10/04/2019
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AGENCE SPATIALE DU GRAND LING
Great Ling Space Agency - 灵宇航署
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et à la compréhension de notre planète, de notre système solaire et de notre univers.
Pour que le génie humain progresse et éclaire les origines de la vie.

Pour toute l'Humanité.


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PROGRAMME DRAGONFLY
Lanceur léger classe GL-1.
Capacité : 400 kg LEO - 180 kg SSO.


Contexte initial.

Pour mener à bien sa mission scientifique, exploratrice et assurer sa future présence permanente dans l'espace, la Great Ling Space Agency (GLSA) s'est très tôt penchée sur le développement d'un lanceur léger intégralement pensé et assemblé au Grand Ling pour se libérer de sa dépendance aux technologies teylaises, sylvoises ou tanskiennes. L'expérimentation est l'unique objectif de ce lanceur à sa construction en 1977, l'agence lance donc le programme Dragonfly avec comme nom de code pour ce premier engin GL-1, rapidement supplanté par le nom du programme lui-même dans la presse et le milieu professionnel, en raison de ce nom plus emblématique qui sied à la silhouette fine et la capacité à effectuer de nombreux vols, relativement peu coûteux du lanceur.
Le Dragonfly reprend l'architecture éprouvée de plusieurs missiles balistiques lingois, tant par facilité que par pragmatisme : la GLSA étant alors en manque cruel de moyens, mais possédant un savoir-faire éprouvé en propulsion et en fuselages à tolérances serrées. Le Dragonfly est donc un hybride issu de cette double origine : c'est un lanceur civil mais construit à partir d'une application militaire, intégralement repensé pour des opérations orbitales.

Haut de vingt-deux mètres, le GL-1 se décline en deux versions principales que sont la configuration bi-étage, optimisée pour la mise en orbite basse et la configuration tri-étage, pour la mise en orbite héliosynchrone grâce à la propulsion solide du troisième étage.
Ces deux configurations permettent au GL-1 de placer 400 kilogrammes en orbite basse circulaire ou 180 kilogrammes en orbite héliosynchrone.
Ces performances, quoique modestes, font du GL-1 Dragonfly un excellent candidat pour l'expérimentation scientifique, mais n'offre aucune possibilité de rivaliser avec les mastodontes étrangers comme Sylva et ses lanceurs aéroportés ou Teyla, encore que le micro-lanceur Constellation teylais soit en concurrence directe avec Dragonfly sur le lancement de petits satellites.
Malgré tout, la mission principale du lanceur est avant tout l'expérimentation : C'est un banc d'essai volant pour GLSA qui en fait son fer de lance pour valider de nouveaux systèmes de Guidage, Navigation et Contrôle (GN&C). Il sert également à tester des matériaux et des alliages, emporter des calibrations instrumentales ou faire voler des microsatellites, CubeSats, charges universitaires ou prototypes étatiques.

Au fil des vols, Dragonfly devient la « cigale » de la fable, surnommé à cet effet Chanr (蝉儿 - litt. cigale) par les ouvriers du programme spatial qui reprennent le terme de leurs enfants. Le lanceur a la réputation d'être fiable, peu cher, rustique dans son approche industrielle mais terriblement indispensable pour accumuler les compétences qui prépareront les programmes Longtian et TACATABRO (Trans-Aero Combined Advanced Thrust And Booster Reuse Operations).

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Dragonfly GL-1 lors d'un lancement, Wujiang.

Variantes du lanceur Dragonfly.

Depuis son premier vol en 1977, le lanceur léger GL-1 Dragonfly constitute le socle technologique du programme spatial lingois. Il a progressivement évolué au fil des décennies, donnant naissance à plusieurs variantes adaptées aux besoins de la GLSA. En 2018 quatre variantes au lanceur léger GL-1 Dragonfly ont existé et une nouvelle génération est actuellement en développement suite aux décisions politiques prisent en marge de l'État de l'Union par l'État fédéral.

GL-1A — La variante originale du lanceur.

Période d'activité : 1977 - 1984.
Utilisation : Banc d'essais technologiques, premières mises en orbite basse.
Nombre de lancements (échecs) : Quatorze (six).
Configuration : Deux étages solides.
Configuration :
    Premier étage : moteur solide LS-21 (AP - PBAN - Al à 18 %).
    Deuxième étage : moteur solide LS-09 (AP - PBAN à 5 %).
Capacités d'injection : 250 kilogrammes LEO (orbite basse).

