Les petits satellites, une nouvelle tendance pour la science et l’industrie

« Le petit satellite a changé de domaine », note Daniel Hernandez, du Centre National d’Etudes Spatiales, co-président de l’édition 2004 du Symposium sur les Systèmes et Services à Petits Satellites (4S) et principal organisateur des éditions précédentes depuis 1992. « En quelques années, nous sommes passés de concepts et de projets proposés, pour l’essentiel, par des petites équipes ou des universitaires et qui portaient sur des missions de démonstration technologique à des programmes d’application et des missions scientifiques de premier plan gérés par les plus grandes agences spatiales avec une forte implication des plus grands industriels du marché ».

Une tendance à laquelle n’échappe pas l’Agence Spatiale Européenne, qui pilotait pour la première fois cette année, la co-organisation du le symposium 4S. Cette édition 2004 a rassemblé quelque 200 délégués venus de 25 pays fin septembre à La Rochelle.

Les succès du microsatellite PROBA-1 (94 kg) et de la sonde SMART-1 (370 kg) ont démontré que des missions de grande qualité peuvent être accomplies avec des satellites de petite taille. Dès le printemps prochain, avec Cryosat, l’ESA commencera en outre à lancer ses premiers satellites de la famille Earth Explorer, qui bénéficient eux aussi des avancées réalisées dans le domaine des petits satellites - notamment au niveau des plates-formes - aussi bien par l’industrie ou par les agences elles-mêmes. Ainsi, le satellite SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), qui sera lancé en 2007, utilisera-t-il la plate-forme Proteus développée sous l’égide du CNES et introduite sur le marché en 2001 pour faciliter le développement de missions à petits satellites. Cette même plate-forme sera également utilisée pour le satellite d’astrosismologie Corot, du CNES, auquel l’ESA apporte une importante contribution.

Les deux derniers programmes adoptés par l’ESA relèvent du domaine des petits satellites et ont tous deux fait l’objet de communications à La Rochelle.

Minisatellites pour veiller sur la Terre

Adopté en juin dernier comme cinquième membre de la famille Earth Explorer, le programme Swarm (en anglais « Essaim ») fera appel à trois minisatellites pour étudier le champ magnétique terrestre et ses interactions avec l’environnement terrestre. « Sur les derniers 150 ans, la composante du dipôle axial du champ magnétique terrestre a faibli de 10%. C’est une baisse 10 fois plus rapide que celle qu’on aurait enregistré si la “dynamo” à l’origine du champ avait été tout simplement coupée », explique Flemming Hansen, en charge de la technologie des petits satellites à l’Institut de Recherche Spatiale Danois. « Cet affaiblissement est caractéristique d’une inversion des pôles magnétiques de la Terre, un phénomène qui se produit en moyenne une fois tous les 500 000 ans ». Or le champ magnétique terrestre joue un rôle crucial sur l’environnement de la planète, en piégeant les particules chargées du vent solaire et en nous protégeant des rayonnements les plus durs, mais aussi en agissant sur la dynamique de la thermosphère, et peut-être même en influant directement sur l’évolution de la basse atmosphère. Les trois satellites de Swarm auront donc pour mission d’étudier et de discriminer les différentes sources du géomagnétisme, du noyau terrestre aux roches magnétiques dans la croûte en passant par les courants électriques de l’ionosphère et de la magnétosphère, ou les courants induits par la circulation océanique, voire par la variation du champ magnétique lui-même.

L’étude de ces phénomènes par une constellation de petits satellites (300 kg chacun) permettra de multiplier les points de mesure et donc de fournir un meilleur aperçu du comportement dynamique des sources magnétiques étudiées. Le lancement de Swarm est prévu pour le début de 2009.

Petits démonstrateurs pour grandes missions

Le succès du petit satellite PROBA-1 (Project for On-Board Autonomy), lancé en octobre 2001 pour une mission d’un an et qui vient de fêter son troisième anniversaire en orbite, ont amené l’ESA à lancer le développement d’un PROBA-2 de 120 kg qui sera lancé fin 2006. Alors que les deux caméras de PROBA-1 observent la Terre, PROBA-2 emportera deux instruments de l’Observatoire Royal de Belgique à Uccle destinés à l’étude du Soleil. Il comportera une dizaine d’expérimentations technologiques dont un ordinateur de bord d’une capacité décuplée et d’un volume réduit par rapport à celui de PROBA-1 ainsi que des concentrateurs permettant d’accroître le rendement des générateurs solaires. Le contrat de maîtrise d’œuvre de PROBA-2 a été signé avec l’industriel belge Verhaert le 15 juillet.

