Nanosats

 

Le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM), avec l’aide du Centre National d’Études Spatiales (CNES), a lancé un projet de Nano-satellite étudiants.

Cette initiative du LAM offre aux étudiants la possibilité de développer un projet spatial, depuis l’analyse-mission jusqu’à l’exploitation du Nano-satellite et de sa charge utile (expérience embarquée).

Ce programme Nano-satellite a démarré par un appel charge utile Nanosat et, parmi trois propositions d’expériences reçues, le projet se poursuit depuis 2013 avec l’étude de l’Anomalie magnétique de l’Atlantique Sud (SAA), localisée au dessus du Brésil, que l’on propose de CArtographier.

Ce premier projet de Nano-Satellite étudiants marseillais, est prévu pour un lancement en 2024, et a été baptisé CASAA-Sat , CArtographie de la SAA.

Placé en orbite à quelques centaines de kilomètres de la Terre, il tournera 14 fois par jour et nous communiquera ses mesures. L’objectif de CASAA-Sat est de :

• mesurer le flux de particules chargées en survolant la zone intéressante
• mesurer le magnétisme dans cette zone
• photographier les phénomènes lumineux, notamment aux pôles
• corréler l’ensemble de ces mesures pour essayer de mieux comprendre cette anomalie (la SAA) et de plus,
  il est très pédagogique !

 

Tout un ensemble de techniques, telles que la maîtrise de la stabilité en orbite du satellite (SCAO), la récupération d’énergie, les modélisations thermiques, mécaniques, électroniques, etc.., sont étudiées et intégrées dans les différentes formations d’étudiants.

L’organisation mise en place pour CASAA-Sat implique des étudiants en MASTERS et de l’IUT d’Aix-Marseille Université (AMU), et des étudiants en École d’ingénieurs spécialisées (groupe ISAE, ESEO…).

Plus de 200 étudiants ont déjà travaillé sur CASAA-Sat, lors de projets tuteurés à temps partiel ou en stage de fin d’études (de 2 à 6 mois) à temps plein.

Le lancement de CASAA-Sat sera effectué en passager sur un lanceur qui utilisera une orbite héliosynchrone polaire à quelques centaines de kilomètres d’altitude, qui passera au-dessus du Brésil, zone où l’anomalie est la plus représentée.

Où en est-on ?

• L’analyse-mission, Phase 0, de CASAA-Sat a été menée de Mars à Septembre 2013 et a démontré que le programme est réaliste.
• La Faisabilité, Phase A, a consolidé différents points de la Phase 0 et a été menée durant l’année 2013-2014.
• A la rentrée 2014-2015, nous avons démarré la Phase B, avec pour objectif la définition préliminaire du design orienté vol.
• A la rentrée 2015-2016, nous avons consolidé différents points et, le CNES a établi avec l’Université d’Aix-Marseille au travers du LAM, une convention et un échéancier permettant de poursuivre le développement.
• A la rentrée 2016-2017, nous avions pour objectifs de démarrer la Phase C/D et de commencer les premières réalisations représentatives du Modèle de Vol
  et,
  nous poursuivrons le design et les phases de tests préalables au lancement….

Responsable:

• Bernard REPETTI,
  Chef de Projet Nanosat Etudiants Marseille,
  Ingénieur de Recherche au LAM,
  e-mail : bernard.repetti_at_lam.fr / Tél. : 04.91.05.69.00

 

Un Centre Spatial Etudiants est mis à la disposition des étudiants au LAM.

 

• CASAA-Sat en Phase 0/A :

CASAA-Sat est au standard 2U : 10 x 10 x 20 cm, soit 2 litres.

On voit une ébauche des Aérofreins (bleu ciel) car l’orbite initiale choisie (METOP-C, 817 km) ne permettait pas de respecter la Loi sur les Objets Spatiaux (LOS) obligeant de rentrer dans l’atmosphère en moins de 25 ans.

CASAA-Sat au début de la Phase B

Les aérofreins sont toujours présents car nous n’avions pas encore changé d’orbite mais la structure et l’implantation des éléments sont mieux définies.

