CubeSat

CubeSat, appelé également en Francenanosatellite cubique, est un format desatellite artificielqui est le plus couramment utilisé pour les engins de très petite taille (moins de 20 kilogrammes). Soncahier des chargesdéfinit sa forme, sa masse maximale ainsi que certaines des caractéristiques de ses composants et de son fonctionnement. Dans sa forme basique, appelée 1U, c'est un cube (d'où son appellation) de 10 × 10 × 10 centimètres de côté et dont la masse ne doit pas excéder deux kilogrammes. La majorité des CubeSats sont formés par la juxtaposition de plusieurs cubes élémentaires (de 2U jusqu'à 24U).
Le cahier des charges définissant les caractéristiques des Cubesats est rédigé en 1999 par l'Université polytechnique de Californieet l'université Stanford(États-Unis). L'objectif en est de réduire les coûts de lancement des très petits satellites et ainsi de permettre aux universités de développer et de placer en orbite leurs propres engins spatiaux. Le projet CubeSat assure la diffusion du standard et contribue à garantir l’adéquation des satellites avec lacharge utileprincipale des lanceurs qui les mettent en orbite.
Les CubeSats sont maintenant de plus en plus utilisés pour des applications professionnelles, en particulier dans le domaine de l'observation de la Terre. Des constellations comprenant plusieurs dizaines de satellites sont déployées à partir des années 2000. En 2022, les CubeSats commencent à être utilisés pour des missions d'exploration du système solaire. La réalisation de satellites d'une taille aussi réduite a nécessité le développement d'équipements spécifiquescompatibles avec la taille, la masse et la quantité d'énergie disponibles.
Le nombre de CubeSats satellisés chaque année est resté faible jusqu'en 2012. À compter de cette date, le nombre de CubeSats lancés a fortement cru et il était de 338 en 2022. Les opérateurs des lanceurs tels queFalcon 9etPSLVproposent des vols consacrés en partie ou totalement à la mise en orbite de ce type de satellite, pour lesquels des dispositifs de déploiement spécifiques ont été mis au point. Les CubeSats 3U représentent la moitié du parc, suivis par les 6U et les 1U. Près de la moitié des CubeSats sont développés par des institutions et sociétésaméricaines.
Le projet Cubesat résulte de la collaboration entre le professeur Jordi Puig-Suari de l'Université polytechnique de CalifornieàSan Luis Obispoet le professeur Bob Twiggs du Laboratoire de développement des systèmes de l'Université Stanford(États-Unis). Le but initial du projet était de permettre à leurs étudiants de développer des satellites aux capacités identiques aux premiersSpoutnikqu'ils seraient capables de piloter. La norme mise au point en 1999 est adoptée par les autres universités, sociétés et agences gouvernementales et devient un standard pour les nanosatellites (1 à 10kg). Le premier CubeSat est lancé le30 juin 2003par une fusée russeRockot. Le projet CubeSat met aujourd'hui en relation une centaine d'universités et de sociétés privées pour le développement de nanosatellites à vocation scientifique, technologique ou pour répondre à des besoins privés ou gouvernementaux. L'Université polytechnique de Californie a la responsabilité du système de déploiement P-POD et de s'assurer que les CubeSats  développés ne peuvent pas constituer un risque pour lelanceuret le reste de sa charge utile.
Les satellites les plus simples répondant au standard CubeSat ont la forme d'un cube d'un décimètre de côté (soit un volume de précisément un litre), doivent peser moins de 2kget utilisent des composants électroniquesbanalisés. Les dimensions retenues étaient considérées par ses concepteurs comme la taille minimum pour obtenir un satellite opérationnel. La forme cubique permet au satellite, dont l'orientation n'est généralement pas contrôlée, de disposer, quelle que soit celle-ci, d'énergie électrique si toutes les faces sont couvertes de cellules solaires. En définissant une norme pour les nanosatellites (satellites de 1kgà 10kg), le CubeSat devait permettre aux universités du monde entier de lancer dans l'espace des expériences scientifiques à un coût réduit en fixant les caractéristiques externes de ces engins spatiaux et facilitant ainsi leur installation sur les lanceurs. Dans le même objectif un système de déploiement, mis au point et construit par l'Université polytechnique de Californie, est systématiquement utilisé. LeP-POD(Poly Picosatellite Orbital Deployer) sert d'interface entre le lanceur et les CubeSats et peut contenir trois d'entre eux. Le lanceur envoie unsignal électriqueau P-POD qui déclenche l'ouverture de la porte et l'éjection à l'aide d'un ressort des CubeSats.
