Vocabulaire des Orbites et Technologies Spatiales

Vocabulaire et Anagrammes

• LEO (Low Earth Orbit) : 160-1 500 km, idéale pour l'observation de la Terre et les communications rapides.
• MEO (Medium Earth Orbit) : 5 000 - 20 000 km, utilisée par les systèmes GPS et Galileo.
• GEO (Geostationary Earth Orbit) : 35 786 km, essentielle pour les télécommunications et la météorologie.
• SSO (Sun-Synchronous Orbit) : 600-800 km, adaptée pour une observation terrestre stable.
• Rideshare : lancement partagé de plusieurs satellites pour réduire les coûts, souvent utilisé pour les petits satellites. SpaceX Falcon 9 Transporter est un exemple.
• Payload : partie d'un satellite ou d'un lanceur dédiée à la mission principale, incluant instruments scientifiques et équipements de télécommunication.
• Survival Mode : mode de protection du satellite en cas de situation critique, désactivant les charges utiles pour préserver les ressources essentielles.
• OBC (Onboard Computer) : ordinateur embarqué responsable du traitement des données, de l'exécution des commandes et du contrôle des sous-systèmes.
• Manœuvre Delta-V (Δν) : utilisation contrôlée de vitesse pour changer l'orbite ou la trajectoire d'un satellite.
• SCAO (Satellite Control and Attitude Operations) : modes opérationnels pour contrôler et maintenir l'orientation d'un satellite.
• Albedo : mesure de la capacité d'une surface à réfléchir le rayonnement solaire, exprimée de 0 à 1 (ou 0% à 100%).

Introduction au Segment de Vol Spatial

• L'espace est stratégique, commercial et scientifique.
• Plus de 8 000 satellites opérationnels en 2024, avec une croissance des méga-constellations comme Starlink.
• L'industrie spatiale européenne est en plein essor grâce à de nouveaux acteurs et financements.

Les Orbites et les Missions Spatiales

• LEO : 160-1500 km, observation de la Terre et communications rapides.
• MEO : 5000-20 000 km, GPS et Galileo.
• GEO : 35 786 km, télécommunications et météorologie.
• SSO : 600-800 km, observation terrestre stable.

Les Lanceurs et l'Accès à l'Espace

• Le lancement spatial est critique car un échec entraîne une perte totale.
• La masse et l'environnement hostile (accélérations, vibrations, chaleur) sont des contraintes.
• Tendance aux petits satellites et au rideshare (partage de lancement).

Conception et Gestion de Projet

• Le satellite est composé d'un Bus (gestion) et d'un Payload (mission).
• Contraintes incluent : poids, volume, énergie, réglementation (orbites, fréquences).
• Les coûts élevés rendent l'optimisation essentielle pour les lancements, les opérations, et le matériel.
• Il est important de simplifier l'architecture et d'anticiper les tests et validations.

Business des Satellites

• Le marché est en croissance avec 15 milliards $ US en 2022.
• On note l'explosion des satellites, avec plus de 8 000 en 2024, dont 5 874 Starlink.
• La miniaturisation et le rideshare (97% des lancements en 2023) sont des tendances clés.
• Le coût est variable, allant de quelques millions à plusieurs milliards (ex: JWST: 10 Md$).
• L'Europe est en jeu en termes d'investissements publics et de compétitivité face aux USA et à la Chine.
• Les défis : assurance, standardisation et réduction des coûts via la propulsion électrique et le partage.

Lanceurs Spatiaux

• C’est un élément décisif pour les missions.
• C’est un secteur critique car sans lanceur, il n’y a aucun accès à l'espace.
• En 2021, sur 146 lancements, on compte 11 échecs.

Volume et Masse en Conception des Satellites

• La masse et le volume limités ont un impact sur la conception des satellites.
• L'environnement extrême incluant les vibrations, accélérations et température doit être considéré.
• Le coût élevé est une part importante du budget d'une mission.

Tendances Actuelles

• Montée en puissance des lanceurs réutilisables comme SpaceX Falcon 9.
• Augmentation du rideshare (mutualisation des coûts pour petits satellites).
• Optimisation des performances pour atteindre plusieurs orbites en un vol.

Le Système

• Le segment spatial comprend le satellite (Bus + Payload).
• Il effectue la mission principale : observation, télécommunication, navigation.
• Systèmes embarqués nécessaires pour le contrôle d'orbite, la transmission des données et la gestion d'énergie.
• Le segment sol permet le suivi, le contrôle et l'exploitation des satellites.
• Le centre de commande et de contrôle envoie les instructions et surveille la position et l'état du satellite.
• Les stations de réception collectent les données transmises par le satellite.
• Le Mission Ground Segment exploite et distribue les données aux utilisateurs finaux.

Capteurs Dédiés et Nécessaires

• Les capteurs dédiés à la mission principale font partie de la payload.
• Les capteurs nécessaires au fonctionnement du satellite font partie du Bus.

Télémétrie, Commande, Traitement

• La boucle de surveillance et de contrôle implique l'opérabilité, l'observabilité et la commandabilité.
• L'autonomie et l'automatisation sont aussi essentielles.

Système d'Opération

• Le choix du système varie selon le type de mission et les exigences opérationnelles.
• Joystick control : contrôle en temps réel, utilisé en laboratoire ou en LEO.
• Time-tag telecommands : commandes programmées à l'avance, exécutées à des moments précis.
• Event-driven operations : actions en fonction d'événements prédéfinis.
• On-board control procedures (AOC) : programmes internes exécutant des opérations complexes sans intervention au sol.
• Autonomous satellite operations : Le satellite prend ses propres décisions, le plus haut niveau d'autonomie.