Version embryonnaire du programme Dragonfly, marquée par un taux d'échec critique. Les nombreux incidents lors de sa conception étaient attendus compte tenu de la difficile tâche de sortir de la dépendance sylvoise, tanskienne et teylaise. La moitié des vols servaient en réalité de campagne d'expérimentation tout autant que de propagande patriotique.


GL-1B — La variante opérationnelle.

Période d'activité : 1984 - 1990.
Utilisation : Mise en orbite de microsatellites technologiques et militaires.
Nombre de lancements (échecs) : Vingt-sept (cinq).
Configuration : Deux étages liquides et un troisième solide en option.
Configuration :
    Premier étage : moteur liquide LL-20 (RP-1 - LOX).
    Deuxième étage : moteur liquide LL-04V (RP-1 - LOX).
    Troisième étage optionnel : moteur kick-stage solide LS-21A (AP - PBAN - Al à 5 %)
Capacités d'injection : 350 kilogrammes LEO (orbite basse) et 120 kilogrammes SSO (orbite héliosynchrone).

Première version exploitable de manière régulière, elle conserva un haut taux d'échec — quoiqu'inférieur au GL-1A — en raison de l'ajout du troisième étage optionnel. Cette intégration optionnelle fut cependant fiabilisée peu de temps après les premiers échecs.


GL-1C — La variante tri-étage dédiée à l'orbite héliosynchrone.

Période d'activité : 1990 - 2010.
Utilisation : Observation planétaire, météorologique ou surveillance militaire.
Nombre de lancements (échecs) : Quarante-deux (trois).
Configuration : trois étages liquides.
Configuration :
    Premier étage : moteur liquide LL-32 (RP-1 - LOX).
    Deuxième étage : moteur liquide LL-09 (RP-1 - LOX).
    Troisième étage : moteur kick-stage liquide LL-09H (UDMH - N2O4)
Capacités d'injection : 250 kilogrammes SSO (orbite héliosynchrone).

Conçu pour permettre au Grand Ling de disposer d'une autonomie totale en matière d'orbites polaires, la variante GL-1C accueille un troisième étage spécialisé qui, grâce à une propulsion liquide, se trouve être hautement précis et stable en combustion. C'est l'outil principal pour la mise en orbite de satellites d'observation et le pivot de la filière SSO lingoise.


GL-1D — La variante modernisée.

Période d'activité : 2010- 2018.
Utilisation : Observation planétaire, météorologique ou surveillance militaire.
Nombre de lancements (échecs) : dix-neuf (un).
Configuration : deux étages solides et un troisième étage liquide.
Configuration :
    Premier étage : moteur solide LS-30 (AP - HTPB - Al à 18 %)
    Deuxième étage : moteur solide LS-16 (HTPB optimisé)
    Troisième étage : moteur kick-stage liquide LL-09H (UDMH - N2O4)
Capacités d'injection : 1 tonne LEO (orbite basse) et 500 kilogrammes SSO (orbite héliosynchrone).

Version modernisée et intégralement fiabilisée de la variante GL-1B et de la variante GL-1C, le lanceur léger GL-1D reprend le meilleur de ses précédentes itérations tout en bénéficiant d'avancées technologiques majeures développées à partir de 2010 et tout le long de sa carrière. Le choix de GLSA de combiner des étages solides pour la poussée principale avec un étage liquide garantissant la précision nécessaire aux orbites polaires, s'explique par la volonté d'améliorer la fiabilité et réduire les coûts sur les lancements réguliers.


GL-1E — La variante expérimentale pour les programmes Longtian et Tacabro.

Période d'activité : Depuis 2018.
Utilisation : Validation technologique (moteurs liquides de nouvelle génération, GN&C, architecture).
Nombre de lancements (échecs) : quatre (un).
Configuration : un étage solide et un étage liquide expérimental.
Configuration :
    Premier étage : moteur solide LS-28X (HTPB - Al à 15 %)
    Deuxième étage : moteur liquide LL-05 (CH₄ - LOX)
Capacités d'injection : 1,2 tonne LEO (orbite basse) et 600 kilogrammes SSO (orbite héliosynchrone).

