La mission

Le "payload" (la charge utile), c'est l'expérience scientifique que transporte Swisscube, c'est la raison d'être de ce satellite.

Remarquez que "raison d'être", c'est un peu vite dit car, en fait, la raison d'être de ce premier engin qui va  tourner pendant quelques mois autour de notre mère la Terre, c'est la formation de nos jeunes ingénieurs! A l'instar des bâtisseurs de cathédrales ou des alchimistes d'antan, la finalité de l'action n'est pas de voir tourner cet engin autour de la Terre, mais consiste à faire apprendre à concevoir, à construire, à tester et, finalement, à satelliser cet objet bourré d'électronique et de savoir-faire.

"Savoir faire" un agrégat d'électronique de haut niveau, de mécanique hyper précise et de logiciel pas forcément sophistiqué mais surtout fiable. Voilà ce que vont exercer nos ingénieurs pendant leurs travaux de master à l'EPFL et dans les hautes écoles associées au projet. La finalité n'est donc pas absolument de voir ce satellite faire son boulot, jour après jour, à 800 km d'altitude, mais  de le concevoir et le construire. Et puis tant mieux s'il fonctionne comme prévu, ce sera la récompense de nos ingénieurs spatiaux en herbe, la cerise sur le gâteau.

Et puis il y a cette collaboration avec les entreprises associées, qui permettent cette expérience unique pour nos étudiants, construire un satellite artificiel. Quelques ténors de notre industrie spatiale ont vite compris l'intérêt d'une telle équipée. Je t'offre l'accès à nos équipements de test (vibration, température, rayonnements, etc.), je te donne de l'argent pour payer les composants, équipements et salaires, et en contrepartie, tu nous formes les ingénieurs dont nous avons besoin. Honnête comme deal non?

Alors voilà Noémy Scheidegger, joli petit bout de femme de 25 ans, modeste, intelligente et sympathique. C'est elle qui est en charge du payload du projet Swisscube. Elle travaille à 15 pourcents pour lui et les 85 autres pour un autre projet de l'ESA (European Space Agency, dont notre pays fait partie), qui est d'ailleurs dérivé de l'expérience embarquée par Swisscube. Elle coordonne le travail de deux étudiants, un pour l'électronique et un pour l'optique. Voilà l'objet de toutes ses attentions:

Le payload de Swisscube: le télescope

Le "télescope" est la caméra qui confirmera ou infirmera l'intuition de l'équipe du LMTS (Laboratoire des Microsystèmes pour les Technologies Spatiales ditigé par le professeur Herbert Shea), à l'origine de cette expérience !... Le phénomène Airglow (embrasement de l'air) est-il présent jour et nuit autour de la Terre, comment varie-t-il, a-t-il une relation avec la couche d'ozone dont on parle tant pour l'avenir météorologique de notre environnement ? Telles sont les questions auxquelles il doit répondre.

Lors d'une de ses missions dans la Space shuttle, l'attention de Claude Nicollier, notre astronaute national, avait été attirée par une couche lumineuse qui entourait la Terre à quelque 80 à 120 km d'altitude, le phénomène d'airglow.  

Cette photoluminescence est créée par le bombardement des photons (grains de lumière) du soleil sur les atomes d'oxygène des très hautes couches de l'atmosphère. Ces derniers sont excités et produisent à leur tour de la lumière, ils deviennent luminescents. Et c'est ce phénomène qu'on peut observer facilement lorsqu'on se trouve au-dessus de cette couche.

Photo NASA

Quelle est la fonction du "télescope" de Swisscube ?

Il va tenter de "voir" ce phénomène car en fait le télescope est une caméra. Le but de l'opération est de détecter cette couche lumineuse qui enveloppe la Terre et ensuite de diriger les satellite de telle façon que la caméra puisse en prendre une photo, qui sera ensuite mémorisée et expédiée à la station terrienne pour analyse dès que le satellite sera à vue des antennes de la station terrienne de l'EPFL.

