Centre Spatial de l'École Polytechnique

Le projet de nanosatellite IonSat vise à étudier l'extension de la durée de vie des missions en orbite très basse en utilisant un propulseur électrique pour maintenir l'altitude d'un cubesat 6U (10 cm x 20 cm x 30 cm) en VLEO, à 300 km d'altitude.

Alors qu'il approche de sa phase finale, ce projet ambitieux et passionnant nécessite des étudiants motivés et prêts à affronter les difficultés multidisciplinaires de projets spatiaux réels. Dans ce contexte, nous proposons différents sujets PSC :

1. Finalisation et production de la structure de IonSat, ce qui implique l'étude de la réponse de la structure aux vibrations et aux gradients de température.
2. Préparation des tests nécessaires pour valider l'architecture et l'implémentation d'IonSat. Ce sujet implique : Développement d'un modèle de flatsat pour tester la compatibilité des systèmes électroniques, la consommation d'énergie, les batteries et les interfaces électriques. Identification/Création d'un équipement électrique de soutien au sol pour émuler la consommation des différents composants du satellite.
3. Finalisation et validation du Datalink pour IonSat, ce qui implique : L'adaptation du transceiver radio au système IonSat, la définition des paquets d'information à échanger avec le sol, la finalisation des paramètres RF, et la simulation des messages TC/TM en utilisant le logiciel de contrôle du moniteur pour la communication avec le sol.
4. Mise en œuvre des algorithmes de contrôle utilisés par le système de contrôle d'attitude et d'orbite (AOCS). Cela implique la vérification et la validation de différents plans de mission, ainsi que l'identification de stratégies de détermination d'orbite.

IonSat sera lancé en 2025.

Sujet.
Le CSEP propose différentes études de phase A pour la préparation de ses futurs projets de nanosatellites.
Ce projet vise à définir un petit satellite, de la taille d'un CubeSat, qui sera utilisé pour soutenir la mission scientifique BepiColombo. BepiColombo est un satellite ESA-JAXA lancé en 2018 qui entrera en orbite avec Mercure en décembre 2025.
BepiColombo étudiera, entre autres, les émissions de rayons X et UV liées à l'exosphère de Mercure.
Avec ce projet PSC, le CSEP propose d'étendre le retour scientifique des mesures de BepiColombo avec des observations synergiques simultanées de Mercure faites par un petit satellite étudiant en orbite autour de la Terre.

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de réaliser un étude de phase A pour définir un nanosatellite qui effectuera, en synergie avec BepiColombo, des mesures d'observation UV / X-rays de Mercure.

Sujet.
Ce projet, proposé par une future StartUp, vise à définir une constellation de satellites ayant pour objectif de cataloguer les petits débris à des altitudes supérieures à 550 km. En effet, le grand nombre de débris en orbite autour de la Terre représente un problème important pour les satellites.
Chaque jour, plusieurs alertes de collisions obligent les satellites à effectuer des manœuvres d'urgence. Mais les petits débris ne sont catalogués qu'à basse altitude en raison des capacités d'observation des stations au sol.
Dans ce contexte, une constellation en LEO pourrait fortement améliorer les capacités d'observation des débris, ce qui permettrait une forte amélioration du système d'alerte.

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de réaliser une étude de phase A pour définir une constellation de satellites qui effectueront des mesures d'observations (optiques) de petits débris à des altitudes supérieures à 600 km.
Ce travail implique l'étude du profil de la mission, la définition de la plateforme et de sa charge utile, et l'identification des COTS compatibles avec les spécifications de la mission.

Sujet.
Les ballons constituent à l’évidence un des moyens les mieux adaptés aux études de l’électricité atmosphérique : ils permettent d’explorer la gamme d’altitude qui est le siège de la plupart des mécanismes à l’origine de l’électricité atmosphérique et les causes directes de nombreux phénomènes qui lui sont associés.
L’objectif de ce PSC est de développer et de faire voler sous un ballon une nacelle légère embarquant une instrumentation permettant la mesure du champ électrique, de la conductivité de l’atmosphère et des ondes électromagnétiques engendrées par les orages lointains.
Ce projet servira ainsi de banc d’essai pour des techniques expérimentales nouvelles qui pourraient être proposées sur des vols de ballons stratosphériques dans le cadre des programmes STRATEOLE et STRATELEC sous l'égide du CNES.

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est d'étudier les ondes électromagnétiques émises dans l'atmosphère par les orages. Pour ce faire, les étudiants devront (i) concevoir, (ii) fabriquer et (iii) tester une nacelle pour mesurer les ondes électromagnétiques in situ. La nacelle sera lancée, lors de campaignes de mesure,
avec des petits ballons méteo.  