Modes Satellites

• Un mode représente un état de fonctionnement spécifique (composants matériels et logiciels utilisés).
• Un mode est défini par un ensemble d'unités matérielles et logicielles, des données de télémétrie, des télécommandes et des conditions de transition.
• Types de modes : nominaux, de repli et de survie. Le FDIR (Fault Detection, Isolation, and Recovery) est essentiel.

Fonctions et Architecture du DHS

• Le DHS (Data Handling System), ou système de gestion des données, est chargé de la collecte, du traitement, du stockage et de la transmission des données.
• Fonctions principales : décoder les télécommandes, générer la télémétrie, contrôler et surveiller, détecter les défaillances, communiquer en interne, synchroniser le temps, traiter et stocker les données.

Système de Contrôle d'Attitude

• L'ACS (Attitude Control System) contrôle et ajuste l'orientation du satellite selon les besoins de la mission.
• Rôle : effectuer l'orientation, assurer les performances de pointage et répondre aux exigences des autres systèmes.
• Des forces perturbatrices peuvent modifier cette orientation.
• Les capteurs sont cruciaux pour mesurer l'orientation et les mouvements du satellite.
• Les capteurs : sun sensor, star tracker, Magnetometre et gyroscope.

Les Roues à Réaction et Momentum

• Roues à réaction fonctionnent selon le principe de la conservation du moment angulaire -Rotation de roues de réaction ou gyroscopes.
• Momentum Wheel stocke du moment angulaire pour aider à maintenir une stabilité d'attitude.

Composantes des Satellites

• Inertia Wheels (Momentum wheel + Reaction wheel).
• Magneto-Torquers (magnétomètres torquants).
• Thrusters et propulsion (chimique, électrique, gaz).

Solar Sailing

• Solar sailing (ou voile solaire) est une technologie innovante utilisée pour propulser des vaisseaux spatiaux - Les particules lumineuses (photons) transportent de l'énergie et, lorsqu'elles frappent une surface réfléchissante, elles exercent une légère pression, générant ainsi une force qui peut être utilisée pour propulser un objet dans l'espace.

Modes SCAO

• Des modes SCAO (Satellite Control and Attitude Operations) permettent d'adapter le comportement du satellite en fonction des conditions et des besoins de la mission.

Alimentation d'un Satellite

• Les satellites utilisent des panneaux solaires pour l'alimentation et le rechargement des batteries.
• L'énergie solaire est priorisée, l'excédent recharge les batteries, et le système protège les batteries de la surcharge.
• En mode nocturne, le satellite fonctionne sur batterie.

Architecture Mécanique et Thermique

• La structure, souvent en alliages légers ou en matériaux composites, doit assurer résistance et stabilité.
• L'architecture thermique gère la température avec isolants, radiateurs et systèmes de régulation.
• Le satellite est exposé au rayonnement solaire, à l'infrarouge terrestre et à l'albédo.
• Enfin, dans l'espace, l'absence d'atmosphère empêche le refroidissement par convection, ce qui signifie que la seule manière pour un satellite d'évacuer la chaleur est par rayonnement.

Aménagement de la Payload

• La disposition de la charge utile est guidée par un instrument principal.
• Les satellites CSO, SWOT et SVOM en sont des exemples.

Configuration de Lancement

• Les contraintes liées à tous les lanceurs potentiels doivent être prises en compte : • Répartition des volumes (plate-forme, charge utile, appendices empilés), • Choix du type d'interface du lanceur (diamètre de la sangle, position des dispositifs pyrotechniques, etc. diamètre des sangles, position des dispositifs pyrotechniques, etc.)

Les Niveaux Mécaniques

• Les niveaux mécaniques (vibrations, acoustique, chocs)

Liaison entre les Composantes

• Une structure est généralement le sous-ensemble qui sert de lien entre les différents composants du satellite ou de ses sous-systèmes.

Fonctions Structurelles Fondamentales

• Fonctions globales de liaison, qui impliquent les trois fonctions structurelles fondamentales suivantes : • Préservation de l'intégrité ou de la résistance (calcul des contraintes et des marges) • Rigidité, détermine le comportement dynamique (analyse modale) • Stabilité, évite les déplacements et les rotations (calcul des déformations)

Structure des Satellites

• La structure d'un satellite peut être divisée en 2 ensembles : • La structure primaire,structure de soutien dans laquelle toutes les forces de transmission à l'interface du lanceur • Les structures secondaires, attachées à la structure principale qui supporte différents équipements

Environnement Mécanique en Phase de Lancement (Chocs)

• Fairing jettisonning (FJ:
• Separation des satellites
• Separation étages etc

Environnement Mécanique en Phase de Lancement (quasi static loads)

• Compression des structures de satellites et les supports

Environnement Mécanique en Phase de Lancement (Vibrations Balayées)

• Vibration sinusoïdale appliqué à la base des satellites.

Environnement Mécanique en Phase de Lancement (Vibration Altéatoire)

• Sujet d'études complexes.

Environnement Acoustique en Phase de Lancement (vibrations internes)

• Les contraintes, générées par le lanceur, se transmettent à travers la structure.

Thermal Control

• Permet d'éviter:Les surchauffes ou les refroidissements excessifs pendant le vol spatial.
• L'isolation thermique, assurée par des matériaux comme le MLI (Multi-Layer Insulation).
• Le rejet thermique est effectué par des radiateurs orientés vers le vide spatial.
• Le transport de chaleur se fait via des caloducs (heat pipes).
• Le chauffage actif, permet de maintenir les composants à une température optimale.

Budget de Masse

• Propulsion chimique VS gaz.

Propulsion Électrique

• Équipé de moteurs ioniques.