Contexte

CARMEN (CARactérisation et Modélisation de l'Environnement) est un concept d'architecture d'instruments dédiés à la mesure de l'environnement spatial : débris, particules de hautes et de basses énergies...

Cette architecture est notamment basée autour d'un instrument, ICARE-NG, réalisant l'interface vers le satellite mais aussi la mesure de l'environnement radiatif et de ses effets sur l'électronique. Les exemplaires de CARMEN peuvent contenir d’autres instruments : par exemple, CARMEN-3 à bord du satellite Jason-3 contient l’instrument détecteur de plasmas AMBRE, en plus de l’instrument moniteur de radiations ICARE-NG.

CARMEN est donc une plateforme instrumentale, principalement construite à partir de l’instrument ICARE-NG, qui peut accueillir en son sein d’autres instruments spécialisés dans les mesures de l’environnement spatial, le tout pour rendre plus aisée l’intégration de ces systèmes à bord de satellites dont les missions sont dédiées à ces problématiques.

Par rapport à la génération précédente (ICARE), l'instrument bénéficie les améliorations suivantes :

• encombrement réduit
• concept de mesure amélioré et gamme d'énergie étendue
• possibilité d'interfacer des modules externes
• compression possible de la télémesure d'un facteur 4

Objectifs techniques

Les impacts de particules à haute énergie en orbite, sur les instruments embarqués sur des satellites peuvent les détériorer, modifier leurs performances, provoquer des pannes ou écourter leur durée de vie. Il est donc important de disposer à bord de chaque satellite évoluant dans des zones à fortes radiations comme les ceintures de Van Allen, d’instruments capables de caractériser l’environnement spatial dans lequel baigne le satellite et d’apporter les réponses et adaptations nécessaires à son fonctionnement optimal. C’est l’un des objectifs poursuivis par l’embarquement d’une architecture d’instruments CARMEN à bord de satellites.

Les débris spatiaux, eux-aussi, peuvent avoir un impact néfaste sur les performances et la durée de vie des instruments et systèmes en orbite. C’est pourquoi toute initiative, à distance ou in situ, pour caractériser les populations de débris et leur dynamique contribue à la sécurité des équipements satellitaires. Les instruments intégrés dans l’architecture CARMEN assurent une partie de ces mesures in-situ.

Objectifs scientifiques

Évoluer dans des zones de fortes radiations dans l’espace autour de la Terre, comme l’Anomalie de l’Atlantique Sud, permet également d’étudier scientifiquement ces environnements. Les instruments intégrés dans les exemplaires de CARMEN, peuvent aussi bien caractériser les particules de haute énergie présentes dans ces zones dans un objectif de prévention que dans un objectif de recherche scientifique.

Déroulé du projet

Depuis 1992, le CNES a développé plusieurs expériences pour mesurer l'environnement radiatif de l'espace et l'effet des radiations sur les composants électroniques :

• Les premières ont volé sur XMM pendant 26 ans.
• Un dérivé nommé COMRAD a été confié à TAS pour un vol sur le satellite télécom expérimental du CNES STENTOR qui malheureusement a explosé en vol avec le lancement Ariane 5 V501.
• Un autre dérivé, ICARE, confié à la société EREMS ont volé à bord de la station spatiale MIR, de la Station Spatiale Internationale (ISS) et à bord du satellite argentin SAC-C depuis de Décembre 2000 à Avril 2012.

En héritier de ces expériences, CARMEN (CARactérisation et Modélisation de l'ENvironnement) est un concept instrumental fondé sur un ensemble de modules dédiés au mesures de l'environnement spatial (débris orbitaux, particules à haute et basse énergie...), à adapter aux besoins et contraintes de la mission, avec une architecture articulée autour d'un instrument principal capable d'interfacer les divers modules.

