Amandine DENIS Satellite Engineering Mai 2008
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
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
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
1. De Spoutnik aux CubeSats 1.3. Changements politiques Satellites : + gros + chers - nombreux Accès à l espace difficile 5
1. De Spoutnik aux CubeSats 1.4. 70 s et 80 s : VLSI (Very Large Scale Integration) 1 ers micro-satellites Surrey (SSTL) : UoSAT-1 (OSCAR 9) UoSAT-2 (OSCAT 11) 6
1. De Spoutnik aux CubeSats 1.5. 90 s : «Smaller, faster, cheaper!» NASA : programme SMEX (Small Explorer) lancements fréquents recherches scientifiques 180-250 kg ~ 35.000.000 $ 1992-1999 7
1. De Spoutnik aux CubeSats 1.6. Les années 2000 : émergence des CubeSats 8
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
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
2. Caractéristiques-clés des petits satellites Classification Classe «Grands» «Petits» Mini- Micro- Nano- Pico- Masse (kg) > 1000 500-1000 100 500 10 100 1 10 < 1 Coût (M ) > 130 32-130 9-32 1,3-9 0,13 1,3 < 0,13 11
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
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
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
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
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
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
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 1 0.2 ~ 100kg - 600 x 600 x 500 mm - + grands panneaux solaires - emplacements pour charge utiles externes et interne, flexible - ADCS 3axes complet < 0.2 18
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
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 2000 2000 : 6 pico-sats (~250 500g) 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
3. Plates-formes développées par le SSTL 21
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
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
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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
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6. Applications Télécommunications LEO : + + proches - de pertes délais + courts Grands Doppler Variations de la liaison Interactions entre satellites - Internet : Armée américaine (dès 1985) SSTL : e-mail pour équipes médicales dans le Tiers-Monde 27
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
6. Applications Applications technologiques Faible coût Développement rapide Risques acceptables Moyen rapide de tester de nouvelles technologies en orbite 29
6. Applications Observation de la Terre Micro-satellites CCD µ-processeurs «révolution» de la télédétection : satellites + nombreux temps de revisite + court 30
6. Applications Applications militaires Facteur principal du développement des petits satellites Compromis entre approche militaire et approche «cost-effective» Confidentialité des projets 31
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
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
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
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