Définition et historique
Un CubeSat est un nanosatellite standardisé, généralement en forme de cube de 10 cm × 10 cm × 10 cm (soit 1U,pour « 1 Unit ») , conçu pour des missions spatiales à faible coût. Il peut être assemblé en plusieurs unités (2U, 3U, 6U,etc.) pour s’adapter à des besoins plus complexes.
La véritable histoire du CubeSat démarre à la fin des années 90. Avec l'essor de la microélectronique, et en même temps que l'avènement du PC dans les foyers comme dans les universités, plusieurs chercheurs travaillent sur des plateformes de petits satellites. L'objectif est multiple : réaliser des projets ambitieux avec les étudiants, tout en mettant au point une plateforme qui soit peu chère et fiable. Il y a déjà quelques mini-formats à l'époque, comme les TUBSAT ou les PICOSAT, qui ont des résultats prometteurs.
Mais la partie va se jouer en Californie, à l'université Cal Poly et à Stanford, où Bob Twiggs cherche à définir une « taille minimum pour avoir un satellite pratique à utiliser », avec un système d'éjection simple et standard. Il se serait inspiré du design des emballages de petits jouets en peluche « Beanie Babies » pour son format cubique de 10 x 10 x 10cm de volume utile. Avec Jordi Puig-Suari, ils mettent en place un document de spécification pour la communauté académique. Ils ne le savent pas, et le terme n'émergera qu'un peu plus tard, mais le CubeSat est né.
Les CubeSats peuvent être utilisés seuls ou empilés pour répondre aux besoins d'une mission particulière. (Source : ASC.)
Structure et fonctionnement des CubeSats
Un CubeSat est composé de plusieurs sous-système : Système d'alimentation(EPS - Elecrical Power System) : ils intègrent souvent des panneaux solaires (fixes ou déployables) pour générer de l'énergie , des batteries rechargeables (Lithium-ion) pour stocker l'énergie et unité de gestion de l'énergie ( PCDU- Power Conditionning And Distribution Unit). Ce dernier comme par exemple les régulateurs thermiques permettant de maintenir la température des CubeSats stable .
Fonctionnement basique du EPS
Système de communication(COMMS) : permet au CubeSat de communiquer avec les stations au sol. L'antenne peut être intégrée ou déployable. Le COMMS est composé d'antennes(VHF- Very High Frequency, UHF-Ultra High Frequency) d'emetteurs/récepteurs radio et de protocole de communication (S-Band, AX.25) Charge utile(Payload): selon la mission, ils peuvent être équipés d'instruments scientifiques (caméra, spectromètre ,capteurs etc) des expériences technologiques ou biologiques ou autres instruments spécialisés. Ordinateurs de bord (OBC- On Board Computer): le cerveau du CubeSat, qui contrôle tous les systèmes et exécute les commandes. Il est constitué de microcontrôleur, des espaces de stockage de données . Système de contrôle d'attitude( ADCS-Attitude Determination And Control System): permet de contrôler l'orientation du CubeSat. Il peut inclure des roues de réaction, des magnéto-coupleurs et des capteurs d'attitude (gyroscopes, senseurs solaires, etc.).
Structure fondamentale d'un CubeSat
Applications des CubeSat
Il est possible de classer les CubeSats en différents secteurs et par extension tous les satellites de moins de 50 kg (échelles "nano" et en partie "micro"), dont les CubeSats forment la majeure partie : Secteur civil :ils sont utilisés pour des activités non militaires et à but non lucratif. On peut distinguer les deux catégories suivantes : Secteur académique : secteur historique des CubeSats, il regroupe l'ensemble des satellites développés à des fins pédagogiques. L’objectif principal est de former les étudiants à un certain nombre de disciplines d’ingénierie nécessaires pour réaliser un satellite. C’est dans ce but que des universités américaines ont créé le standard CubeSat. La mission particulière du satellite n’est donc pas en soi l’objectif prioritaire. Secteur public : on y retrouve tous les CubeSats des agences nationales ou des laboratoires de recherche (exemple : NASA). Secteur militaire : ce secteur regroupe les opérateurs dont l'objectif principal est de participer à des activités de défense nationale (exemple : US Naval Research Laboratory). La demande des opérateurs militaires devrait être constante dans les années à venir. Secteur commercial : les opérateurs de cette catégorie envoient des satellites pour générer de l'activité et du profit (exemple : Spire). Ce secteur commercial devient le principal moteur du lancement de nouveaux CubeSats, avec plus de 70 % des lancements prévus dans les 5 prochaines années. Le même classement peut être fait concernant les familles d'applications : CubeSat technologique : l’objectif principal est de démontrer une technologie particulière en environnement spatial avec un satellite beaucoup