Alai

Tout ce que je demande, c’est un lancement réussi, un signal radio propre, et une vie juste assez longue pour atteindre cet objectif.

Si les ballons à haute altitude ne sont tout simplement pas assez hauts, si vous vous sentez frustré par le rythme du développement spatial, ou si vous aimez juste vraiment, vraiment les fusées et le matériel, je pense que lancer votre propre satellite est une excellente décision. Mais d’abord, que voulez-vous que fasse votre satellite ? Voici 7 choses essentielles que vous devez savoir avant de lancer votre engin spatial personnel en orbite à 17 000 miles à l’heure.

Qu’est-ce qu’un picosatellite?

Les picosatellites, par définition, sont des satellites extrêmement petits et légers. Tout picosatellite aura tendance à avoir ces composants de base :

• Une antenne
• Un émetteur radio pour la liaison montante des commandes ou le téléchargement de vos données
• Un ordinateur sur puce tel qu’un Arduino ou un Basic-X24
• Un système d’alimentation, le plus souvent des cellules solaires plus une batterie plus un bus d’alimentation
• Des capteurs

Le géniteur de la classe pico est le CubeSat, une architecture open source qui vous permet d’emballer tout ce que vous voulez dans le cube de 10cm × 10cm × 10cm.

Le CubeSat est un satellite aussi mignon qu’une citrouille. Forbes a fait état d’un vendeur, Pumpkin Inc, qui fournit des CubeSats préfabriqués. Le CubeSat lui-même est une spécification, pas une pièce de matériel sur étagère, donc Pumpkin a décidé de pré-construire des kits et de les vendre. Si vous avez votre propre fusée pour lancer votre CubeSat, pour 7 500 dollars, ils vous vendront un kit CubeSat.

Ceci est parfaitement parallèle au TubeSat d’InterOrbital Systems. InterOrbital Systems (IOS) a l’avantage sur le plan du rapport prix/performance, car il offre le lancement pour le même coût. Mais il semble que ni IOS ni Pumpkin ne fournissent de pré-modèles, seulement des kits. Il y a donc encore du travail d’amateur, mais les kits suppriment le besoin d’ingénierie et laissent juste la partie amusante de l’assemblage et de l’intégration.

TubeSats et CubeSats sont légèrement différents, bien sûr, et je suis follement heureux que les deux avancent l’idée de kits de plate-forme. C’est un grand pas en avant dans la marchandisation de la recherche spatiale. Même si le mini CubeSat ressemble étrangement à une boîte Hellraiser Lemarchand.

Combien cela coûte-t-il de lancer ?

Si vous construisez un CubeSat, sécuriser une fusée pour le lancer n’est pas difficile, simplement coûteux. Le coût d’un lancement typique d’un CubeSat est estimé à 40 000 $. Plusieurs fournisseurs commerciaux promettent de futures fusées CubeSat, à condition qu’ils achèvent leur développement. Divers projets de la NASA et de la Station spatiale internationale acceptent certaines propositions utilisant l’architecture CubeSat. Il y a plus d’entreprises qui se lancent dans les lancements privés chaque année, donc les perspectives d’obtenir un lancement deviennent plus robustes.

L’architecture TubeSat d’InterOrbital Systems est un schéma alternatif. Actuellement uniquement soutenue par InterOrbital, elle est très rentable. Vous obtenez les schémas, les principaux composants matériels et un lancement sur leur fusée encore en développement pour le prix unique de 8 000 dollars. Un TubeSat utilise une architecture hexagonale légèrement plus longue, de 12 cm de longueur et de 4 cm de diamètre.

Vous pouvez également travailler avec une architecture personnalisée si vous avez accès à un lancement de fusée (par le biais d’un collège ou d’une université, peut-être), mais actuellement les deux principaux acteurs sont la spécification ouverte CubeSat et l’alternative privée TubeSat.

Où est l’orbite ?