L’expérience acquise avec les programmes SMART et PROBA démontre que des petits satellites peuvent jouer un rôle majeur dans la démonstration de nouvelles technologies destinées à des missions beaucoup plus complexes et ambitieuses. Ainsi, parmi les charges utiles technologiques expérimentales de PROBA-2, figurera le senseur stellaire développé pour la sonde BepiColombo vers Mercure.

L’ESA et EADS Astrium viennent ainsi d’achever une étude de faisabilité pour une mission PROBA-3 destinées à démontrer à faible coût les technologies de vol en formation nécessaires aux futurs grands interféromètres spatiaux étudiés par l’ESA notamment pour rechercher des traces de vie sur des planètes extra-solaires de type terrestre.

« Deux satellites de 120 kg en orbite de transfert permettraient de démontrer les technologies de positionnement relatif et de pointage fin par radiofréquences ainsi que l’utilisation de systèmes de métrologie optique pour le vol en formation avec une précision relative de l’ordre de 10 microns » explique Frédéric Teston, chef de programme PROBA à l’ESTEC, le centre technique de l’ESA à Noordwijk, aux Pays-Bas. En effet, des missions futures demanderont une précision inférieure au micron, ce qui impliquera une parfaite connaissance des positions relatives des satellites, la précision finale étant acquise à l’intérieur même de la charge utile optique. « Par ailleurs, les technologies à développer avec un programme comme PROBA-3 pour le vol en formation incluront le développement des logiciels qui assureront la stabilité de la formation et éviteront les risques de collisions lors des manœuvres ».

Des essaims de sondes

L’utilisation de microsatellites produits en grande série peut changer spectaculairement la manière de concevoir une mission spatiale, aussi l’ESA a-t-elle lancé des études sur les possibilités offertes par l’utilisation de véritables « essaims » de tels satellites. Parmi les concepts envisagés, celui de la mission APIES (Asteroid Population Investigation & Exploration Swarm) - étudiée par EADS Astrium et présentée à La Rochelle - pour explorer rien moins qu’une centaine d’astéroïdes de la grande ceinture en à peine six ans, soit un survol toutes les 2 à 3 semaines.

Une sonde principale de 550 kg, baptisée HIVE (Hub & Interplanetary VEhicle, mai aussi « ruche » en anglais) déploierait 19 mini-sondes BEE (BElt Explorers, « abeille ») de 45 kg chacune, évoluant en formation autour d’elle. Cette formation permettrait à chaque petite sonde, au prix de modiques modifications de trajectoire, d’intercepter 4 à 6 astéroïdes pour les étudier, notamment en vue d’en définir la masse et la texture, deux données essentielles à la compréhension des différentes familles d’astéroïdes. La sonde principale collecterait les données recueillies et les retournerait vers la Terre.

L’utilisation d’un essaim réduirait le coût unitaire des sondes tout en augmentant la flexibilité et la redondance de la mission.

Vega, lanceur européen pour ce nouveau marché

L’implantation de l’ESA dans le secteur des petits satellites ne sera complète qu’en 2007, lorsque l’agence mettra en œuvre le dernier élément qui lui manque encore : un système de lancement dédié. A La Rochelle, le lanceur Vega a pour la première fois fait l’objet d’une présentation conjointe par l’ESA, Arianespace et l’industrie.

Exploité depuis le Port Spatial de l’Europe à Kourou, il sera capable de placer 1 500 kg en orbite héliosynchrone, ce qui en fera le lanceur idéal pour les futurs satellites de la famille Earth Explorer, mais aussi tous les petits satellites d’observation à l’étude par les agences nationales ou les industriels. De plus, il disposera d’une capacité de lancement multiple pour des satellites de 300 à 1 000 kg ou des grappes de microsatellites.

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Frédéric Teston
Chef de programme PROBA
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