moins cher qu’une mission traditionnelle. Ainsi les nanosatellites peuvent nous aider à préparer les instruments de demain. Si la mission du nanosat est un succès, la technologie aura un niveau de maturité technologique (TRL pour "Technology Readiness Level" en anglais) plus élevé, ce qui permettra de la proposer plus tard pour une mission spatiale scientifique encore plus ambitieuse et pas nécessairement au format nanosatellite. CubeSat scientifique : le CubeSat peut aussi embarquer un instrument de mesure. L’objectif principal est alors de réaliser cette mesure scientifique. Les applications scientifiques émergent peu à peu, avec une diversification de concepts, comme le CubeSat d’accompagnement d’une mission mère qui peut aller reconnaître le terrain avant de s’approcher d’un astéroïde ou comme les flottilles ou les essaims de nanosatellites pour des mesures "coopératives" (mesures simultanées par plusieurs CubeSats). CubeSat d'observation de la Terre / de télédétection : le satellite se concentre sur l'étude de la Terre et son atmosphère. La plupart des CubeSats commerciaux se concentre sur ce type d'applications (Planet Labs et Spire). CubeSat de communication : le CubeSat relaie des signaux émis par des stations émettrices vers des stations réceptrices. On retrouve de nombreux CubeSats pédagogiques dans cette catégorie (ITF 2, lancé le 12/2016).
Lancer des CubeSats dans l'espace
On lance les CubeSats dans l'espace, en les plaçant dans les espaces libres d'une fusée. Ils sont entassés dans un contenant cylindrique et, lorsqu'on appuie sur un bouton, un ressort se détend et propulse les CubeSats dans l'espace. Ils peuvent aussi être lancés dans l'espace à partir de la Station spatiale internationale (SSI) avec la même technique. On se sert alors du sas du module japonais. Comme tout autre satellite, on peut les faire voler seuls ou en constellation en orbite autour de la Terre.
Cette vidéo montre le déploiement réussi d'Ex-Alta 1, le CubeSat de l'Université de l'Alberta, à partir de la SSI. (Sources : ASC, NASA.)
Avantages des CubeSat
Coût réduit: la conception et la fabrication des CubeSats sont généralement moins coûteuses que celles des satellites traditionnels(gros satellites) , ce qui permet de réaliser des missions spatiales avec un budget plus limité. Développement rapide : grâce à leur taille et à leur simplicité, les CubeSats peuvent être conçus et construits plus rapidement(avec des pièces standard simples vendues dans le commerce) permettant aux chercheurs et aux ingénieurs de tester de nouvelles technologies en un temps record. Flexibilité et modularité: ils peuvent être assemblés en différentes configurations (1U, 2U, 3U, etc.), ce qui permet d'adapter leur mission aux besoins spécifiques .Les CubeSats peuvent être lancés en tant que charges utiles secondaires sur des missions de plus grande taille, ce qui offre plus d'opportunités de lancement et réduit les délais d'attente. Accessibilité Accrue : les universités et les entreprises peuvent concevoir et lancer leurs propres CubeSats, favorisant l'innovation et l'éducation.
Un regard vers l'avenir
Les CubeSats changent radicalement l'accès à l'espace : les développeurs et les utilisateurs s'empressent de profiter de cette nouvelle plateforme pour augmenter les activités de recherche et développement menées dans l'espace. Les CubeSats servent même à des missions interplanétaires : la mission Mars Cube One (MarCO) de la NASA lancée vers la planète Mars en 2018. Leur objectif principal était de tester la capacité des CubeSats à fonctionner en espace profond et à relayer des communications en temps réel. Ils ont réussi à transmettre des données lors de l'atterrissage d'InSight sur Mars le 26 novembre 2018. Grâce à ce test réussi , les CubeSats influenceront l'exploration spatiale.
Infographie montrant la future mission MarCO au cours de laquelle deux CubeSats passeront à proximité de Mars pendant que l'atterrisseur InSight se posera sur la surface de la planète rouge. (Source : NASA.)
Les CubeSats ont transformé l'accès à l'espace en offrant une alternative compacte, modulaire et économique aux satellites traditionnels. Leur développement rapide et leur coût réduit ont permis aux universités, aux entreprises et aux agences spatiales de mener des expériences scientifiques, tester de nouvelles technologies et améliorer les télécommunications. L'évolution des CubeSats montre une tendance vers des missions plus complexes, notamment l'observation de la Terre, l'exploration spatiale et les constellations de satellites pour la connectivité mondiale. Leur impact sur l'industrie spatiale continue de croître, ouvrant la voie à des innovations encore plus ambitieuses.
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