Des composants COTS fiables pour les AOCS – Modules Gyro et IMU

Au cours de la dernière décennie, New Space a remis en question les règles de conception établies pour les vaisseaux spatiaux et a prouvé qu’il est possible de concevoir et de lancer de petits vaisseaux spatiaux à une fraction du coût des conceptions traditionnelles. OneWeb a été l’un des pionniers à remettre en question la base de fournisseurs établie en utilisant de nouvelles idées pour réduire les coûts tout en visant une grande fiabilité. L’industrie automobile est probablement le segment industrialisé qui a aujourd’hui le plus progressé dans l’établissement d’une haute fiabilité à faible coût, et c’est ce qui a été l’inspiration initiale derrière l’approche de la fiabilité dans les engins spatiaux basée sur les COTS. Un autre pionnier qui a montré ce qui était possible est l’imagerie SkyBox, qui construit des satellites à faible coût sur une base commerciale, et qui est également l’un des rares à avoir exécuté un plan d’affaires qui a permis aux fondateurs de réaliser un gain financier important.

STIM277H Module gyroscopique 3 axes

Sensonor, un fabricant de capteurs MEMS dont les racines remontent à 1965 et qui a une histoire dans les secteurs de la défense, de la médecine et de l’automobile, a changé d’orientation en 2009 pour s’engager pleinement sur les marchés de la défense, de l’industrie et de l’espace. Elle a entrepris de fabriquer des modules Gyro et IMU en s’appuyant sur les meilleures pratiques de l’industrie automobile et sur une base technologique issue de plusieurs décennies de fabrication de capteurs MEMS. La création d’une entreprise dans le secteur spatial ne figurait pas sur la feuille de route initiale. Après l’introduction de leur premier module gyroscopique, destiné aux utilisateurs du segment de la défense et de la navigation GNSS, quelques clients, dont la NASA, ont décidé de faire voler ces pièces standard lors de plusieurs missions d’évaluation de la technologie des engins spatiaux. Les modules gyroscopiques sont devenus partie intégrante du système de contrôle d’attitude et d’orbite (AOCS) du vaisseau spatial. Ce système remplit une fonction essentielle dans la phase de lancement et de déploiement, ainsi que dans le contrôle opérationnel des systèmes de satellites d’observation de la Terre. Avec des résultats favorables, une série de documents et d’articles ont été publiés en référence aux résultats obtenus grâce aux modules gyroscopiques à bas prix, et plusieurs autres entreprises de New Space ont commencé à faire voler les mêmes pièces. Bientôt, le module gyroscopique était devenu un composant standard de leurs engins spatiaux pour certains constructeurs. Les utilisateurs n’étaient pas toujours désireux ou capables de partager leur expérience opérationnelle. Cela a motivé Sensonor, en collaboration avec l’Agence spatiale norvégienne et l’institut Fraunhofer basé en Allemagne, à concevoir une expérience pour tester les environnements de rayonnement typiques rencontrés sur les orbites LEO. Un nombre relativement important de modules gyroscopiques a été utilisé dans l’expérience et le plan consistait à les tester jusqu’à la défaillance, afin d’établir une compréhension des capacités du système et des conditions de fonctionnement sûres. De plus, dans l’esprit de l’innovation ouverte, Sensonor a décidé que les résultats complets concernant les capacités seraient publiés sous forme de document ouvert, pour soutenir davantage l’esprit de New Space. Il n’a jamais été prévu de fabriquer un produit qualifié pour l’espace, mais d’établir la capacité d’une conception existante.