Véritable banc d'essai pour l'expérimentation pour la GLSA, le GL-1E n'a aucune vocation à être commercialisé. Il sert à valider les moteurs liquides de nouvelle génération et continuer d'acquérir des connaissances critiques pour les futurs programmes Longtian et TACATABRO sans interrompre les opérations du lanceur GL-1D.
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PROGRAMME FENGHUANG
Plateforme modulaire de satellites artificiels.


Contexte initial.

La conquête spatiale nécessite de déployer des fonds substantiels pour s'assurer de conserver une bonne place face aux pays concurrents que sont Tanska, Sylva ou Teyla. Ces fonds sont en général accordés chaque année dans le projet de résolution budgétaire qui doit définir le budget de la GLSA pour l'année. Cette dernière se charge ensuite de distribuer son budget parmi ses instances et ses programmes en cours ou pour divers projets plus ou moins importants/lucratifs. La GLSA, par exemple, alloue 47 % de son budget annuel sur les seuls projets de lanceurs.
Pour réduire les coûts sans mettre en péril la sécurité ou la qualité de ses projets, GLSA doit trouver des moyens de réduire radicalement ses coûts. Pour ce faire, il existe deux moyens développés par l'Agence. D'une part le programme TACATABRO : Mené conjointement avec l'agence spatiale talar, TACA et d'autre part, la plateforme modulaire commune pour engins spatiaux - PMCES (Modular Common Spacecraft Bus - MCSB) : Plus polyvalente, plus économique et plus rapide à développer, la plateforme modulaire commune pour engins spatiaux réduit les coûts, la complexité et les délais grâce à sa composition intégralement modulaire qui permet de personnaliser efficacement chaque engin spatial. La technologie du MCSB pourrait servir au futur module lunaire que prévoit d'envoyer GLSA dans le cadre de sa mission d'exploration de l'atmosphère et de la surface lunaire.

Le MCSB est la technologie privilégiée ici et celle au cœur du programme Fenghuang depuis son lancement en 1998. L'idée parti du postulat que la conception de satellite reposait sur un modèle artisanal. Chaque mission donnait lieu au développement d'un engin spatial entièrement nouveau, adapté spécifiquement aux besoins de la mission et engendrant des coûts de recherche et de développement considérables en plus de cycles de production longs.
De ce fait, la GLSA posa les bases d'une approche différente. Celle d'une plateforme commune réutilisable, capable d'accueillir une grande variété de charges utiles sans nécessiter de reconception fondamentale du bus.

Architecture générale

Le MCSB repose sur deux entités fonctionnelles distinctes.
D'une part, le bus (Satellite Bus), qui assure l'ensemble des fonctions de support comme l'alimentation électrique, le contrôle d'altitude, la propulsion, la gestion de données, la communication et la gestion thermique.
D'autre part, la charge utile de mission (Mission Payload), qui regroupe les instruments scientifiques, les équipements militaires — dans le cadre d'une utilisation militaire — ou les systèmes spécialisés propre à chaque mission.

Pour communiquer efficacement, il apparaît assez rapidement la nécessité de standardiser les interfaces afin de garantir l'interopérabilité de l'ensemble, indépendamment de la nature de la charge utile de mission.
En premier lieu, on retrouve l'interface physique et mécanique qui assure la fixation structurelle de la charge utile de mission sur le bus lui-même. Elle inclut les points d'ancrage, les tolérances dimensionnelles et les contraintes de masse admissibles. Pour cela, il est nécessaire que sa conception tienne compte des forces subies lors du lancement — comprendre les vibrations, les chocs pyrotechniques et les g. Il doit également tenir compte de la dilatation thermique. Dans le cadre du programme Fenghuang, le choix a été fait de disposer d'une large plage de masses de charge utile de mission pour des questions de résilience et de polyvalence de la plateforme.

L'interface électrique achemine vers la charge utile de mission l'énergie produite par les sous-systèmes d'alimentation du bus (Bus Electrical Power Subsystem, BEPS) — dans l'extrême majorité des cas, des panneaux solaires — et comprennent des régulateurs primaires, des convertisseurs de courant continu d'un niveau de tension électrique spécifié à un autre différent afin d'assurer que la bonne tension requise par les instruments embarqués soit correctement répartie, ainsi que des parasurtenseurs ou courts-circuits. De ce fait, la charge utile de mission reçoit une alimentation conditionnée stable et isolée du reste du bus sans subir les variations de charge électriques des autres sous-systèmes.

schéma de fonctionnement du MCSB.
Schéma de fonctionnement du MCSB.

