagers secondaires d’un lancement de satellite traditionnel.

Les CubeSats représentent ainsi un marché prometteur et une opportunité de création de startups très diverses.



Echelle TRL (Maturité de l’instrumentation)

Une référence utilisée par toutes les agences spatiales est l’échelle TRL (Technology Readiness Level). Elle sert à résumer en un chiffre le degré de maturité technologique d’un nouvel instrument ou simplement d’un composant qui le constitue.

Cette échelle décrit un niveau de maturité dans un contexte donné. TRL 0 est en général associé à un simple concept, par exemple l’idée de se repérer autour de la Terre en écoutant les signaux GPS. Pour retenir un instrument dans une mission spatiale traditionnelle, il est communément admis que le niveau TRL 5 doit être atteint avant le passage en phase B (phase de définition détaillée). TRL 9 désigne une technologie parfaitement maîtrisée et qui a déjà volé, par exemple la démonstration dans l’espace d’un sous-système parfaitement rôdé qui sait utiliser les signaux GPS pour déterminer à bord la position du satellite sans assistance du sol.



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