Small-Satellite Engineering and Applications

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1 Amandine DENIS Satellite Engineering Mai 2008

2 Aperçu de la présentation 1. De Spoutnik aux CubeSats 2. Caractéristiques-clés des petits satellites 3. Plateformes développées par le SSTL 4. Opportunités de lancement 5. Opérations en orbite 6. Applications 7. Pico-satellites 8. Conclusions + pour/contre 2

3 1. De Spoutnik aux CubeSats 1.1. Nécessairement petits : Spoutnik-1 : 83,6 kg (1957, URSS) Explorer-1 : 13,97 kg (1958) Vanguard-1 : 1,47 kg (1958) TIROS 1 : 120 kg (1960) Alouette-1 : 145 kg (1962, Canada) Telstar-1 : 171 kg (1962) A-1 «Astérix» : 42 kg (1965, France) 3

4 1. De Spoutnik aux CubeSats 1.2. Besoins d espace de fonctionnalités de puissance volume masse budget mais limitations : Capacités des lanceurs Coût Technologies 4

5 1. De Spoutnik aux CubeSats 1.3. Changements politiques Satellites : + gros + chers - nombreux Accès à l espace difficile 5

6 1. De Spoutnik aux CubeSats s et 80 s : VLSI (Very Large Scale Integration) 1 ers micro-satellites Surrey (SSTL) : UoSAT-1 (OSCAR 9) UoSAT-2 (OSCAT 11) 6

7 1. De Spoutnik aux CubeSats s : «Smaller, faster, cheaper!» NASA : programme SMEX (Small Explorer) lancements fréquents recherches scientifiques kg ~ $

8 1. De Spoutnik aux CubeSats 1.6. Les années 2000 : émergence des CubeSats 8

9 1. De Spoutnik aux CubeSats 1.7. OSCAR s, les précurseurs Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio Dès 1961 (OSCAR-1, 4,5 kg)! Plus de 70 à ce jour! UoSAT-OSCAR-9 (1981) 9

10 1. De Spoutnik aux CubeSats 2. Caractéristiques-clés des petits satellites 3. Plateformes développées par le SSTL 4. Opportunités de lancement 5. Opérations en orbite 6. Applications 7. Pico-satellites 8. Conclusions 10

11 2. Caractéristiques-clés des petits satellites Classification Classe «Grands» «Petits» Mini- Micro- Nano- Pico- Masse (kg) > < 1 Coût (M ) > ,3-9 0,13 1,3 < 0,13 11

12 2. Caractéristiques-clés des petits satellites Philosophie de conception Particularités : Échéances rapides (12 18 mois) Faible coût Compromis concernant les résultats : 80% des capacités 20% du coût Composants COTS Technologies de pointe, peu de «flight heritage» Nécessité de concevoir autrement! 12

13 2. Caractéristiques-clés des petits satellites Philosophie de conception Nécessité de concevoir autrement! gestion du risque (>< réduction du risque) règles de bonnes pratiques test au niveau systèmes marges Keep It Simple! redondances gestion de projet efficace Petites compagnies ou équipes de recherche : + souples, + réactives,... 13

14 2. Caractéristiques-clés des petits satellites Composants COTS «Commercial Off The Shelf» Largement employés, typiques des petits satellites Composants conçus sur mesure ou qualifiés spatial Gain de temps Gain d argent À utiliser avec précautions! 14

15 2. Caractéristiques-clés des petits satellites Composants COTS Vide Plastic dégazage NON ou encapsulation Thermique 0-70 contrôle thermique (passif) + tests Radiations Single Events Effects» Single-Event Upset» Single-Event Latch-up Total Dose Effects Sollicitations mécaniques 15

16 1. De Spoutnik aux CubeSats 2. Caractéristiques-clés des petits satellites 3. Plateformes développées par le SSTL 4. Opportunités de lancement 5. Opérations en orbite 6. Applications 7. Pico-satellites 8. Conclusions 16

17 3. Plates-formes développées par le SSTL Micro-satellites Début 80 s : structure conventionnelle autour d une colonne de propulsion centrale Fin 80 s : design modulaire modules (électroniques) empilés 17

18 3. Plates-formes développées par le SSTL Micro-satellites ~ 10kg - 5 modules empilés - structure cubique - panneaux solaires sur les 6 faces - ADCS passif (aimants permanents) - antennes ~omnidirectionnelles ~ 50 kg - 4 panneaux solaires (~35W chacun) - stabilisation par gradient de gravité - amortissement électromagnétique actif - roues d inertie ~ 100kg x 600 x 500 mm - + grands panneaux solaires - emplacements pour charge utiles externes et interne, flexible - ADCS 3axes complet <

