CubeSat

Une des principales difficultés à laquelle est confrontée la conception d'un CubeSat est le recours à une propulsion capable de fournir un Delta-v suffisant malgré le faible volume disponible. Plusieurs modes de propulsion sont mis en œuvre selon les missions : propulsion à gaz froid, propulsion à ergols liquides, moteur ionique, propergol solide.

La propulsion à gaz froid est une technique de propulsion spatiale utilisées par les engins spatiaux pour effectuer de petites corrections d'orientation ou de vitesse. Un propulseur à gaz froid utilise un gaz stocké sous haute pression qui est simplement libéré dans une tuyère, laquelle permet d'orienter la poussée exercée.

Le moteur-fusée à ergols liquides est un type de moteur-fusée utilisant des ergols liquides pour son fonctionnement. Comme les moteurs-fusées à propergol solide ou hybride, ce type de propulsion exploite l'énergie chimique contenue dans les ergols qui est libérée soit par réaction exothermique d'un comburant et d'un combustible soit par décomposition. Comme tous les moteurs-fusées, il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par la réaction chimique à l'opposé de la direction du déplacement souhaité et il peut fonctionner dans le vide car il ne prélève pas son comburant dans l'environnement extérieur.

Pour remplir les objectifs de certaines missions à destination d'orbite haute ou de l'espace interplanétaire, il est nécessaire de modifier la vitesse de plusieurs centaines de mètres par seconde. La plupart des types de propulsion spatiale permettent d'atteindre cette performance ont soit une masse ou un volume trop importants, soit sont trop complexes pour rentrer dans le volume d'un CubeSat. Pour propulser Lunar IceCube (lancement en 2020), un moteur ionique d'une poussée de 0,8 millinewton avec une impulsion spécifique de 2 130 secondes a été choisi. Le volume disponible est mal adapté à un réservoir pressurisé (sphérique) utilisé pour stocker le xénon ergol utilisé d'habitude pour les moteurs ioniques. Le fournisseur du moteur ionique (Busek) a choisi d'utiliser comme ergol du diiode car celui-ci est stocké à l'état solide (donc non pressurisé) tout en disposant d'une masse molaire (facteur ayant un impact directement sur le rendement du moteur) de 127 g proche de celle du xénon (130 g). La poussée est limitée par la quantité d'énergie disponible (environ 65 watts). Le CubseSat emporte 1,5 kg d'ergols qui lui permettent d'accélérer (Δv) de 1,2 km/s. Le moteur peut être orienté et faire un angle de 10° avec l'axe du satellite[6] - [7].

Le moteur-fusée à ergols liquides est un type de moteur-fusée utilisant des ergols liquides pour son fonctionnement. Comme les moteurs-fusées à propergol solide ou hybride, ce type de propulsion exploite l'énergie chimique contenue dans les ergols qui est libérée soit par réaction exothermique d'un comburant et d'un combustible soit par décomposition. Comme tous les moteurs-fusées, il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par la réaction chimique à l'opposé de la direction du déplacement souhaité et il peut fonctionner dans le vide car il ne prélève pas son comburant dans l'environnement extérieur.

Par défaut, un CubeSat après son éjection dans l'espace va se mettre à tournoyer du fait des forces dysimétriques appliquées par le système de déploiement. Certains CubeSats peuvent fonctionner sans que l'orientation soit stabilisée mais pour une majorité d'entre eux il est nécessaire que l'orientation soit à la fois stabilisée connue et maintenue à une certaine valeur : il faut par exemple maintenir des panneaux solaires orientés vers le Soleil de manière à fournir le maximum d'énergie, tourner une caméra ou un appareil scientifique vers sa cible (Terre, Soleil étoile...) ou orienter une antenne de manière à optimiser le débit de données transmises.

Les différents types d'équipement utilisés pour le contrôle d'attitude sur des satellites de plus grande taille (gyroscope, accéléromètre, viseur d'étoiles, capteur solaire, capteur d'horizon de Terre, magnéto-coupleur, roue de réaction, moteur de contrôle d'attitude) sont utilisés. Mais ils sont fortement miniaturisés pour tenir dans le volume et l'enveloppe de masse des CubeSats tout en consommant un minimum d'énergie. Leurs performances (notamment la précision du pointage) sont impactées par la réduction de leur taille. Les technologies utilisées en 2021 sont relativement matures et les performances de ces équipements ne devraient progresser que de manière réduite.

Pour les satellites circulant sur une orbite terrestre basse (champ magnétique terrestre élevé), le recours aux magnétomètres pour déterminer l'orientation du CubeSat et au magnéto-coupleur pour corriger l'orientation est bien adapté aux contraintes de masse et d'énergie des CubeSats. La roue de réaction est également souvent utilisée pour corriger l'orientation car elle fournit un couple important en ne consommant que peu d'énergie. Leur utilisation se heurte toutefois à la nécessité de les désaturer périodiquement. Les fabricants proposent des équipements remplissant l'ensemble des fonctions d'un système de contrôle d'attitude par exemple combinant un viseur d'étoiles, un magnétomètre trois axes, trois roues de réaction et trois magnéto-coupleurs.