Sujet.
Le projet X-Rocket, depuis l'année 2019, vise au lancement et à la récupération de fusées expérimentales entièrement développées au CSEP dans le cadre de la campagne C'Space du CNES.
Grâce à sa complexité, ce projet permet aux étudiants de tester leurs capacités dans une série de défis, allant de la conception aérodynamique du lanceur à l'électronique de contrôle, en passant par la fabrication de la fusée, les mécanismes de sa récupération et le lancement de la fusée elle-même.
Ce PSC permettra aux étudiants d'acquérir une compréhension détaillée et pratique du fonctionnement des fusées et les préparera à une carrière dans le domaine aérospatial.

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de concevoir et de construire la fusée X-Rocket et de la récupérer. Le défi de cette année sera de réussir à récupérer la fusée à un endroit bien défini.
Pour ce faire, les étudiants devront (i) concevoir la fusée, ses composants et son système de récupération, (ii) la construire, (iii) la lancer et (iv) la récupérer.

Sujet.
Le projet MiniX-Rocket vise la réalisation d'une mini-fusée à deux étages et leur récupération lors du lancement.
Pour permettre aux étudiants de se concentrer sur la méthode de récupération des modules, la fusée sera réalisée à partir du kit de développement fourni par le CNES.
Ce projet permettra aux étudiants de se confronter aux défis liés à la conception des lanceurs du point de vue de la stabilité aérodynamique et du contrôle d'attitude, ainsi qu'aux difficultés de réalisation des mécanismes liés aux systèmes de récupération.
MiniX-Rocket est un projet complet, qui permettra aux étudiants de concevoir le lanceur, de le fabriquer et, enfin, de le tester et de le valider.
Grâce à son profil multi-physique, ce projet améliorera de manière significative les connaissances des étudiants et les préparera à une carrière dans le domaine aérospatial.

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de construire et de tester une mini-fusée à deux étages. Pour ce faire, les étudiants devront (i) concevoir la fusée, ses composants et ses systèmes de récupération, (ii) la construire et (iii) la lancer pour valider le concept.

Sujet.
Le projet Jumeau Numérique vise à la réalisation d'un outil de simulation pouvant supporter les projets de lanceurs du CSEP. En effet, lors de la conception des lanceurs, la possibilité de simuler la fusée, d'étudier et d'optimiser ses performances avant même sa fabrication est essentielle pour une réalisation efficace et peu coûteuse. Ce projet de PSC permettra aux étudiants d'étudier les fusées dans leur globalité ainsi que les détails de leurs propriétés aérodynamiques, les algorithmes de contrôle de vol et les méthodes de contrôle d'attitude utilisées à l'état de l'art. 
Cette vision globale et détaillée améliorera considérablement les connaissances des étudiants et les préparera à une carrière dans le domaine aérospatial.

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de faire évoluer le projet pour améliorer la fidélité du modèle et son spectre d'application. Pour ce faire, les étudiants se concentreront sur le couplage du modèle avec outils de simulations CFD type Ansys, et sur l'extension du modèle aux mécanismes autorotatifs pour la récupération de la fusée.

Sujet.
Le projet Back On Earth a été initié en 2019 avec l’objectif de concevoir et tester un démonstrateur de lanceur spatial réutilisable, propulsé par un moteur électrique.
L’un des principaux intérêts de ce projet est de faire apprendre aux étudiants les difficultés technologiques liées à la récupération des étages de fusée, un argument de forte intêret pour les lanceurs actuels.
Les précédents PSC ont commencé à travailler à un prémier prototype de demonstrateur.
Ce prototype est contrôlé à l’aide d’un système d’ailettes gouvernées par un algorithme de contrôle qui permet de rediriger le flux d’air en sortie du mmoteur (système TVC : Thrust Vectoring Control).

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de faire évoluer le projet pour arriver aux tests de validation du système de contrôle d'attérrissage. Pour ce faire, les étudiants devront se concentrer sur (i) l'optimisation structurelle de la fusée,
(ii) la mise au point de l'algorithme de contrôle à travers la réalisation d'essais et (iii) la validation du système avec les premiers vols de la fusée.

The Exploration Company

Nous développons, produisons et exploitons Nyx, un véhicule orbital spatial modulaire et réutilisable qui sera éventuellement ravitaillé en orbite et qui transportera du cargo - et potentiellement des êtres humains - à plus long terme. Pour pouvoir s'amarrer aux stations et effectuer le ravitaillement en orbite, des algorithmes d'approche spécifiques doivent être développés. On peut citer, entre autres, les technologies clés essentielles suivantes :

• Collaborative guidance
• Relative navigation
• Visual-based navigation

L'objectif de ce projet est de se concentrer sur les algorithmes préliminaires de navigation visuelle. Nous avons l'ambition de modifier les algorithmes de navigation d'un drone quadcopter et d'utiliser sa caméra embarquée pour lui faire "toucher" une cible peinte sur un objet fixe.