 

CASAA-Sat en fin de Phase B

Le Nanosat est ci-dessus représenté prêt à être inséré dans son lanceur (panneaux solaires fermés)…..

Ici, les panneaux sont ouverts et inclinés, les antennes déployées. Il n’y a plus les aérofreins car on ne prévoit plus le lancement sur l’orbite de METOP-C mais sur celle de PRISMA. A moins de 700 km, le satellite entrera dans l’atmosphère en moins de 25 ans sans aérofreins…..

Les implantations sont à présents optimisées…..

 

Les 3 composantes de la Charge Utile initiale sont
Un dosimètre, une caméra et un magnétomètre

Une mention spéciale pour le dosimètre :

• c’est un MOSFET développé par la société TRAD-Space à Labège ;
• sa tension de seuil augmente avec les doses déposées ;
• il est très petit et ne consomme que lorsqu’on procède à sa lecture.

 

C’est un moyen simple (mais très efficace) d’avoir une bonne idée des doses déposées…. Si vous avez des questions, n’hésitez pas à contacter TRAD-Space : www.trad.fr

 

• Le circuit “REER”, composante complémentaire de la Charge Utile :

C’est un circuit de chez ST-Micro, qui intègre une mémoire fabriquée par les laboratoires communs dont l’IM2NP, laboratoire participant au projet.

Le circuit REER sera implanté sur CASAA-Sat, et sa tenue aux irradiations sera testée en orbite.

 

A la rentrée 2017 :

le STM (modèle mécanique structurel) a été construit :

On se lance dans la fabrication du STM, premier modèle représentatif de la structure mécanique…..

Que l’on va fabriquer et faire vibrer….. on croise les doigts !!

• Les cartes électroniques ont été simulées par des plaques en époxy, connecteurs et masselottes. Elles ont été empilées et un capteur d’accélération a été collé pour contrôler les vibrations…

• L’ensemble des cartes est inséré dans la cage supérieure de CASAA-Sat…

• La cage inférieure, qui intègre la caméra, les supports de dosimètres et la roue à inertie (simulée par un cube alu sur la paroi gauche), viendra s’accoupler avec la cage précédente…

• Les panneaux solaires, qui s’articulent autour de charnières Maeva avec la coiffe qui s’incline de 35 °, viendront compléter le montage du STM de CASAA-Sat…

 

• C’est presque (!) fini…

• Les panneaux s’ouvriront…

• On met CASAA-Sat dans l’ISI-Pod, interface lanceur, et le tout sur le pot vibrant…

 

• Et voici un petit extrait lorsqu’on vibre en X…

• Et un autre lorsqu’on vibre en Z…

Tout va bien !!

 

Les niveaux de contraintes du lanceur VEGA n’ont pas mis en défaut le STM : le design mécanique du modèle de vol qui sera lancé, le FM, sera donc bien identique.

 

BRAVO à TOUS !!

et MERCI à tous les étudiants ayant participé à la conception de ce modèle, merci :

• aux étudiants du Master Aéronautique et Espace, ayant fait évoluer la CAO. La liste est longue mais on peut citer Florian, Saïd, Pape… en stage à temps plein au CSE, et tous ceux qui ont participé à cette CAO lors de projets de premier semestre

• aux étudiants du Master ICPI, et notamment à Etienne, qui est le dernier à avoir “souffert” sur le STM… !

• à la sous-traitance industrielle pour la réalisation de ces magnifiques pièces
• au service mécanique du LAM, qui nous a bien aidé pour l’assemblage
• à la direction du LAM qui a “accueilli” CASAA-Sat sur le pot vibrant
• et à Philippe, notre ingénieur en vibrations au LAM !!

 

et la suite,
pour l’électronique et l’Engineering Model, l’EM, viendra dans quelques temps….

 

 

C’est maintenant l’électronique du satellite qu’il faut assembler, tester et valider. Cela va se concrétiser par l’EM, qui va évoluer peu à peu. L’électronique du modèle final du satellite, le modèle de vol FM, sera composée d’éléments quasiment identiques à ceux utilisés pour l’EM.