Où ira votre picosatellite ? Il est presque acquis que votre picosatellite ira en orbite basse (LEO), une large bande allant d’environ 150 km à peut-être 600 km. C’est dans cette région que se trouvent de nombreux satellites scientifiques et la Station spatiale internationale (ISS). Elle se trouve dans et sous l’ionosphère, la partie très, très fine de l’atmosphère qui coïncide également avec une grande partie du champ magnétique terrestre.

Le champ magnétique terrestre nous protège de l’activité la plus féroce du Soleil. Les particules à haute énergie, les émissions d’éruptions et les éjections de masse coronale (CME ; en gros, des blobs de matière solaire) sont déviés par le champ magnétique avant d’atteindre le sol. Là où les lignes du champ magnétique plongent près des pôles, cette énergie s’exprime sous forme d’aurore.

Au-dessus de l’ionosphère, l’environnement spatial peut être hostile en raison de l’activité solaire. En dessous, les risques de radiation sont beaucoup plus faibles. C’est pourquoi l’ISS est maintenue en LEO. LEO est, à la base, aussi sûr que l’espace peut l’être. C’est également là que votre picosatellite est susceptible de vivre.

Une orbite LEO typique a une période d’environ 90 minutes. C’est-à-dire qu’elle tourne autour de la Terre une fois toutes les 90 minutes, effectuant environ 15 orbites par jour. Les orbites peuvent être positionnées près de l’équateur de la Terre (orbites équatoriales) ou faire une boucle entre le pôle Nord et le pôle Sud (orbites polaires). De même, les orbites peuvent être presque circulaires, ou être fortement excentriques – se rapprocher de la Terre à une extrémité de l’orbite, puis s’éloigner à l’autre.

Combien de temps durera mon satellite ?

Votre orbite est entièrement déterminée par ce que votre fournisseur de fusées vous a vendu. Au niveau des amateurs, vous allez très probablement obtenir une orbite standard presque circulaire de 250 km environ, soit équatoriale ou polaire. Une telle orbite dure (à cause de la traînée de l’ionosphère ténue) de 3 à 16 semaines avant que le satellite ne subisse une rentrée ardente.

A des masses de picosatellites, cela signifie que votre satellite va monter et ne pas revenir. Vous avez moins de trois mois pour recueillir des données. Le picosatellite se vaporisera alors, essentiellement, proprement lors de la rentrée (pas de risque de débris spatiaux !)

Comment est le temps là-haut ?

Conditions et viabilité des LEO

L’ionosphère est appelée ainsi car c’est un plasma très fin d’atomes (ions) et d’électrons chargés électriquement, en raison du rayonnement ultraviolet (UV) du Soleil. Techniquement, elle s’étend d’environ 50 km à plus de 1 000 km (merci Wikipédia !), mais les LEO commencent à 150 km – en dessous, il est impossible de maintenir une orbite stable. L’ionosphère, comme nous l’avons mentionné, est déterminée par l’activité solaire. La partie qui fait face au Soleil est plus ionisée ; de plus, l’activité solaire peut fortement influencer son comportement. Il existe également des creux dans la ligne de champ magnétique, ce qui entraîne une augmentation des radiations à des altitudes plus basses. Nous avons mentionné les pôles, et des régions telles que l’anomalie de l’Atlantique Sud (SAA) ont également des lignes de champ qui plongent plus bas.

Si vous envoyez des capteurs, vous voudrez vous assurer de deux choses :

• Ils ont un niveau de sensibilité approprié au niveau du signal que vous essayez de mesurer.
• Ils ont une plage dynamique qui vous permet d’extraire des données significatives.

Températures LEO

Une plaque de métal en LEO fera un cycle de -170°C à 123°C selon sa face solaire et son temps d’exposition au soleil. Si votre picosatellite tourne, cela égalisera un peu la répartition de la chaleur, mais c’est la plage à supposer. Une orbite a environ la moitié de son temps au soleil et l’autre moitié à l’ombre de la Terre, donc le comportement de la température vaut la peine d’être modélisé.