Les satellites peuvent être constitués de l'assemblage de plusieurs CubeSats. Par convention le CubeSat de base est désigné par l'abréviation 1U (One Unit). On trouve également des 2U (2 x 1U mises bout à bout), 3U (masse supérieure à 4kg), 1,5 U et des 6U. D'autres tailles intermédiaires, comme celle du 4U, plus petites (jusqu'au 0,25U) ou plus grandes (jusqu'au 16U) sont utilisées en 2022. Les caractéristiques des CubeSats sont encadrés par uncahier des charges(CubeSat Design Specification), qui limite par exemple la pression de tout composant interne à1,2atmosphère, impose des contrôles très restrictifs sur l'emport de produits dangereux (comme lesergolshypergoliquesutilisés généralement pour la propulsion) et limite l'énergie chimique stockée (dans des batteries) à 100 watts-heures. L'objectif de ces contraintes est de supprimer toute source de risque pour la charge utile principale emportée par le lanceur chargé de placer en orbite le NanoSat.
Le cahier des charges, mis à jour régulièrement par les créateurs du standard, définit précisément les caractéristiques externes, certaines caractéristiques internes pour des raisons de sécurité et les tests que les développeurs doivent satisfaire avant le lancement. Ci-dessous sont listées quelques-unes des contraintes.
Les domaines d'utilisation des CubeSats se heurtent à la taille, qui limite à la fois l'énergie disponible, la mobilité et les capacités de la charge utile. Les industriels et les laboratoires mettent au point des équipements plus compacts et moins consommateurs d'énergie que ceux embarqués sur les satellites traditionnels.
Une des principales difficultés à laquelle est confrontée la conception d'un CubeSat est le recours à une propulsion capable de fournir unDelta-vsuffisant 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 depropulsion spatialeutilisées par lesengins spatiauxpour effectuer de petites corrections d'orientation ou de vitesse. Un propulseur à gaz froid utilise ungazstocké sous haute pression qui est simplement libéré dans unetuyère, laquelle permet d'orienter lapousséeexercée.
Le moteur-fusée à ergols liquides est un type demoteur-fuséeutilisant desergolsliquides pour son fonctionnement. Comme les moteurs-fusées à propergol solide ou hybride, ce type de propulsion exploite l'énergie chimiquecontenue dans les ergols qui est libérée soit parréaction exothermiqued'uncomburantet d'uncombustiblesoit pardécomposition. Comme tous les moteurs-fusées, il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par laréaction chimiqueà 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 permettant 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 propulserLunar IceCube(lancement en 2020), unmoteur ioniqued'unepousséede 0,8millinewtonavec uneimpulsion spécifiquede 2 130 secondes a été choisi. Le volume disponible est mal adapté à un réservoir pressurisé (sphérique) utilisé pour stocker lexénonergol utilisé d'habitude pour les moteurs ioniques. Le fournisseur du moteur ionique (Busek) a choisi d'utiliser commeergoldudiiodecar celui-ci est stocké à l'état solide (donc non pressurisé) tout en disposant d'unemasse molaire(facteur ayant un impact directement sur le rendement du moteur) de 127gproche de celle du xénon (130g). La poussée est limitée par la quantité d'énergie disponible (environ 65 watts). Le CubseSat emporte 1,5kgd'ergols qui lui permettent d'accélérer (Δv) de1,2km/s. Le moteur peut être orienté et faire un angle de 10° avec l'axe du satellite.
Le moteur-fusée à ergols liquides est un type demoteur-fuséeutilisant desergolsliquides pour son fonctionnement. Comme les moteurs-fusées à propergol solide ou hybride, ce type de propulsion exploite l'énergie chimiquecontenue dans les ergols qui est libérée soit parréaction exothermiqued'uncomburantet d'uncombustiblesoit pardécomposition. Comme tous les moteurs-fusées, il agit en éjectant à grande vitesse la masse des gaz produits par laréaction chimiqueà 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 dissymétriques 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 despanneaux solairesorientés 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 ledébitde données transmises.
Les différents types d'équipement utilisés pour lecontrôle d'attitudesur 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 uneorbite terrestre basse(champ magnétique terrestreélevé), le recours auxmagnétomètrespour déterminer l'orientation du CubeSat et aumagnéto-coupleurpour corriger l'orientation est bien adapté aux contraintes de masse et d'énergie des CubeSats. Laroue de réactionest 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 descellules solairespour convertir l'énergie solaireenélectricité. 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.
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.
Le coût de fabrication et de lancement d'un satellite CubeSat 1U est d'environ 150 000 US$, mais des nouveaux opérateurs de lanceurs promettent de nouveaux prix d'environ 50 000 US$ - 90 000 US$. De nombreux opérateurs de lanceurs acceptent de mettre en orbite des CubeSats en tant quecharge utilesecondaire. Les lancements de grappes de CubeSats sont la norme.
