Cube de pluie, devrait voler en 2017, contraint les ingénieurs de JPL à faire preuve de créativité afin d'insérer une antenne dans un CubeSat. Crédit :Tyvak/Jonathan Sauder/NASA/JPL-Caltech
Magie noire. C'est ce que les ingénieurs en radiofréquence appellent les forces mystérieuses qui guident les communications par voie aérienne. Ces forces impliquent une physique complexe et sont suffisamment difficiles à maîtriser sur Terre. Ils deviennent encore plus déconcertants lorsque vous envoyez des signaux dans l'espace.
Jusqu'à maintenant, la forme de choix pour lancer cette "magie" a été la parabole. Plus l'antenne parabolique est grande, mieux c'est pour "attraper" ou transmettre des signaux de loin.
Mais les CubeSats changent cela. Ces engins spatiaux sont censés être légers, bon marché et extrêmement petit :la plupart ne sont pas beaucoup plus gros qu'une boîte de céréales. Soudainement, les concepteurs d'antennes doivent emballer leur « magie noire » dans un appareil où il n'y a pas de place pour une parabole, sans parler de bien d'autres choses.
"C'est comme tirer un lapin d'un chapeau, " dit Nacer Chahat, spécialiste de la conception d'antennes au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, Pasadéna, Californie. "Réduire la taille du radar est un défi pour la NASA. En tant qu'ingénieurs spatiaux, nous avons généralement beaucoup de volume, Donc, construire des antennes emballées dans un petit volume n'est pas quelque chose pour lequel nous sommes formés."
Défi accepté.
Chahat et son équipe ont repoussé les limites de la conception d'antennes, et a récemment travaillé avec une équipe CubeSat sur l'antenne pour Radar In a CubeSat (RainCube), une mission de démonstration technologique dont le lancement est prévu en 2018. L'antenne distinctive de RainCube ressemble un peu à un parapluie fourré dans un jack-in-the-box; lorsqu'il est ouvert, ses nervures s'étendent hors d'un bidon et déploient un maillage doré.
Le responsable radiofréquence de RainCube, Nacer Chahat (à droite) et le responsable de l'ingénieur en mécanique Jonathan Sauder (à gauche) observent l'antenne déployée du CubeSat. Crédit d'image :NASA/JPL-Caltech
Comme son nom l'indique, RainCube utilisera un radar pour mesurer la pluie et les chutes de neige. Les CubeSats sont mesurés par incréments de 1U (une unité CubeSat, ou 1U, équivaut à peu près à une boîte cubique de 4 pouces, ou 10x10x10 centimètres cubes). L'antenne RainCube doit être suffisamment petite pour être entassée dans un conteneur 1.5U. Pensez-y comme une antenne dans une boîte, sans place libre pour autre chose.
"Grand, les antennes déployables qui peuvent être rangées dans un petit volume sont une technologie clé pour les missions radar, " a déclaré Eva Peral du JPL, chercheur principal pour RainCube. "Ils ouvrent un nouveau domaine de possibilités pour l'avancement de la science et des applications uniques."
Pour conserver sa taille relativement petite, l'antenne repose sur la haute fréquence, Longueur d'onde de la bande Ka - quelque chose qui est encore rare pour les CubeSats de la NASA, mais est parfaitement adapté à RainCube. Mais la bande Ka a d'autres utilisations que le radar. Il permet une augmentation exponentielle du transfert de données sur de longues distances, ce qui en fait l'outil parfait pour les télécommunications.
La bande Ka permet des débits de données environ 16 fois supérieurs à la bande X, la norme actuelle sur la plupart des vaisseaux spatiaux de la NASA.
Dans ce sens, le développement de l'antenne de RainCube permet de tester plus généralement l'utilisation des CubeSats. Alors que la plupart se sont limités à de simples études en orbite proche de la Terre, la bonne technologie pourrait leur permettre d'être utilisés aussi loin que Mars ou au-delà. Cela pourrait ouvrir les CubeSats à toute une gamme de missions futures.
"Pour permettre la prochaine étape de l'évolution de CubeSat, vous avez besoin de ce genre de technologie, " a déclaré Jonathan Sauder du JPL, responsable de l'ingénieur mécanicien pour l'antenne RainCube.
Chahat a rejoint l'équipe RainCube après avoir travaillé sur une autre conception d'antenne innovante. La mission MarCO (Mars Cube One) se compose d'une paire de Cubesats qui ont été proposés pour voler en 2018 avec l'atterrisseur InSight de la NASA, qui mesurerait pour la première fois la tectonique de la planète rouge. Pendant qu'InSight se pose, les deux MarCO CubeSats relayeraient les informations sur le retour sur Terre. Tout comme RainCube, MarCO est avant tout une démonstration technologique; il testerait comment les futures missions pourraient utiliser les CubeSats pour transporter des relais de communication avec eux, permettant aux chercheurs de savoir ce qui se passe sur le terrain beaucoup plus rapidement.
L'équipe qui a développé l'antenne à gain élevé Mars Cube One (MarCo). Le superviseur du groupe Richard Hodges (à l'extrême gauche) et Nacer Chahat (à l'arrière avec une chemise noire) ont conçu l'antenne à gain élevé. Crédit :NASA/JPL-Caltech
La conception MarCO ne ressemble en rien à une antenne typique. Au lieu d'un plat rond se trouvent trois panneaux plats parsemés de matériau réfléchissant. La forme et la taille de ces points forment des anneaux concentriques qui imitent la courbe d'un plat. Tout comme un plat pourrait, ce motif en mosaïque de points focalise le signal rayonné par l'alimentation de l'antenne vers la Terre.
"De nouvelles technologies comme celles-ci permettent à la NASA et au JPL de faire plus avec moins, " a déclaré John Baker du JPL, responsable de programme pour MarCO. "Nous voulons permettre d'explorer n'importe où dans le système solaire."
RainCube et MarCO mettent en évidence des solutions de contournement créatives aux limites de taille des CubeSats. La prochaine astuce pour Chahat et ses collègues consistera à combiner ces conceptions dans une antenne encore plus grande :un réseau réflecteur mesurant 3,3 pieds sur 3,3 pieds (1 mètre sur 1 mètre) et composé de 15 panneaux plats. Ces panneaux segmentés se déplieraient comme la surface plane de MarCo's, tandis que l'alimentation de l'antenne se télescoperait comme l'antenne de RainCube. Cette antenne s'appellerait OMERA, abréviation de One Meter Reflectarray.
"Si nous pouvons étendre la technologie à un mètre de taille, l'antenne OMERA repoussera les limites de ce qui peut être pratiquement piloté aujourd'hui sur un CubeSat, " dit Tom Cwik, responsable des technologies spatiales au JPL.
Un prototype de l'OMERA CubeSat devrait être prêt d'ici mars 2017.
« La plus grande baie d'OMERA produira un gain plus élevé pour les applications de télécommunications, ou produira des largeurs de faisceau plus étroites pour les besoins des sciences de la Terre, " a déclaré Chahat. Cela signifie que nous serions capables de nous aventurer encore plus loin dans l'espace lointain et que nous disposerions de radars encore plus puissants et précis. "