 
Dessin de Mirsad Sarajlic (étudiant HEIG-VD), qui travaille sur l'optique du télescope

Cette pièces de haute technologie de quelque 50 mm de longueur et pesant 40 grammes comporte trois parties:
 

La partie porte-détecteur, à gauche. Ce dernier est un circuit-intégré standard du commerce (les circuits de qualité "spatiale" coûtent bien trop cher pour le modeste budget de Swisscube), une matrice de technologie C-MOS MT9V032L12STM ES de 752 x 480 pixels mais bridé à 188 x 120 pixels (1 sur 4), chacun d'entre eux étant capable d'échantillonner sur une profondeur de 10 bits (= 1024 pas). C'est un peu l'équivalent du détecteur qui se trouve sur votre appareil de photo numérique mais d'une résolution plus grossière. Là où on trouve des capteurs de 6 à 10 Mpix (Mégapixels, millions de pixels), Swisscube n'a, lui, que 22'560 pixels.

Question: Pourquoi ne pas lui avoir attribué un capteur qui aurait pu prendre des photos de l'air glow en haute résolution ? Parce que le signal de l’Airglow est très faible et qu’une trop haute résolution diminuerait le flux de photons sur un seul pixel.
 

A ce stade du projet, la vitesse de transmission choisie est de 1200 bps (bits par seconde). Une image de 22'560 pixels de 10 bits chacun, si elle était entièrement transmise, prendrait dont dans les 7-8 minutes pour être acheminée au sol. Et si des parties devaient êtres répétées parce que reçues avec des erreurs, ce serait encore plus long. Lorsqu'on sait que cela correspond à peu près à la fenêtre de réception d'un passage optimal (à la verticale) du satellite, on comprend qu'on ne pourrait pas transmettre une image plus "fouillée". Ce serait d'ailleurs inutile puisqu'il ne s'agit pas de "prendre une photo en couleur et très piquée" du phénomène, mais uniquement de le détecter et de savoir s'il est présent ou pas. Notre capteur est donc parfaitement adapté à la mission qui lui est assignée. Plus de pixels, ce serait moins bien...

Au milieu se trouvent les 3 lentilles qui permettent au capteur de "voir net" et le filtre (en vert sur la coupe) qui ne laisse passer qu'une seule longueur d'onde. Il faut se rappeler que la lumière est en fait une onde radio et que chaque couleur correspond à une longueur d'onde. Dans notre cas, le filtre est un passe bande qui laisse passer la longueur d'onde de 760 nm (nanomètres). Cela correspond au proche infrarouge.

Pour mémoire, dans le sens croissant des fréquences (donc décroissant des longueurs d'onde), l'arc-en-ciel lumineux commence par le rouge (en dessous c'est l'infrarouge, non visible), passe par toutes les couleurs de l'arc en ciel, et finit par le violet (en dessus c'est l'ultraviolet, non visible également).

Tout à droite, là où la lumière entre dans le télescope, se trouve un filtre optique destiné à atténuer la lumière incidente qui pourrait "éblouir" la caméra. Il est composé de plusieurs couronnes circulaires percées prises entre des entretoises. Par le jeu des réflexions sur les couronnes de formes étudiées, la lumière qui arrive sur les côtés de l'objectif est déphasée, contrephasée, atténuée et réfléchie vers l'extérieur du télescope dans un rapport de 40 dB (10'000 fois).

Le corps du télescope est en titane, métal très dur, résistant et léger, mais aussi difficile à usiner. Il comporte aussi de l'aluminium et d'autres métaux. L'ouverture de l'objectif est de 20 degrés dans les deux axes.
 

L'électronique est assez simple puisque sa fonction est de scanner le détecteur et transmettre le contenu de chaque pixel au module CDMS (Command and Data Management System) du satellite.

Elle le fait par paquets de bits grâce à un microcontrôleur MSP430 et le tout prend une trentaine de secondes. A noter que le payload ne participe que dans une très faible mesure à la consommation d'énergie puisqu'il ne prend que 150 mW sur la batterie de bord et qu'il est mis hors service entre chaque prise de vue.
 

Michel Vonlanthen HB9AFO 10 août 2007
(en collaboration avec Noémy Scheidegger)