Les CubeSats utilisent des cellules solaires pour convertir l'énergie solaire en électricité. Celle-ci est ensuite stockée dans des batteries lithium-ion rechargeables qui fournissent de l'énergie pendant des éclipses ainsi que pendant les périodes de pointe[10].

Le faible coût de CubeSats a permis un accès sans précédent à l'espace pour les petites institutions et organisations, mais, pour la plupart des formulaires CubeSat, la portée et la puissance disponible sont limitées. En raison du tumbling et de la faible portée de puissance, les radiocommunications sont un défi pour les CubeSats.

• RaInCube (Radar In a CubeSat) est un CubeSat 6U développé par le JPL qui teste un radar miniaturisé. Le lancement a eu lieu en 2018.
• ASTERIA (Arcsecond Space Telescope Enabling Research in Astrophysics), lancé en 2017, est un CubeSat 6U du Massachusetts Institute of Technology embarquant un télescope. Il a testé avec succès un système de pointage dont la précision est de l'ordre de la seconde d'arc[17].
• DeMi (Deformable Mirror Demonstration Mission) est un CubeSat 6U qui embarque un télescope destiné à tester une optique adaptative reposant sur l'utilisation de MEMS[18]..

Le laboratoire de Los Alamos a développé trois séries de CubeSats 1,5U — Perseus (2010), Prometheus v1 (2013), Promotheus v2 (2017-2018) — pour tester les transferts de données par nano-satellites entre des personnes équipées des terminaux portables et des stations terriennes mobiles[19].

LignoSat est un prototype de CubeSat 1U développé par l'université de Kyoto pour un usage radioamateur classique. Sa particularité est d'avoir une structure extérieure en bois, conçue en partenariat avec l'entreprise Sumitomo Forestry (en). Le lancement est prévu pour juillet 2023 depuis l'ISS[20] - [21]. Il est prévu d'instrumenter le satellite pour étudier la réponse du matériau bois aux contraintes spatiales[22]. Un avantage secondaire attendu est une combustion complète de la structure en fin de vie lors de la rentrée atmosphérique du satellite, en minimisant la pollution par des résidus toxiques[23] - [24].

LightSail-1 est un démonstrateur technologique (CubeSat 3U) propulsé par une voile solaire. Il a été lancé le 20 mai 2015 à partir de Cap Canaveral (Floride). Ses quatre voiles sont faites d'une très fine pellicule de Mylar et ont une superficie totale de 32 m². Ce test avait pour but de permettre de démontrer qu'une voile solaire pouvait être utilisée pour une mission principale en 2016[25].

Dove est une constellation de 200 CubeSats 3U (satellites actifs courant 2018) fournissant des images avec une résolution spatiale de 3 à 5 mètres[26].

QB50 est une constellation d'une quarantaine de CubeSats 2U développés par différents instituts de recherche européens dont l'objectif est l'étude de la thermosphère. Chaque nanosatellite emporte un des trois instruments de mesure définis dans le cadre d'un cahier des charges : spectromètre de masse des ions neutres , expérience F de mesure de l'oxygène, Sonde de Langmuir. Cette constellation est en cours de déploiement en 2018[27].

TROPICS (Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of Smallsats) est une constellation de 12 CubeSats 3U embarquant un radiomètre orientable pour fournir une mesure de la température et de l'humidité avec une résolution temporelle particulièrement fréquente. Ce projet, sélectionné par la NASA en 2016, doit être déployé en 2019[28].

• MinXSS (Miniature X-ray Solar Spectrometer CubeSat) (lancé en 2015) est un CubeSat 3U financé par la NASA qui emporte un spectromètre rayons X pour l'observation des éruptions solaires
• HaloSat est le premier CubeSat destiné à l'astronomie financé par la NASA. Lancé en 2018 il doit mesurer la masse des gaz chauds dans notre galaxie.
• Colorado Ultraviolet Transit Experiment est un CubeSat 6U financé par la NASA qui doit déterminer les caractéristiques des atmosphères des exoplanètes et mesurant leur courbe spectrale dans l'ultraviolet proche. Il est lancé le 27 Septembre 2021.
• PicSat (2018) est un Cubesat 3U qui embarque un petit télescope pour tenter de mesurer les caractéristiques d'une exoplanète par la méthode des transits. Il est développé par plusieurs laboratoires menés par l'Observatoire de Paris[29].
• MarCO (2018) satellite de format CubeSat 6U de la NASA utilisé de manière expérimentale comme relais de télécommunications dans le cadre d'une mission vers Mars[30]
• SPARCS (Star-Planet Activity Research CubeSat) est un CubeSat 6U embarquant un télescope ultraviolet qui doit observer les variations d'intensité du rayonnement ultraviolet de 10 étoiles de faible masse. Le satellite est financé par la NASA et son lancement est prévu en 2021[31].
• Inspire (Interplanetary NanoSpacecraft Pathfinder In a Relevant Environment) sont deux CubeSat 3U de la NASA destinés à tester des fonctions mises en œuvre dans l'espace interplanétaire [32].
• BurstCube est un CubeSat 6U financé par la NASA et dont le lancement est prévu vers 2021 qui doit détecter les sursauts gamma.
• CAPSTONE (Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment) est un CubeSat 12U financé par la NASA dont l'objectif est de tester l'orbite lunaire NRHO de la future station spatiale Lunar Gateway. Son lancement est prévu en 2021 à bord d'une fusée Electron[33].