Sujet.
Soutenu par le Centre Spatial Etudiant du Polytechnique, le projet EVE vise à la réalisation d'un moteur chimique à combustion de propergol.
L'intérêt principal du projet est de permettre aux étudiants du CSEP d'acquérir une connaissance détaillée des moteurs typiquement utilisés pour la propulsion des lanceurs.
La conception du moteur et de ses circuits d'alimentation, la réalisation d'essais de validation ainsi que le travail d'optimisation de la poussée donneront aux étudiants une connaissance de première main sur l'état de l'art des sous-systèmes de propulsion des fusées, les préparant ainsi à des carrières dans le domaine aérospatial.

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de faire évoluer le projet jusqu'aux premiers essais de validation du système de propulsion et à la vérification de la poussée du moteur.
Pour ce faire, les étudiants devront se concentrer sur (i) la définition et la réalisation d'un système d'injection pilotable électroniquement, (ii) la fabrication du moteur, (iii) la mise en œuvre des essais de validation du moteur et la vérification de sa poussée et (iv) l'optimisation de la poussée.

Sujet.
Récemment, dans le cadre de nombreuses missions spatiales, les satellites de petite taille ont été choisis au lieu des plates-formes de plus grande taille. Bien que les grandes plateformes soient capables d'embarquer différentes charges utiles simultanément, les petites plateformes telles que les nanosatellites sont beaucoup moins coûteuses.
Elles sont donc souvent choisies pour valider des sous-systèmes et des techniques, alors que les grands satellites sont généralement choisis pour des missions scientifiques embarquant des composants à TRL élevé.
Le faible coût des nanosatellites les rend compatibles avec les budgets limités des centres spatiaux étudiants. C'est le cas du CSEP, qui concentre actuellement ses efforts sur IonSat et CROCUS, deux missions nanosatellites.
Cependant, les nanosatellites présentent de très fortes contraintes en termes de masse et de volume disponibles. Il s'ensuit que les bras déployables à bord des nanosatellites sont généralement courts et qu'ils ne peuvent pas déployer les instruments scientifiques loin de la plateforme.
Mais en raison de la proximité de la plateforme, les mesures des instruments scientifiques sont perturbées par les signaux électromagnétiques émis au satellite et, par conséquent, leur rapport signal/bruit est faible.
La qualité de ces mesures scientifiques peut être améliorée en installant les capteurs sur de longs bras adaptés aux applications nanosatellites.  

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de commencer le développement de bras déployables que le CSEP utilisera pour des applications nanosatellites.
Différents types de bras déployables existent actuellement (par ex. STEM), mais seules quelques entreprises sont en mesure de les produire en Europe.
Les étudiants sélectionneront les types de perches déployables à développer, afin de garantir une longueur déployable d'au moins 1,5 m. Ils créeront les spécifications pour les systèmes.
Ils concevront le mécanisme qui respecte les spécifications. Ils créeront des prototypes et les testeront.

Sujet.
Récemment, dans le cadre de nombreuses missions spatiales, les satellites de petite taille ont été choisis au lieu de plates-formes de plus grande taille. Bien que les grandes plateformes soient capables d'embarquer différentes charges utiles simultanément, les petites plateformes telles que les nanosatellites sont beaucoup moins coûteuses.
Elles sont donc souvent choisies pour valider des sous-systèmes et des techniques, alors que les grands satellites sont généralement choisis pour des missions scientifiques embarquant des composants à TRL élevé.
Le faible coût des nanosatellites les rend compatibles avec les budgets limités des centres spatiaux étudiants. C'est le cas du CSEP, qui concentre actuellement ses efforts sur IonSat et CROCUS, deux missions nanosatellites.
Les nanosatellites seront la cible des futures missions spatiales du CSEP. Dans ce contexte, pour faciliter les missions futures, le CSEP a l'ambition de renforcer son héritage de composantes à haut TRL.
Pour ce faire, le CSEP propose de commencer le développement de sous-systèmes de contrôle d'attitude qui seront utilisés dans les futures missions de nanosatellites du CSEP.  

Objectifs.
L'objectif de ce PSC est de commencer le développement de sous-systèmes de contrôle d'attitude que le CSEP utilisera pour ses futures applications nanosatellites.
Il existe différents types de sous-systèmes de contrôle d'attitude (par exemple les magnétorquers et les roues de réaction). Les étudiants sélectionneront les types de sous-systèmes à développer. Ils créeront les spécifications des sous-systèmes. Ils concevront un sous-système qui respecte les spécifications.
Ils créeront des prototypes et les testeront.

