Depuis quelques années, on parle de cubesats ou de nanosats comparativement aux satellites « conventionnels » et ils sont souvent les charges utiles secondaires de nombreux lancements. Mais qu’est-ce que c’est ? Quels sont leurs avantages, leurs inconvénients ? Loin de se vouloir exhaustif, voici un condensé de cette (r)évolution technologique dans le domaine des satellites.

Post initialement publié en mai 2016 et mis à jour le 18/08/2018

Cubesat : c’est quoi ?

Un CubeSat est un satellite de moins de 1,33 kg selon la définition officielle, de 10×10×10 cm ou « 1U », et utilisant généralement des composants commerciaux « sur étagère » (COTS, Commercial On The Shell) pour son électronique de vol notamment. Les premiers cubesats ont été développés par la California Polytechnic State University (Cal Poly) et l’Université de Stanford, dès 1999. Ils ont développé les spécifications auxquelles les fabricants de cubesats doivent se référer.

On trouve communément des Cubesats assemblés par 2, les « 2U » ou par 3, les « 3U », 30 x 10 x 10 cm, sur un seul axe. Mais il existe des Cubesats 1,5U et même 6U ou 12U qui pèsent alors jusqu’à 15 kg.

Un Nanosat est, par définition, un satellite pesant moins de 10 kg.

Intérêts / inconvénients des cubesats

En normalisant la géométrie, les composants, et les interfaces, le modèle CubeSat a diminué le coût de la construction d’un petit satellite. De plus, ils peuvent être développés en quelques mois ou quelques années contrairement aux satellites habituels dont le développement s’échelonne sur plusieurs années.

Par contre, du fait de leur conception (électronique non fiabilisée par exemple), le risque d’un cubesat non fonctionnel ou dysfonctionnant est élevé. La durée de vie d’un cubesat est de quelques mois à 3 ans environ selon les composants embarqués et l’orbite.

Les universités, principaux fabricants de cubesats.

En 10 ans, ce sont près de 500 cubesats qui ont été lancés et fabriqués. La majorité des cubesats sont fabriqués par des universités et des laboratoires scientifiques.

Les grandes agences spatiales comme la NASA, l’ESA ou en France, le CNES, s’associent aux universités ou grandes écoles d’ingénieurs, et aux laboratoires pour le développement de cubesats. Cela permet de sensibiliser les étudiants à la logique de développement de projets spatiaux et à leur mise en œuvre (conduite de projet, coopération avec des universités ou écoles d’autres pays, plan de développement, lancement, exploitation des données,…) et cela favorise la promotion du spatial. En France, par exemple, le CNES s’est associé aux universités de Montpellier ou de Paris Diderot, à l’Ecole Polytechnique, à l’ISAE (ex Supaero) de Toulouse, etc…

Pour certains pays, c’est la porte d’entrée du monde spatial. Par exemple, la Slovaquie devenue le neuvième pays à signer l’accord européen d’État coopérant avec l’ESA en février 2015, a développé son premier satellite, ‘skCube‘, un cubeSat dédié à la recherche et aux technologies spatiales qui a décollé à bord de la PSLV-C38 en juin 2017. Plus récemment c’est le Bhoutan et les Philippines qui ont lancé leurs premiers cubesats depuis l’ISS.

Quelles missions pour les cubesats ?

Les principales missions des cubesats sont dédiées à des applications terrestres ou à la démonstration de nouvelles technologies.

Exemples d’applications terrestres :

• mesurer des paramètres de l’environnement terrestre
• faire des images de la Terre (différentes résolutions et bandes spectrales)
• localiser des véhicules terrestres (bateaux, camions,…),

Démonstrateurs en orbite de nouvelles technologies : matériaux, capteurs, instruments, système de contrôle d’attitude, calculateur embarqué, systèmes de communication radio fréquence, propulsion,… comme par exemple la voile solaire de LightSail ou Tomsk-TPU 120 monté à bord de l’ISS par le cargo Progress MS-02.