Treize CubeSats 6U, embarqués en tant que charge utile secondaire, doivent être placés dans l'espace interplanétaire par la fusée Space Launch System dans le cadre de la mission Artemis 1 organisée par la NASA et planifiée en 2020. Parmi ces nano-satellites figurent :

• Lunar IceCube, un CubeSat 6U de la NASA, qui sera le premier satellite de cette taille embarquant un moteur ionique. Celui-ci, d'une poussée d'un millinewton, a une impulsion spécifique de 2 130 secondes et utilise comme ergol de l'iodine. Le CubeSat emporte un spectromètre miniaturisé qui doit lui permettre d'analyser les volatiles à la surface de la Lune[6] ;
• Lunar Flashlight, un CubeSat 6U de la NASA qui doit se placer sur une orbite particulièrement basse autour de la Lune et utiliser un laser fonctionnant en proche infrarouge pour permettre à un spectromètre embarqué d'effectuer des mesures des volatiles (dont l'eau) présents dans les régions polaires restant en permanence à l'ombre[34] ;
• Lunar Polar Hydrogen Mapper, un CubeSat 6U de la NASA qui doit se placer sur une orbite basse autour de la Lune et utiliser un détecteur de neutrons à scintillation pour mesurer la proportion d'hydrogène présente dans la couche superficielle de la surface de la Lune et en déduire la proportion d'eau[35] ;
• Near-Earth Asteroid Scout, un CubeSat 6U de la NASA qui utilise une voile solaire pour effectuer un survol de l'astéroïde géocroiseur 1991 VG [36] ;
• OMOTENASHI, un CubeSat 6U développé par l'agence spatiale japonaise (JAXA) qui doit démontrer la faisabilité d'un atterrisseur lunaire de très petite taille. Pour se poser sur la Lune l'engin utilise un moteur à propergol solide de 6 kg et un airbag (vitesse d'atterrissage 60 m/s)[37].;
• EQUULEUS, un CubeSat 6U développé conjointement par l'Université de Tokyo et l'agence spatiale japonaise (JAXA) qui doit mesurer la distribution du plasma dans l'environnement spatial de la Terre et valider l'utilisation de trajectoires à faible énergie pour se déplacer à proximité du point de Lagrange L₂ du système Terre-Lune[37] ;
• LICIACube, un cubesat 6U développé par l'agence spatiale italienne destiné à renvoyer des images de l'impact de la mission DART à la surface de la lune de l'astéroïde (65803) Didymos.

• (en) Centre de recherche Ames de la NASA, Small Spacecraft Technology - State of the Art, NASA, octobre 2021, 428 p. (lire en ligne)
  État de l'art des technologies utilisées sur les micro-satellites et nano-satellites en 2021 ; première publication en 2013 ; Référence : NASA/TP—20210021263
• (en) Akshay Reddy Tummala et Atri Dutta, « An Overview of Cube-Satellite Propulsion Technologies and Trends », Aerospace, vol. 2017-4, n^o 58,‎ mars 2017, p. 343-361 (DOI 10.3390/aerospace4040058, lire en ligne) — Synthèse sur les modes de propulsion étudiés pour les CubeSats en 2017
• (en) Evgenya L. Shkolnik, « On the verge of an astronomy CubeSat revolution », Nature Astronomy, vol. 2,‎ 3 septembre 2018, p. 374-378 (DOI 10.1038/s41550-018-0438-8, lire en ligne) — La révolution introduite par les CubeSats dans le domaine de la recherche astronomique spatiale
• (en) M. N. Sweeting, « Modern Small Satellites-Changing the Economics of Space », Proceedings of the IEEE,, vol. 106, n^o 3,‎ mars 2018, p. 343-361 (DOI 10.1109/JPROC.2018.2806218, lire en ligne) — Développement des satellites de petites tailles (état des lieux en 2018)
• (en) Arash Mehrparvar, CubeSat Design Specification rev 13, 2015, 42 p. (lire en ligne)
  Spécifications CubeSat de 20/2/14 (version 13)
• (en) Erik Kulu, « World's largest database of nanosatellites, over 3600 nanosats and CubeSats », sur Nanosats Database (consulté le 9 janvier 2023)
  Statistiques annuelles sur les CubSats et PicoSats lancés.

• Satellite artificiel
• Miniaturisation des satellites
• Liste des CubeSats

• (en) Site officiel
• Panorama réalisé par le CNES fin 2017 de l'activité mondiale et française dans le domaine des CubeSats
• (en) Liste des satellites de format CubeSat (dernière maj en 2009)
• (en) Liste à jour
• (en) Démonstrateurs technologiques financés par la NASA
• (en) Micropropulseurs de Vacco
• [vidéo] CUBESAT - Le FUTUR de l'exploration spatiale ! LDDE sur YouTube, chaine Hugo Lisoir.