Ci-dessous, une représentation complète de l’EM :

Sur la partie supérieure de la structure, l’EM est constitué de 6 cartes électroniques empilées, soit de haut en bas :

• les 2 cartes qui assurent, avec les panneaux solaires, la gestion et le stockage de l’énergie
• la carte de communication pour la liaison bord/sol du satellite
• le “coeur” du satellite, l’intelligence embarquée, l’OBC (On Board Computer)
• la carte Magnétocoupleurs, qui permet en partie le contrôle d’attitude du satellite (SCAO)
• et enfin, la carte de gestion de la Charge Utile et Plateforme, CU and PF board, qui gère les dosimètres et assure différentes connections.

 

Quelques mentions particulières sont à préciser :

• La carte CU et PF ne peut pas se trouver “sur étagère”. Elle a été totalement conçue et développée “sur mesures” par l’équipe-projet.
  Outre la gestion des dosimètres, elle assure l’interface avec les différentes composantes intégrées dans la partie basse de la structure : la caméra, le circuit REER à tester, la roue à inertie (SCAO), les antennes déployables et les couteaux thermiques (tout en bas du satellite) pour l’ouverture des panneaux solaires.

 

Cette carte est l’aboutissement de plusieurs sujets d’études : un grand merci aux étudiants de la Licence Pro électronique ConSept de Marseille Saint Jérôme !!
La liste des étudiants est longue mais on peut citer Omar, Gaëtan… en stage au CSE et Hector, qui a abouti à cette carte en 8 couches :

 

• La caméra, gracieusement fournie par le CNES, est pilotée par une électronique développée également par l’équipe-projet. Un empilement de 3 cartes logées dans la structure basse du satellite est montré ci-dessous :

Merci à Hector, pour cette réalisation !
sans oublier Olivier, pour le report des minuscules composants et sa patience,
et Jean-Luc, pour le prêt de son matériel.

et Merci à Josue, petit génie de l’informatique !, pour l’implantation en VHDL d’un code de détection d’images dans le FPGA et d’une routine de compression d’images dans la carte OBC (gain d’un facteur 30 sans aucune perte !)

 

• Le SCAO, après plusieurs sujets d’études confiés aux étudiants du Master 2 Aéronautique et Espace, a été poursuivi par Antony et sera implanté dans la carte OBC. Merci Pape, Saïd, Islem… et Antony !

 

• La thermique du satellite a été aussi l’objet de plusieurs sujets d’étude et elle s’est concrétisée par l’étude complète sous ESATAN-TMS, merci Antony !
  Il ne sera pas nécessaire de chauffer mais d’évacuer les calories par une tresse thermique vers une face froide du satellite….. il faudra cependant vérifier cela expérimentalement dans une cuve à vide thermique prochainement.

 

• Le logiciel de vol est à implanter dans la carte OBC, il assurera le séquencement et la surveillance de toutes les composantes : un lourd travail déjà entrepris et à poursuivre…..
  Il prendra en compte les informations reçues par la station sol (les TC, télécommandes) et celles à lui transmettre (les TM, les télémesures).

 

• La station sol sera basée sur une communication VHF pour le lien montant, et UHF pour le lien descendant.

 

Merci à Laurent pour son investissement sur ces moyens de communication bord/sol !

Dans quelques temps, une antenne motorisée sera installée sur le toit du LAM, les moyens sol seront mis en œuvre, et un plan de suivi-pointage et de TM/TC sera implanté…..

 

Et oui…. la pandémie en 2020 est passée par là, pour nous aussi :

• Merci à Gabriel, de l’ESEO d’Angers SE, qui a pu malgré tout, amorcer le Logiciel de Vol
• Et merci aussi à Nathan, de l’ESTACA de Paris, qui a pu optimiser, entre autre, le SCAO, le recalage orbital, la CAO, les conditions de récupération d’énergie en orbite….