Deux facteurs contribuent à une forte croissance du nombre de CubeSats au cours des années 2010. Plusieurs sociétés offrent désormais de lancer des CubeSats 1U à 3U en tant que charge utile secondaire pour des sommes comprises entre unité|50000 et 200000 US$ (le prix dépendant de sa taille et de l'altitude visée). Certaines de ces sociétés annoncent qu'elles abaisseront les prix jusqu'à un plancher de 10 000 US$ à l'horizon 2020. Le deuxième facteur est la mise à disposition sur étagère d'équipements spatiaux à bas prix utilisables par les CubeSats. Le nombre de satellites lancés en 2017 utilisant ce standard et avec une masse comprise entre 1 et 10kg, a atteint 287 alors qu'ils n'étaient que 77 en 2016. La base de données "Nanosatellite" liste en juin 2019 2400 CubeSats et autres nanosatellites qui ont été lancés depuis 1998.
Une organisation s'est mise en place pour faciliter le lancement des CubeSats. Le lanceur indienPSLVet le lanceur russeDneprse sont fait une spécialité des lancements groupés de CubeSats : le record a été atteint le15 février 2017avec le lancement de104 satellitesavec une seule fusée. LaPSLV-C37 de l'ISROa mis en orbite  104 satellites 650kgdont seulement trois n'étaient pas des CubeSats. Sur les101 nano-satellites restants, 96 viennent desÉtats-Unis. Les cinq autres proviennent d'Israël, duKazakhstan, desPays-Bas, de laSuisseet desÉmirats arabes unis. Des micro-lanceurs commeEpsilonsont développés dans le but de répondre à ce nouveau marché.
Les CubeSats sont initialement des satellites expérimentaux. Mais des recherches très actives sont menées pour déboucher sur des applications scientifiques ou commerciales en miniaturisant les instruments et les équipements nécessaires pour contrôler l'orientation, l'orbite et améliorer la précision du pointage. Les agences spatiales, en particulier la NASA, expérimentent l'utilisation de CubeSats pour traiter des problèmes scientifiques. Deux CubeSats 6U ont été lancés en 2018 versMarspour une expérience de télécommunications. Des applications commerciales débutent comme la constellation de satellitesDovequi fournit des images grâce à200 CubeSats.
Lelaboratoire de Los Alamosa 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.
LignoSatest un prototype de CubeSat 1U développé par l'université de Kyotopour un usage radioamateur classique. Sa particularité est d'avoir une structure extérieure en bois, conçue en partenariat avec l'entrepriseSumitomo Forestry(en). Il est lancé lors de la missionSpaceX CRS-31(en)et doit être déployé depuis l'ISS. Il est prévu d'instrumenter le satellite pour étudier la réponse du matériau bois aux contraintes spatiales. Un avantage secondaire attendu est une combustion complète de la structure en fin de vie lors de larentrée atmosphériquedu satellite, en minimisant la pollution par des résidus toxiques.
WISA Woodsatest un autre CubeSat 1U en bois, développé par l'entreprise finlandaise Arctic Astronautics dont le lancement est prévu pour 2025.
LightSail-1est un démonstrateur technologique (CubeSat 3U) propulsé par unevoile solaire. Il a été lancé le 20 mai 2015 à partir deCap Canaveral(Floride). Ses quatre voiles sont faites d'une très fine pellicule deMylaret ont une superficie totale de 32m. Ce test avait pour but de permettre de démontrer qu'une voile solaire pouvait être utilisée pour une mission principale en 2016.
Doveest une constellation de 200 CubeSats 3U (satellites actifs courant 2018) fournissant des images avec unerésolution spatialede 3 à 5 mètres.
QB50est une constellation d'une quarantaine de CubeSats 2U développés par différents instituts de recherche européens dont l'objectif est l'étude de lathermosphère. Chaque nanosatellite emporte un des trois instruments de mesure définis dans le cadre d'un cahier des charges :spectromètre de massedes ions neutres , expérience F de mesure de l'oxygène,Sonde de Langmuir. Cette constellation est en cours de déploiement en 2018.
TROPICS(Time-Resolved Observations of Precipitation structure and storm Intensity with a Constellation of Smallsats) est une constellation de 12 CubeSats 3U embarquant unradiomètreorientable 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.
Treize CubeSats 6U, embarqués en tant quecharge utilesecondaire, sont être placés dans l'espace interplanétairepar la fuséeSpace Launch Systemdans le cadre de la missionArtemis 1organisée par la NASA et lancée le 16 novembre 2022. Parmi ces nano-satellites figurent :