Puisque le picosatellite tourne, cette plage est heureusement plus petite (car la chaleur a le temps de se répartir et de se dissiper), et avec une orbite de 90 minutes, vous devriez passer par trois plages : trop froid pour enregistrer, des régions de transition où le capteur renvoie des données valides, qui changent lentement, et éventuellement une sursaturation à l’extrémité supérieure. Vous pouvez ajouter un réchauffeur si nécessaire – les satellites ont utilisé des réchauffeurs et des refroidisseurs en fonction de l’instrument et de l’orientation.

Donc, un capteur thermique (comme un capteur de la marque microDig Hot) qui couvre de -40°C à 100°C sera suffisant. La plage de -40°C à 100°C est une zone faisable à mesurer. De toute façon, au-delà de cette plage, le reste de l’électronique du satellite peut avoir des problèmes.

LEO Lumière

De même, un capteur de détection de lumière, pour un picosatellite en rotation, est susceptible de ne renvoyer qu’un signal binaire : Soleil super brillant en vue et Soleil non en vue. Tout ce qu’il mesurera sera donc le moment où le Soleil sera visible. La fonction des capteurs de lumière sera en grande partie binaire, pour capter les cycles soleil-obscurité pendant la rotation, ainsi que le cycle jour/nuit global de l’orbite. Si le satellite présente une légère inclinaison, c’est encore mieux. Ces capteurs de lumière fourniront une mesure de base de la position et de l’oscillation du satellite. Si vous voulez mesurer les niveaux de lumière réels, votre conception devra s’assurer que le Soleil ne sature pas votre détecteur.

Champs magnétique du LEO

L’ionosphère a une intensité de champ de l’ordre de 0,3-0,6 gauss, avec des fluctuations de 5%. Pour une orbite polaire, vous aurez une plus grande variabilité et des champs magnétiques plus élevés qu’une orbite équatoriale (car les lignes de champ magnétique de la Terre plongent près des pôles, d’où les aurores). Si vous voulez mesurer la fluctuation, et non l’intensité du champ, vous devez capturer des signaux de 0,06-0,1 gauss. Un capteur à effet Hall à 10 $ et un amplificateur opérationnel peuvent mesurer des variations jusqu’à 0,06 gauss s’il n’y a pas de champ magnétique externe important. En dessous de cela, le bruit des circuits de votre capteur, et non le capteur, sera probablement le facteur limitant.

Qu’en est-il des dommages causés par les particules (radiations) ?

La durée de vie de la mission est courte (moins de trois mois), donc vous n’avez pas besoin de vous inquiéter des dommages cumulatifs. J’avais l’habitude de faire des modèles de dommages par rayonnement à l’école, et il s’avère que l’électronique moderne est étonnamment robuste sur des échelles de temps courtes. Vous aurez principalement des perturbations à événement unique (SEP) qui brouillent un capteur ou un ordinateur, mais comme vous n’avez probablement pas besoin d’un temps de fonctionnement de 100 %, cela ne devrait pas être un problème. En fait, les défaillances ajouteront un caractère intéressant à vos données dérivées. Si vous rencontrez, par exemple, une tempête solaire, il sera intéressant de voir comment les capteurs y font face, soit par saturation, soit par des signaux parasites. Un compteur proportionnel ou un ersatz équivalent (comme un microDig Reach) peut mesurer ces comptages de particules.

Et enfin, la chose la plus importante à savoir :

Quelle est ma mission ?

Que diable voulez-vous que fasse votre picosatellite ? Vous pouvez soigneusement répartir les choix typiques des picosatellites en missions scientifiques, missions d’ingénierie et œuvres d’art. Une charge utile scientifique mesure des objets. Une charge utile d’ingénierie teste du matériel ou des logiciels. Un projet artistique instancie un grand concept. Nous allons visiter chacun d’eux.

Science!

Lors d’une mission scientifique, votre picosatellite mesurera quelque chose. La science est une question de mesure à son cœur. Il y a trois types de missions que tu peux faire : pointage, in-situ et construction d’ingénierie.