 

Et en 2021, un très grand merci à :

• Clément-Bastien et à Rémi, de l’ISAE-ENSMA Informatique et Avionique de Poitiers, qui ont pu consolider le Logiciel de Vol, amorcer parfaitement tout le travail à poursuivre en mettant en place un nœud de calcul et un serveur Web, le Centre de Contrôle et le Centre de Mission de la station sol de CASAA-Sat.
  Le “Hardware” correspondant : la structure porteuse et la première version des antennes motorisées, montées sur le toit du LAM, et la chaîne de transmission SDR (Software Defined Radio) associée, bravo !

 

• et également un grand merci à Quentin, de l’ESEO d’Angers OC, qui a repris tous les “petits” problèmes d’électronique, optimisé, redesigné les cartes, développé les drivers de bas niveaux, et bien d’autres choses encore !

 

L’assemblage de l’EM final, ci-dessous, donne un aperçu de l’électronique du Modèle de Vol (FM),

elle sera quasi-identique, et toute les fonctionnalités ont été testées.

 

Tout est à présent prêt pour se lancer dans le FM !

 

 

La revue critique de fin de Phase C, la RCD, s’est très bien déroulée en Juillet 2021 devant les experts du CNES.

On poursuit en Phase D de réalisation du modèle de vol FM du satellite : électronique & informatique embarquée, et structure mécanique.

Le tout sera testé en fiabilité, et devra passer les tests environnementaux…

Et en parallèle, on poursuit également le développement de la Station Sol avec les Radioamateurs.

Il y a encore du travail, beaucoup de travail !!!

 

 

Le développement de la station sol a débuté, en 2016, par un stage ayant permis de se rendre compte des difficultés. Il a été poursuivi par l’intégration du logiciel de pointage du satellite, qui fait appel au NORAD (identification du satellite par la NASA) qui délivre les informations orbitales et permet de situer réellement le satellite. Ces informations sont utilisées pour orienter les antennes motorisées vers le satellite dès son apparition.

La station SOL est la ligne de vie du satellite, l’optimisation avec du matériel de mesure est indispensable.

Sa mise en œuvre n’est pas évidente, vu le très faible signal que délivre le satellite.

Le matériel radio SOL est classique, facilement accessible chez les revendeurs de matériel radio professionnel et/ou Radioamateurs, il doit être installé correctement par des ‘’sachants’’ !

Et c’est à ce moment-là que nous avons découvert le monde des Radioamateurs électroniciens avec des laboratoires importants en mesures HF, sans lequel nous n’aurions pas pu attendre sereinement le futur passage de notre satellite.

Actuellement, nous recevons la balise radioamateur / 432,420 MHz du Mont Cerdagne, dans le département 66, qui se situe à 283km !!

Une mention spéciale pour Christophe MERCIER (Xtophe), président de l’AMSAT-Francophone, qui nous a fait connaitre Jean-François IOSCA (indicatif : F1LVO) et Fabien PELLET (indicatif : F4CTZ), passionnés de Radio et que nous remercions très fortement.

Grâce à eux et à leurs connaissances radio, nous avons pu développer, mettre en œuvre et tester la station-sol, dont l’équipement matériel final est présenté ci-dessous. Ce matériel est architecturé autour d’un traitement numérique, le SDR : Software Defined Radio.

 

Les communications que nous avons prévues avec CASAA-Sat, montantes en VHF pour les télécommandes (TC) et descendantes en UHF pour les télémesures (TM), seront essentiellement effectuées avec notre station sol.

Mais, nous avons également prévu d’élargir les communications auprès des Radioamateurs intéressés qui pourront, quelle que soit leur origine sur le globe (lien IARU), adresser une TC et obtenir la réponse en retour.

Par exemple, nous pourrons renvoyer la dernière image des pôles, et on l’espère d’une aurore boréale, si l’énergie à bord est suffisante. Si l’énergie risque d’être mise en défaut, nous pourrons toujours renvoyer l’état du satellite (température, tension…).