L'interface de mise à la terre met en place un référentiel électrique commun entre le bus et la charge utile de mission nécessaire à un environnement spatial où la gestion des potentiels électriques est critique. En effet, une différence de potentiel incontrôlée entre deux équipements embarqués pourrait provoquer des arcs électriques et endommager les composants sensibles en plus des bruits électromagnétiques. Pour ce faire, l'interface définit les chemins de retour du courant et assure l'équipotentialité de l'ensemble de la structure en lien avec l'interface de compatibilité électromagnétique détaillée plus bas.

Pour la gestion des logiciels et des données, il fallait impérativement un protocole robuste et largement déterministe. À cet effet, la GLSA développa la norme IMP-SPEC-2250 directement inspirée de la norme militaire IMP-SPEC-0704. La norme IMP-SPEC-2250 était un protocole militaire né en 1980, qui spécifiait les méthodes et les protocoles pour l'échange de données numériques entre les sous-systèmes avioniques dans les avions militaires. Elle définissait l'interface électrique, le format des données, le protocole des messages et les exigences de synchronisation pour la communication sur un bus de données série. La norme IMP-SPEC-2250 reprit la majorité de celle d'origine pour l'adapter aux engins spatiaux ainsi qu'à d'autres systèmes. Il s'agissait en fait d'une révision et de mises à jour pour répondre à l'évolution des besoins des industries de l'aérospatiale et de la défense. De nos jours, la dernière version de la norme est la IMP-SPEC-2250C, suivant cette logique d’évolution des besoins.
Son fonctionnement repose sur une architecture en maître/esclave, c'est-à-dire un contrôleur de bus central — généralement le sous-système de Gestion des Données et bus de Commandes (Bus Command & Data Handing Subsystem, BC&DHS) — qui gère les échanges de l'ensemble des équipements connectés, appelés Remote Terminal. Les données transitent sur une paire de câbles blindés torsadés à une vitesse de 1 Mbit/s ; cette architecture à bus redondant assure la continuité des communications en cas de défaillance de l'un des canaux.
Ses atouts principaux dans le contexte du MCSB sont son déterminisme temporel — les échanges de données se font selon des cycles fixes et prévisibles, indispensables pour le contrôle d'altitude et la télémétrie — ainsi que sa robustesse éprouvée dans des environnements à fortes contraintes électromagnétiques.

L'interface de compatibilité électromagnétique, évoqué plus haut, regroupe l'ensemble des mesures techniques visant à garantir la coexistence électromagnétique entre le bus et la charge utile de mission, ainsi qu'à protéger les équipements des perturbations spatiales. On distingue alors quatre problématiques telles que les EMC (Electromagnetic Compatibility) soit la capacité des équipements à fonctionner entre eux sans se perturber, les EMI (Electromagnetic Interference) soit la gestion des émissions électromagnétiques indésirables, les EMP (Electromagnetic Pulse) soit la protection contre les impulsions électromagnétiques intenses et les ESD (Electrostatic Discharge) soit la protection contre les décharges électrostatiques.
Pour faire simple, il s'agit globalement de blindages, de filtres ou de règles de câblage en plus de tests de qualifications imposés à toute charge utile de mission intégrée au bus.

Dans le vide spatial, les températures peuvent varier de plusieurs centaines de degrés entre la face éclairée et la face ombrée de l'engin spatial. Pour gérer les échanges thermiques entre la charge utile de mission et le bus, on emploie une interface thermique dont la mission est réalisée à l'aide d'éléments conducteurs comme les platines de contact par exemple et les éléments radiatifs assurant l'évacuation de la chaleur vers l'espace. Le sous-système de contrôle thermique du bus (Bus Thermal Control Subsystem, BTCS) surveille alors en permanence les températures et s'occupe d'ajuster si nécessaire les flux thermiques dans l'unique intérêt de maintenir la charge utile de mission dans sa plage de fonctionnement idéale. La règle générale veut que cela soit entre - 20°C et + 60°C.