Une mission de pointage est comme un télescope. Votre picosatellite pointe vers un objet d’intérêt – le Soleil, la Lune, les étoiles, le fond du ciel ou la Terre – et l’observe. Notez que le pointage de la Terre nécessite une licence – pas difficile à obtenir, mais la vie privée est protégée dans l’espace amateur.

Vous pouvez pointer de manière aléatoire, mais cela ne semble pas très utile. Vous pouvez définir un mode d’enquête, où votre picosatellite reçoit une orientation spécifique dans son orbite, de sorte que, à chaque orbite, il balaie le ciel d’une manière prévisible. Ou, vous pouvez faire un pointage actif, en faisant en sorte que le picosatellite regarde où vous voulez.

Le pointage actif est assez difficile. Vous devez connaître votre position de manière très précise. L’utilisation de références inertielles – connaissance de l’orbite initiale plus prédiction interne de la façon dont le satellite se déplace – est inexacte à des fins de pointage de capteur. Par conséquent, le pointage nécessite généralement une sorte de traqueur d’étoiles. Il s’agit de deux ou plusieurs télescopes à grand champ qui imitent le ciel et le comparent à un catalogue embarqué d’étoiles de référence brillantes connues.

Le suivi d’étoiles est techniquement complexe, et probablement au-delà des limites de poids et de conception d’un picosatellite typique. Cependant, voir « Ingénierie ! » ci-dessous, pour plus d’informations à ce sujet.

Une utilisation scientifique plus courante des picosatellites est la mesure in-situ. Il s’agit de l’utilisation de capteurs qui mesurent la région dans laquelle se trouve le satellite sans nécessiter de pointage. Un thermomètre est un parfait exemple de détecteur in-situ. Il mesure la température, et vous n’avez pas besoin de le pointer précisément pour savoir qu’il fonctionne.

D’autres mesures in-situ à partir de LEO peuvent inclure le champ électrique et magnétique dans l’ionosphère, la lumière du Soleil ou la lueur terrestre réfléchie, la mesure de la densité ionosphérique, ou le suivi de la cinématique de votre orbite et de votre positionnement (comment vous vous déplacez).

Ou peut-être que vous ne voulez pas mesurer quelque chose scientifiquement, vous voulez juste construire des choses. C’est ça l’ingénierie.

L’ingénierie !

Un picosatellite d’ingénierie utilise la plateforme pour essayer certains nouveaux concepts de matériel spatial, ou pour vous donner de la pratique dans la construction de vos propres variantes de matériel spatial connu.

Vous pouvez fabriquer un picosatellite pour tester n’importe lequel des composants matériels. Un nouveau système d’alimentation, une nouvelle méthode de positionnement, un nouveau type de communication par radio ou par relais, de nouveaux capteurs – en fait, n’importe quel composant du satellite peut être construit et amélioré.

Certains projets de picosatellites ont consisté à tester – à petite échelle – de nouveaux concepts de propulsion de satellites, allant des moteurs ioniques aux voiles solaires. Vous voulez tester une station spatiale gonflable en miniature, ou voir si vous pouvez fabriquer un picosatellite qui se déploie pour former un grand point de rebond pour radio amateur ? Construisez-le !

Un autre motif d’ingénierie peut consister à tester des composants spécifiques : par exemple, comparer un montage électronique personnalisé à un composant commercial disponible sur étagère (COTS) pour voir si les satellites (de toute taille) peuvent être rendus plus rentables. Ou vous pouvez tester de nouvelles méthodes de compression de données ou des méthodes alternatives pour effectuer des opérations à bord.

L’innovation dans les opérations est un sous-ensemble d’objectifs d’ingénierie qui mérite d’être exploré davantage. Les picosatellites pourraient être utilisés pour tester la coordination d’une constellation de satellites. Ils peuvent être des bancs d’essai pour des études de mécanique orbitale, ou des leçons sur les opérations coordonnées de satellites. En tant que moyen le moins cher d’accéder à l’espace, ils sont d’excellents bancs d’essai pour prototyper de nouvelles façons de faire du travail par satellite avant de passer à des missions de plusieurs millions de dollars.

