05 September 2021

Notre constellation va décoller !

TECHNO FLASH #4

Echanger des données IoT entre un terminal au sol et un satellite à 650 km d’altitude, c’est une chose. Créer et installer un réseau spatial avec une couverture mondiale homogène, c’en est une autre !

1/3 La constellation Kinéis

Nous avons imaginé – enfin, calculé pendant des mois… – que le maillage idéal de notre constellation pour réduire la durée maximum entre 2 passages de satellites (ou « temps de revisite » dans le jargon spatial), est de positionner les 25 nanosatellites sur 5 plans orbitaux équirépartis, soit 5 satellites par plan. Et nous n’avons pas choisi ces plans par hasard mais avec deux caractéristiques bien précises, particulièrement utiles pour notre constellation :

  • Les satellites passent par les pôles Nord et Sud de la Terre, où ils se croisent. Leurs mouvements de rotation (sur leur orbite) couplés à ceux de la Terre, permettent de couvrir l’intégralité de la surface du globe, 2 fois par jour pour chacun de nos 25 satellites.
  • Les orbites conservent un angle constant par rapport au Soleil, permettant aux satellites d’être illuminés de façon régulière au fil des jours et de l’année. Cela permet d’optimiser la charge des batteries par les panneaux solaires … batteries fort utiles lorsque les satellites sont à l’ombre de la Terre !

Ces orbites sont appelées « polaires héliosynchrones » ou « SSO » pour Sun-Synchronous Orbit.

Pour positionner correctement chacun des 25 nanosatellites et obtenir directement la configuration souhaitée de la constellation, la solution flexible et sur mesure d’un micro-lanceur est la mieux adaptée. D’abord, en étant seul à bord de chaque fusée, nous pouvons choisir nos dates de lancement et garder la maîtrise de notre planning, très serré. Ensuite, cela permet d’injecter directement nos satellites sur leur plan d’orbite final, et ainsi de ne pas dépenser inutilement du temps, de la masse et du carburant pour les faire dériver jusqu’à leur position finale. Enfin, en utilisant la même fusée, le développement et la production série des 25 satellites sont largement simplifiés au niveau du design (nous devons rentrer sous la même coiffe) et du plan d’essais (nous devons résister aux mêmes environnements lanceurs !).

Pour mettre en orbite l’intégralité de notre constellation sur 5 plans, il nous faudra donc 5 lancements de 5 satellites chacun !

Qu’est-ce qu’un nanosatellite Kinéis ?

Son poids est de 30kg, il a la forme d’un parallélogramme à base carrée d’à peu près 20x40cm de côté,(environ 16U) pour une longueur totale avec antennes déployées, de 1m50 environ.
Voici une vue d’artiste illustrant le satellite Kinéis en vol :

Afin de prendre le minimum de place sous la coiffe du lanceur, nos antennes ainsi que nos panneaux solaires sont repliés durant le lancement, ils sont dits « gerbés ».
Voici une image illustrant le satellite Kinéis en configuration gerbée :

2/3 L’heure du départ approche…

Le lancement est une phase très sensible et stressante (à tous point de vue !) dans la vie d’un satellite. Et dans notre cas, il y a 5 lancements en quelques mois.
Nos satellites sont conçus, fabriqués et assemblés en « salles blanches » dans un environnement douillet et protégé chez nos partenaires industriels en France. A l’issue des ultimes tests et validations, ils sont préparés pour le transport vers le pas de tir de Rocket Lab en Nouvelle Zélande et mis en conteneur. Pendant toute la durée du transport, les données de température, hygrométrie et chocs à l’intérieur du conteneur sont scrupuleusement enregistrées.

A l’arrivée, les formalités douanières remplies, un ultime transport par route les amène dans les salles blanches de Rocket Lab. Les satellites sont inspectés et on procède aux compléments de charge batterie et aux dernières finalisations avant le vol. Ces opérations durent environ 2 semaines pour 5 satellites.
C’est alors que commencent les opérations combinées entre satellites et lanceur, pendant lesquelles Rocket Lab et Kinéis vont travailler conjointement.