Long-duration crewed space missions require bioregenerative life support solutions to improve mission sustainability and resiliency in the harsh environment of space. Understanding the impact of the space environment on Earth ecosystems is a critical next step in developing such solutions. This manuscript presents the experimental design of the SCAMPI Project (Saltwater Crustacean, Algae, and Microbe Population Investigation), a student mission to investigate the effect of microgravity and increased radiation on a multitrophic aquatic closed ecological system.
The team is developing a custom payload, consisting of a sealed aquarium and instrumentation suite, to be integrated into the ICE Cubes facility onboard the International Space Station. Remote monitoring will collect data and imagery on the biotic and abiotic factors within the closed environment, informing a digital twin simulation that is being developed concurrently. This experiment will be the latest in a short list of ecosystem-scale experiments to fly in space, and address fundamental knowledge gaps, including microbial community dynamics in microgravity. Ultimately, SCAMPI will provide data to inform the design of future closed ecological life support technologies by validating the hypothesis that Earth's ecosystems can function nominally in the space environment. The experiment is currently being built as a part of ESA’s PETRI program and anticipates launching in early 2025.

The project is currently under review from ESA safety panels and we would like to include the team from polytechnique in the development of the hardware needed for the scientific payload through the PSC "SCAMPI : Investigation of an aquatic system in microgravity". This includes and is not limited to the following goals:

• Develop a leak-free mechanical structure to host 0.7L aquarium
• Design an instrumentation suite to monitor the health of the aquarium

 
The second project "SCAMPI : Modeling of an aquatic system in microgravity" aims at developing from scratch an ecological model that accounts for the dynamics of the aquatic ecosystem. This refers, but is not limited, to :

• Matter cycle exchanges
• The evolution of the population
• Comparison between the behavior in microgravity and the behavior on Earth

A third, more fundamental project looks at bubble formation in microgravity. Indeed, in space, due to vibration or sloshing in a tank partially field by liquid and air, instabilities and fragmentation at the phase interface can lead to formation of small liquid or air bubbles creating a complex bi-phase system. In a microgravity environment, that is with negligible buoyancy force, this situation can be particularly problematic. Therefore, finding a way to aggregate these bubbles is of great interest.

Let’s consider a volume V delimited by a solid not-deformable surface S filled with a Newtonian fluid in a microgravity field. We assume initially that the volume contains n bubbles of air, taking a spherical shape of radius rb to minimize the Helmholtz free energy at equilibrium. Each bubble i has an initial position Mi(t0) and momentum pi.

The solid volume has certain coordinates relative to a frame attached to the volume, that is translating and rotating relative to an inertial system. We neglect the deformation of the bubble at first approximation.

The problem is to find the trajectory of the particles in the moving volume and to study the coalescence of the bubbles within the volume. An application is to find a particular movement of the tank that lead to a total coalescence of the bubbles into one final bubble which might offer a novel method to optimize satellite maneuvers through minimizing bubble formation in tanks and in general fluid management systems.
1.1 General equations
The first problem is to find the trajectory of governing equation of a bubble and fluid movement in a large volume of water moving relative to an inertial frame of reference.
1.2 Finite rotating tank problem
The second problem is to apply the equations to a finite cylinder of radius r0 and length l0 rotating relative to an inertial reference
frame. We aim to find the time for the bubble to reach a stationary position and particularly to study the conditions for coalescence of several bubbles. If the Weber number is larger than a certain value that remains to be found, then the approximation of not-deformable shape can no longer be valid. After studying the rotation of the cylinder, several other movements can be explored, especially oscillatory movements.

The project will be co-tutored by Olivier Marchand : olivier.marchand(at)ladhyx.polytechnique.fr and Tarek Ben Slimane : tarek.ben-slimane(at)polytechnique.edu

Réalisé en collaboration avec l’ONERA et le Centre Spatial de l’Ecole Polytechnique (CSEP), ce projet a pour objectif de préparer l’exploitation scientifique de la mission ChaRging On CUbeSat (CROCUS). Depuis 2017, cette mission s’attache à mieux comprendre les phénomènes de Décharge Electrostatique (ESD pour electrostatic discharge) à la surface des satellites afin de mieux s’en protéger. Pour ce faire, on utilise le logiciel SPIS, le logiciel de référence pour l'étude des interactions entre le plasma et les satellites.

Objectif: évolution des analyses numériques en support de la finalisation du satellite CROCUS et en support des tests pratiques réalisés chez l'ONERA. Cela comprend la modélisation fine de l'interaction plasma-CROCUS à travers des simulations SPIS à haute définition, l'étude de la désorbitation du satellite, la modélisation du système de régulation de la charge du satellite.

CROCUS sera lancé en 2024-2025.