Enfin, l'interface de fréquence et de synchronisation temporelle fournit à la charge utile de mission une référence temporelle et une fréquence commune. En pratique, elle s'occupe simplement de distribuer un signal d'horloge stable par l'intermédiaire d'un oscillateur à quartz compensé en température (Temperature Compensated X (Crystal) Oscillator, TCXO) voire d'une horloge atomique embarquée pour les missions de haute précision couplés à des impulsions de synchronisation (Pulse per second, PPS) permettant à la charge utile de mission de dater avec précision ses mesures et acquisitions. Cette synchronisation devient indispensable pour les instruments scientifiques, les systèmes de navigation et les équipements de communication qui nécessitent une cohérence temporelle très fine avec des stations au sol ou d'autres engins spatiaux.

Polyvalence et applications

La modularité du MCSB lui confère une très grande adaptabilité. Selon ses missions, le bus peut intégrer différents systèmes de propulsion tels que la propulsion chimique à réaction (RCS), la propulsion électrique ionique ou à effet Hall (Stationary Plasma Thruster , SPT) ; ainsi que des charges utiles civiles, scientifiques ou militaires. Cette grande flexibilité en fait la solution privilégiée pour des mission satellitaires très diverses comme les télécommunications, l'observation terrestre, le renseignement ou l'exploration spatiale.

Historique de mission du programme Fenghuang

Fenghuang-1 (2005)

Fenghuang-1 fut la première mise en orbite d'un engin spatial reposant intégralement sur l'architecture MCSB. Sa charge utile de mission fut délibérément réduite au strict nécessaire : quelques instruments de mesure télémétriques et un module d'acquisition des données scientifiques. Le but fut de concentrer l'évaluation sur le comportement global du bus en condition réelle.
La mission valida le bon fonctionnement du BC&DHS, du BEPS et du BADCS en orbite basse ; autant que la fiabilité du bus de donnée IMP-SPEC-2250A dans un environnement radiatif spatial.
Il est à noter qu'un incident mineur affecta cependant le sous-système de contrôle thermique lors des premières semaines de l'opération, entraînant une surchauffe de plusieurs équipements de bord. La situation fut fort heureusement temporaire grâce à une mise à jour par télécommande depuis le sol permettant à la mission de se poursuivre les dix-huit mois suivant. Elle permit de fournir des données précieuses pour les conceptions futures.


Fenghuang-2 (2007 – 2011)

Fenghuang-2, à l'inverse de Fenghuang-1 ne désigne pas un seul lancement mais une série de lancement échelonnés entre 2007 et 2011, visant à déploer le premier réseau de navigation satellitaire moderne du Grand Ling pour le compte de Weihua Technologies Company, Ltd. Le MCSB démontra pour la première fois sa capacité à servir de base à une constellation où chaque satellite étant produit en série à partir de la même plateforme offrit une charge utile de mission de navigation standardisée. Au total, ce sont onze zatellites qui furent mis en orbite moyenne (Medium Earth Orbit, MEO) avec seulement une perte liée à une anomalie survenue lors d'un lancement en 2008. La constellation atteignit sa couverture opérationnelle nationale en 2010 puis régionale en 2011. En parallèle, des données scientifiques furent collectées comme des mesures ionosphériques et troposphériques avec pour objectif d'alimenter plusieurs programmes de recherche en géophysique menés par la GLSA et ses partenaires universitaires.

MCSB de Fenghuang-2.
MCSB de Fenghuang-2.


Fenghuang-3 (2012 – 2016)

Fort des retours apportés par Fenghuang-2, le programme engaga sa mission la plus ambitieuse à ce stade : le déploiement de Fengwang, une constellation de satellites de télécommunications en orbite basse (LEO) destinée à fournir une couverture internet haut débit sur l'ensemble du territoire lingois et dans les zones de déploiement prioritaires à l'étranger. Il servit notamment pour le Duché de Sylva et le Royaume de Teyla. Le MCSB fut adapté pour accueillir des chagres utiles de communication à large bande avec des antennes à réseau phasé et des liaisons inter-satellites. Les lancements s'échelonnèrent sur quatre ans, avec des groupes de satellites mis en orbite par fournées grâce au lanceur GL-1D.
Notons qu'un incident notable survint en 2014 quand une défaillance du sous-système de propulsion sur trois satellites d'une même fournée provoqua une dérive orbitale non contrôlée, nécessitant une procédure de désorbitation anticipée. L'enquête technique révéla un défaut sur les propulseurs ioniques, entraînant une révision du processus de qualification des équipements pour toutes les missions suivantes.


Fenghuang-4 (2016)

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