Mais on voit apparaître des missions d’exploration du système solaire, ou d’observation de l’univers.

Pour ne citer que quelques exemples :

• Eye-Sat, un cubesat 3U, est la première mission dédiée à l’observation de la lumière zodiacale (lumière produite par la réflexion de la lumière du Soleil par les particules de poussière du milieu interplanétaire présentes dans le système solaire) qui devrait être lancé fin 2018 ou début 2019 [lire aussi EYE-SAT : cet oeil observera la poussière cosmique].
• Picsat pour l’observation du transit de l’exoplanète Beta Pictoris b devant son étoile. Il a été lancé par une fusée PSLV le 13 janvier 2018 mais le contact a été perdu avec le satellite le 20 mars.

• Mars Cube One (MarCO), 2 cubesats 6U à destination de Mars. Co-passagers de la mission Insight, lancés le 5 mai 2018, ils sont devenus la première mission interplanétaire intégrant des cubesats.

Ces dernières années, après les universités, certains industriels en ont fait des satellites commerciaux.

Planet est le plus grand exploitant de cubesats actuellement. Près de 150 cubesats de la constellation « Flock  » ont été lancés à ce jour (certains déjà désorbités) sur une orbite basse qui permet une revisite de chaque point de la Terre tous les jours.

De nouvelles constellations de cubesats devraient voir le jour dans les années à venir.

Les méthodes de lancement des cubesats

Les cubesats sont actuellement lancés dans l’espace par 2 moyens principaux : en charges utiles secondaires des lanceurs classiques (Soyouz, Ariane 5, Dnepr, Atlas V, PSLV, …) ou bien à partir de la Station Spatiale Internationale via leur embarquement dans les cargos de ravitaillement.

Dans le premier cas, cela représente environ 90% des cubesats lancés à ce jour. Ils profitent ainsi de coût réduit de lancement, le satellite le plus gros payant généralement la plus grande partie du prix du lancement.

Le record de cubesats lancés en même temps a été réalisé le 15 février 2017 avec une fusée indienne PSLV et 103 cubesats (le record précédent était détenu par une fusée Dnepr avec une trentaine de cubesats à bord, en juin 2014).

Les cubesats sont installés à bord d’un « déployeur », appelé P-POD (Poly-Picosatellite Orbital Deployer), lui-même monté sur l’étage supérieur du lanceur. Une fois le signal approprié à bord du lanceur, le déploiement est activé.

Sur cette vidéo d’ULA, grâce à une caméra embarquée, on peut voir à partir de 1’08 le déploiement de 6 des 13 cubesats à bord du lancement Atlas 5 du 8 octobre 2015 :

Le 25 avril 2016, 3 cubesats ont été déployés dans l’espace à partir d’une Soyouz lancée depuis le port spatial européen en Guyane.

Depuis la Station Spatiale Internationale, les cubesats sont envoyés dans l’espace grâce au Small Satellite Orbital Deployer (SSOD) développé par la société Nanoracks. Ce « déployeur » est installé dans le module japonais Kibo de l’ISS et peut lancer des cubesats d’une taille de 1U à 6U.

Dans la vidéo suivante, on peut voir l’astronaute Andrew Morgan, procéder au chargement du déployeur. Une fois les cubesats chargés, le déployeur est placé dans le sas du module, puis le bras robotique du module Kibo s’empare du déployeur pour permettre le lancement des cubesats hors d’une zone dangereuse pour l’ISS.

Pour les plus gros satellites, c’est le système de déploiement Kaber (Kaber Microsatellite Deployer) qui est utilisé.

Sinon il y a aussi le déploiement manuel des cubesats par un cosmonaute lors d’une sortie spatiale : Photos/vidéo du jour : sortie spatiale russe – Expedition 40 #ISS

Pour compléter :

• CNESMAG 77
• Les cubesats en vidéo (et en anglais) :

• Une vidéo promotionnelle de Nanoracks qui montre en schéma le déploiement depuis l’ISS :

• Infographie