Étant donné que la conception est constituée de plusieurs composants COTS, il existe toujours un risque dans la mesure où les variations des matières premières peuvent entraîner une incertitude dans la conception du produit complet. Sur la base de l’expérience passée et pour réduire les risques, la philosophie de conception consiste à utiliser des composants qualifiés pour l’automobile qui présentent des taux de défaillance extrêmement faibles et une grande répétabilité. Certains concepteurs d’engins spatiaux atténuent également le risque COTS en faisant parfois fonctionner plusieurs modules gyroscopiques dans leur engin spatial, sur la base de l’acceptation du risque. Suivant un système de gestion des changements automobiles hérité, qui garantit un contrôle strict et une évaluation des risques de toute modification apportée à la conception du système. La fabrication des modules en grande série, avec peu de variantes, assure une fiabilité et une qualité constantes, ainsi qu’un coût réduit.

STIM377H Unité de mesure à inertie

La majorité des systèmes fabriqués par Sensonor sont utilisés dans d’autres industries ainsi que dans le segment spatial. Le segment spatial représente moins de 10 % de son chiffre d’affaires et les livraisons aux clients spatiaux bénéficient de la même chaîne de production et de processus identiques pour tous les clients.

Les modules IMU et Gyro jouent un rôle clé dans de nombreuses applications de défense et spatiales, et les clients ont des exigences élevées en matière de fiabilité et de stabilité à long terme. Certains utilisateurs ont des exigences de fiabilité allant jusqu’à 30 ans, et la meilleure façon d’aborder cette question était de concevoir une pièce hermétique.

Ayant un design sur le marché depuis près d’une décennie, il a établi la norme en matière de taille, de poids et de connectivité, ce qui signifie que le nouveau design devait répondre à une forme, un ajustement et une fonction établis. L’exigence générale d’un nouveau module gyroscopique hermétique s’est également reflétée dans le segment spatial.

La conception choisie est un boîtier hermétique en aluminium avec un connecteur électrique micro-d scellé verre-métal et un couvercle soudé au laser pour garantir un fonctionnement hermétique à long terme et pour être conforme à la norme MIL-STD-883J, classe H.

La fabrication d’un modèle hermétique en aluminium était un défi qui avait d’abord été anticipé et qui a nécessité le développement de nouvelles technologies, la compréhension des matériaux et de nouveaux procédés de scellage et de test.

Après trois ans de développement et un programme de qualification qui teste l’espérance de vie de 10 et 20 ans, la conception hermétique est maintenant disponible pour la production.

Des exigences supplémentaires de la communauté spatiale sont incluses dans la conception, telles que l’absence de tout autre traitement de surface que le SurTec650, l’emballage en salle blanche et une étiquette que l’utilisateur peut apposer sur la pièce en option. Les pièces hermétiques tiennent également compte de la sensibilité à l’hélium, dont certains clients ont fait l’expérience, et sur laquelle la NASA a également publié des informations. Comme certains lanceurs contiennent de grandes quantités d’hélium qui s’écoulent librement et qui peuvent atteindre la charge utile, l’unité hermétique rend la conception de l’engin spatial plus robuste pour une utilisation sur n’importe quel lanceur. Le module gyroscopique hermétique bénéficie des plus grandes séries de production, ce qui n’entraîne qu’une pénalité de coût marginale pour une solution hermétique tout en permettant de supporter un module gyroscopique à trois axes capable de fonctionner dans l’espace pour moins de sept mille dollars.

Connecteur électrique micro D scellé verre-métal

Le capteur continuera à servir le segment spatial et construit actuellement les premiers prototypes d’une nouvelle version de l’IMU et d’un gyroscope pour traiter les niveaux de rayonnement plus élevés. Plusieurs des utilisateurs actuels aimeraient voir une solution pour les missions spatiales de plus longue durée et d’autres orbites avec des niveaux de rayonnement plus élevés, tout en conservant le même SWaP. Les essais de rayonnement des

cette nouvelle conception est prévue pour le début de 2021, un produit éventuel étant qualifié pour la production fin 2022.

Enfin, il est également intéressant d’observer que Old Space a commencé à évaluer les COTS pour leurs missions et adopte certaines des idées de New Space, ou voit la nécessité d’établir des lignes de produits similaires à celles que New Space a prouvé.