Et grâce à cette ouverture, nous allons pouvoir couvrir plus de régions du monde et mieux contrôler et exploiter notre Nanosatellite.

On espère que le lancement du satellite et la médiatisation associée, permettra également de renforcer les liens déjà existants avec les Radioamateurs et de créer un Radio Club local, au sein duquel les passionnés marseillais pourront se rencontrer et exploiter CASAA-Sat, ce qui lui offrira une redondance de Station-Sol.

D’ici peu de temps, un logiciel qui gère les TC et les TM sera disponible ici pour être téléchargé, installé sur un PC et prêt à être utilisé, de n’importe où dans le monde, pour dialoguer avec CASAA-Sat.

 

 

Où en sommes-nous aujourd’hui… ?

Cette Phase D va déboucher sur le Modèle de Vol final, qui sera testé, validé et confié au lanceur.

De nombreuses vérifications, tests, optimisations, tests de transmission RF avec la station sol sont en cours,

avec Quentin, qui est (heureusement !) toujours parmi nous, et Ahmed de l’ISAE-ENSMA,

et ce, avant de développer des procédures de tests environnementaux…..

 

Un peu d’historique…

Avant de présenter les derniers travaux réalisés et les tests de CASAA-Sat en Vide Thermique,

et maintenant que le satellite est presque terminé, juste un petit rappel :

plus de 200 étudiants ont été impliqués dans ce projet, du niveau Bac+2 à Bac+5, en stages dans différentes spécialités ou en projets tutorés,

dont une trentaine (photo ci-dessous) ont réalisé leur PFE, Projet de Fin d’Etudes, pendant 6 mois à temps plein au LAM.

 

 

Ils ont tous apporté leur contribution, un grand merci à eux !!

Et aussi, un très grand merci à tous les enseignants-chercheurs et responsables de formation,

et plus particulièrement à Alain GARINO et Fabrice AUBEPART .

 

Pour compléter l’équipe, et jusqu’au lancement (prévu mi-2024), nous accueillons toujours des stagiaires très motivés.

Voici le profil de stage qui répondrait le mieux à nos besoins :

Stage_Ingenieur_logiciel

 

 

• Tests en Vide Thermique
  

 

Les équipements de tests en Vide Thermique permettent de reproduire les contraintes orbitales que devra supporter le satellite : vide et températures. Une orbite à 600 km dure en moyenne une centaine de minutes, dont un tiers en éclipse : nous avons soumis CASAA-Sat à des cycles allant de +50°C à -50°C pendant plusieurs heures.

Cela a nécessité plusieurs adaptations pour la préparation du satellite, mais aussi pour les moyens de tests ainsi que beaucoup de temps à consacrer lors du cyclage pour suivre les évolutions. Nous tenons à remercier chaleureusement :

 

• La direction du LAM, pour nous avoir permis de réaliser ces tests
• Christophe et Michaël, responsables de ces tests
• Manu et Patrick, pour le temps passé avec nous sur nos problématiques
• Johan, pour les collages qui ont été nécessaires
• Patrick et José, pour les services en mécanique
• Marc, Laurent, Benjamin, Anne-Sophie, Tangui, Kacem, et bien d’autres personnes de LAM, pour leur aide et leur soutien dans différents domaines
• Nicolas, Rémi, Gilles, Anton, Delphine, Stéphane et Paul du CNES Toulouse, pour leur aide et leurs conseils précieux tout au long de l’élaboration de ce FM

 

et sans oublier tous les industriels et partenaires !

 

Ces tests, étalés sur plusieurs semaines, ont été pleinement concluants. Ci-dessous, nous pouvons voir le modèle de vol de CASAA-Sat, entièrement équipé de cartes et de composants de vol, également équipé de plusieurs sondes de température, et placé dans une boîte isolée, le MCT (Moyen Cryogénique et Thermique), inséré dans une chambre à vide.

 

 

CASAA-Sat a subi avec succès les différents tests de l’ensemble de ses composantes, ainsi que les tests tant attendus d’ouverture des panneaux solaires !

 

…….