C’est le moment de l’intégration des 5 satellites sur le dispenseur lanceur, lui-même fixé sur le 3ième étage d’Electron, le fameux « Kick Stage » propulsé de Rocket Lab. Une fois les dernières vérifications réalisées, le Kick Stage et les satellites sont mis sous coiffe (Fairing). Le composite supérieur ainsi constitué est ensuite intégré aux deux autres étages de la fusée, et le tout roule vers le pas de tir puis est redressé à la verticale : nos satellites sont prêts pour leur ultime voyage !

Electron de Rocket Lab

Pour Kinéis, le lanceur choisi est Electron de Rocket Lab, qui décollera de Nouvelle Zélande.
Electron fait partie de la catégorie des micro-lanceurs. Il dispose d’une structure en carbone qui mesure 18 mètres de haut pour un diamètre de 1,2 m. Sa masse au décollage est de 13tonnes. Il est doté de 3 étages pour une performance de 170kg en orbite SSO à 650 km.
Le premier étage est propulsé par 9 moteurs Rutherford de 24kN de poussée chacun, c’est-à-dire qu’un seul d’entre eux pourrait faire décoller un objet de 2,4t. C’est un moteur bi-ergols Oxygène liquide / Kérozène alimenté par des turbopompes électriques.  Le second étage est propulsé par ce même moteur Rutherford adapté au vide de 24,8kN de poussée.
Enfin, le Kick Stage, placé sous la coiffe, est propulsé par un moteur Curie spécialement développé par Rocket Lab.

En moins d’1 h Chaque lancement Kinéis suivra les étapes suivantes :

  • H0 : décollage
  • H0+155s : extinction 1er étage
  • H0+158s (altitude 78km) : séparation 1er étage
  • H0+162s (altitude 82km) : allumage 2ième étage
  • H0+184s (altitude 126km) : séparation coiffe
  • H0+535s (8 min 90 s) : extinction 2ième étage
  • H0+539s : séparation 2ième étage
  • Timing selon besoin mission : allumage 3ième étage (Kick Stage)
  • Timing selon besoin mission : extinction 3ième étage (Kick Stage)
  • Timing selon besoin mission : séparation des satellites

3/3 Une fois là-haut, ce n’est toujours pas terminé !

La mission de Rocket Lab s’achève lorsque les 5 satellites sont injectés sur la bonne orbite, avec quelques secondes d’écart pour minimiser les risques de collision. Chaque satellite déclenche alors une séquence automatique de quelques heures où se succèdent : la mise ON de l’ordinateur bord, le déploiement des panneaux solaires et des antennes puis le contrôle d’attitude du satellite pour caler l’orientation des panneaux solaires face au soleil. Nous pouvons alors établir le tout premier contact avec le satellite depuis le centre de contrôle.

Les 5 satellites lancés ensemble sont toujours groupés à proximité les uns des autres. Il ne reste plus qu’à les équirépartir le long de l’orbite. En fait, l’altitude d’injection est inférieure à l’altitude opérationnelle de la constellation (635 km contre 650 km), ainsi ils volent sur le plan orbital final à une vitesse plus élevée que celle souhaitée. Par télécommande à partir de nos stations-sol, nous déclenchons la montée en altitude, un par un, lorsque leur positionnement angulaire sur le plan d’orbite est atteint. Il faut 4 à 5 semaines pour finaliser la mise à poste grâce au système de propulsion électrique

L’ultime étape est la recette en vol pour vérifier en orbite le bon fonctionnement de tous les instruments à bord.

Toutes ces étapes vont se répéter 5 fois pour les lancements et 25 fois pour les satellites à un rythme infernal en 2023, mais le jeu en vaut la chandelle car la constellation entière sera prête à connecter vos objets partout dans le monde, en l’espace de quelques semaines après le dernier lancement, et pour 8 ans minimum !