Art Concept!

Enfin, il y a des pièces conceptuelles. Mon propre TubeSat « Project Calliope » recueille des mesures in-situ de l’ionosphère et les transmet à la Terre sous forme de musique, un processus appelé sonification. L’intention est de renvoyer un sens du rythme et du niveau d’activité de l’espace, plutôt que des données numériques, afin que nous puissions avoir une idée de la façon dont le système Soleil-Terre se comporte.

Vous pouvez lancer un satellite pour faire n’importe quoi. Envoyer des cendres dans l’espace. Expédier un drapeau de prière himalayen. Lancer votre alliance en titane en orbite. Toute idée d’art, de musique ou d’hybride art/musique/science est la bienvenue car c’est votre satellite. Donnez-lui simplement un but ou une utilité au-delà du simple spectacle de pouvoir lancer votre propre satellite.

Solve a Decadal Problem for All of Humanity

Voici un exercice de conception qui vous demande d’inventer un satellite. La question n’est pas de savoir si vous pouvez construire, mais si vous pouvez concevoir et exposer une idée qui vaut la peine d’être construite en premier lieu.

Choisissez l’un des objectifs décennaux pour l’observation de la Terre, l’héliophysique, l’astronomie ou la science planétaire, et concevez un concept de mission pour remplir cette tâche en utilisant une petite plate-forme satellitaire – NASA SMEX ou plus petite.

Inventez votre satellite et faites un discours de cinq minutes que vous présenteriez à la NASA pour demander un financement. Limitez-vous à un satellite avec un ou deux instruments (au maximum). Voici quelques liens de référence décennale:

• http://www.spacepolicyonline.com/national-research-council#decadal
• http://decadal.gsfc.nasa.gov/about.html
• http://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
• http://solarsystem.nasa.gov/2013decadal/
• http://sites.nationalacademies.org/SSB/CurrentProjects/SSB_056864
• http://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/

Un exemple d’objectif décennal, de l’observation de la Terre, pourrait être:

Le changement des couches de glace et du niveau de la mer. Y aura-t-il un effondrement catastrophique des principales couches de glace, y compris celles du Groenland et de l’Antarctique occidental et, si oui, à quelle vitesse cela se produira-t-il ? Quels seront les schémas temporels de l’élévation du niveau de la mer qui en résultera ?

Un bon pitch pourrait inclure :

• Un tableau récapitulatif de la mission (type/longueur d’onde/objectif/qui/orbite)
• Historique de toutes les missions passées qui se sont attaquées à cela
• Liste de la charge d’instruments souhaitée : quels types d’instruments et ce qu’ils mesurent chacun, plus si cela nécessite ou non des optiques de focalisation
• Gamme de résolution par détecteur (spatiale, spectrale, temporelle, luminosité)
• Estimation des coûts, basée sur la comparaison/analogie avec des missions similaires

Pour évaluer un bon pitch, il faut considérer si :

• Votre objectif et votre satellite sont plausibles.
• Votre approche semble clairement être la bonne approche pour la tâche.

C’est la compétence des propositions commerciales et académiques, où vous devez non seulement convaincre le public que vous êtes la bonne personne pour la tâche, mais aussi que la tâche elle-même vaut la peine d’être faite !

Construire votre propre picosatellite n’est pas seulement un moyen de parvenir à une fin, mais un objectif valable en soi. Même si vous ne le lancez jamais, les compétences et l’expérience que vous acquérez en fabriquant votre propre vrai satellite peuvent être une expérience impressionnante.

Cet article est adapté de DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space par Sandy Antunes. Cette série, qui comprend également Surviving Orbit the DIY Way, est une ressource approfondie et conviviale pour les constructeurs d’engins spatiaux en devenir, disponible auprès du Maker Shed à l’adresse makershed.com. Le quatrième livre de la série, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, sera disponible cet été.