19 3. Plates-formes développées par le SSTL Mini-satellites Début 90 s : mini-satellites «classiques» quelques dizaines M $ fin 90 s : mêmes principes que micro-sats 6 M (~12M$) masse totale < 400 kg payload : 150 kg 1,2 m Ø X 1 m ADCS 3 axes (0,1 ) 300 W (moyenne) 1000W (pic) 19

20 3. Plates-formes développées par le SSTL Nano-satellites Vif intérêt militaire (USA) Programmes de recherche stimulés dans les universités (Standford, Quelques exemples fin 90 s (SPUTNIK-40, TUBSAT, ) Surtout années : 6 pico-sats (~ g) déployés depuis le micro-sat OPAL 2000 : SNAP-1 - Conçu en 9 mois - 6,5 kg - propulsion à gaz froid (butane) - Machine Vison System (4 CMOS) inspection de satellites en orbite 20

21 3. Plates-formes développées par le SSTL 21

22 1. De Spoutnik aux CubeSats 2. Caractéristiques-clés des petits satellites 3. Plateformes développées par le SSTL 4. Opportunités de lancement 5. Opérations en orbite 6. Applications 7. Pico-satellites 8. Conclusions 22

23 4. Opportunités de lancement lancement bon marché : indispensable au concept de petit satellite! solution : charge utile secondaire («piggy-back») au début, lancements offerts par les USA ou l URSS mais rares et imprévisibles 1988 : ASAP (Ariane Structure for Auxiliary Payloads) - Commercial - microsatellites (~50kg) - LEO et GTO lanceurs russes (Tsyklon, Zenit, Cosmos) ICBM (missiles balistiques intercontinentaux) DNEPR (10 lancements, 9 ok) PSLV (Inde) 23

24 1. De Spoutnik aux CubeSats 2. Caractéristiques-clés des petits satellites 3. Plateformes développées par le SSTL 4. Opportunités de lancement 5. Opérations en orbite 6. Applications 7. Pico-satellites 8. Conclusions 24

25 5. Opérations en orbite Temps de passage très court (~1h/jour) Grande autonomie du satellite (quantité de software à bord >> satellite conventionnel) Station sol compacte et bon marché : - PCs - automatisée 25

26 1. De Spoutnik aux CubeSats 2. Caractéristiques-clés des petits satellites 3. Plateformes développées par le SSTL 4. Opportunités de lancement 5. Opérations en orbite 6. Applications 7. Pico-satellites 8. Conclusions 26

27 6. Applications Télécommunications LEO : + + proches - de pertes délais + courts Grands Doppler Variations de la liaison Interactions entre satellites - Internet : Armée américaine (dès 1985) SSTL : pour équipes médicales dans le Tiers-Monde 27

28 6. Applications Applications scientifiques Développement rapide Bon marché Petites missions précises Test de concepts avant une mission de grande envergure Opportunités pour jeunes scientifiques/ingénieurs 28

29 6. Applications Applications technologiques Faible coût Développement rapide Risques acceptables Moyen rapide de tester de nouvelles technologies en orbite 29

30 6. Applications Observation de la Terre Micro-satellites CCD µ-processeurs «révolution» de la télédétection : satellites + nombreux temps de revisite + court 30

31 6. Applications Applications militaires Facteur principal du développement des petits satellites Compromis entre approche militaire et approche «cost-effective» Confidentialité des projets 31

32 1. De Spoutnik aux CubeSats 2. Caractéristiques-clés des petits satellites 3. Plateformes développées par le SSTL 4. Opportunités de lancement 5. Opérations en orbite 6. Applications 7. Pico-satellites 8. Conclusions 32

33 7. Pico-satellites Miniaturisation : Multimédia (ordinateurs, GSM, caméra digitales, ) Électronique (systèmes mono-puce) MEMS Production à la chaîne de minuscules satellites sophistiqués lancés par milliers? 33

34 1. De Spoutnik aux CubeSats 2. Caractéristiques-clés des petits satellites 3. Plateformes développées par le SSTL 4. Opportunités de lancement 5. Opérations en orbite 6. Applications 7. Pico-satellites 8. Conclusions 34

35 8. Conclusions Satellites radio-amateurs + COTS = concept de microsatellites «modernes» 90 s : commercialisation Plus large accès à l Espace Petit bon marché - Faster, better cheaper - Petit(e)s groupes/compagnies Philosophie globale Miniaturisation, MEMS Évolution future? 35