Modules existants et état de leur développement :

• ICARE-NG est une nouvelle génération de l’instrument ICARE qui a volé à bord de la station MIR, de la Station Spatiale Internationale (ISS) et a fonctionné avec succès à bord du satellite argentin SAC-C depuis décembre  2000 et jusqu’en Avril 2012 . ICARE-NG est installé à bord des satellites SAC-D, JASON-2, JASON-3 et Eutelsat 7C qui ont été lancés respectivement en 2011,2008, 2016 et 2019. Il est fabriqué par la société EREMS. ICARE-NG sera aussi présent sur les missions CARMEN-7 (Lunar Gateway) et pour une mission CARMEN-9 en orbite basse, toutes deux dans le cadre du programme S2P de l’ESA.
• Une variante, ICARE-NG² équipé d’un détecteur spécifique pour les protons de moyenne énergie est opérationnelle sur Hotbird 13F et 13G depuis 2022 (missions CARMEN-5 et -6). Par ailleurs, un CARMEN-8 en configuration ICARE-NG a été approvisionné directement chez EREMS par le ministère de la défense britannique pour Skynet-6
• SODAD est un instrument dédié à l'étude des micrométéorites et micro débris orbitaux dans l'espace. Il est fabriqué par la société STEEL.
• AMBRE est un analyseur électrostatique (développé par l'IRAP et fabriqué par EREMS, qui permet de mesurer les flux des électrons et protons de faible énergie pour déterminer le potentiel électrique du satellite et pour corréler les anomalies dues aux décharges électrostatiques (ESD).

Le synoptique ci-dessous décrit le phasage des missions et leur position par rapport au cycle d’activité solaire représenté par le nombre annuel de taches solaires.

Organisation

Pour chacune des missions CARMEN, le CNES assure le rôle de maître d’œuvre instrument et a confié la réalisation des modèles de l'instrument ICARE-NG à la société EREMS. À ce titre, il est responsable de:

• la spécification des instruments en cohérence avec les besoins des missions,
• les spécifications des sous-systèmes constitutifs des instruments,
• la coordination des activités industrielles de développement,
• la gestion des interfaces entre l'instrument ICARE-NG et les différents capteurs,
• l’interface bord / sol,
• la coordination des activités de développement des segments sol de commande / contrôle et de mission.

Le CNES exerce également le rôle de Principal Investigateur pour l'instrument ICARE-NG, le capteur SODAD et le capteur AMBRE. Il s'appuie sur l'expertise de Co-Investigateurs extérieurs en charge de chacune de ces parties.

Maîtrise d’œuvre satellite

En ce qui concerne la mission CARMEN-1, la CONAE (Agence Spatial Argentine) est le maître d’œuvre du développement du satellite SAC-D. À ce titre, la CONAE est responsable de :

• la définition des interfaces de l’instrument avec la plate-forme et des études d’aménagement sur la plate-forme,
• l’intégration de l’instrument sur le satellite,
• les essais menés au niveau satellite.

En ce qui concerne les missions CARMEN-2 & 3, Thalès Alenia Space est le maître d’œuvre du développement des satellites Jason-2 & 3. A ce titre, Thalès Alenia Space est responsable de :

• la définition des interfaces de l’instrument avec la plate-forme et des études d’aménagement sur la plate-forme,
• l’intégration des instruments du JRE (CARMEN et LPT) sur le satellite,
• les essais menés au niveau satellite.

En ce qui concerne la mission CARMEN-4, MAXAR (ex Space Systems Loral, Californie) est le maître d’œuvre du développement du satellite Eutelsat E7C pour le compte d’Eutelsat. À ce titre, MAXAR est responsable de :

• la définition des interfaces de l’instrument avec la plate-forme et des études d’aménagement sur la plate-forme,
• l’intégration de l’instrument CARMEN-4 sur le satellite,
• les essais menés au niveau satellite.

En ce qui concerne la mission CARMEN-5 et -6, Airbus Defense and Space Toulouse est le maître d’œuvre du développement des satellites Hotbird 13F et 13G pour le compte d’Eutelsat. À ce titre, ADS est responsable de :

• la définition des interfaces de l’instrument avec la plate-forme et des études d’aménagement sur la plate-forme,
• l’intégration de l’instrument CARMEN-4 sur le satellite,
• les essais menés au niveau satellite.

Rôle du CNES

L'équipe projet CARMEN est constituée, en fonction des missions, d’un :

• Chef de Projet et responsable ICARE-NG
• Responsable carte du Module EXP
• Responsable Capteur AMBRE
• Responsable Capteur SODAD

Cette équipe s'appuie fortement sur l'équipe projet satellite. En particulier, les activités relatives aux interfaces avec le satellite sont coordonnées par cette dernière en liaison avec le maître d'œuvre satellite.

Co-investigateurs

Dans le cadre de chacune des missions, différents partenaires exercent le rôle de Co-Investigateur. Il s'agit de :

• le CNES pour ICARE-NG et SODAD
• l'ONERA/DPHY pour la partie SPECTROMETRE de l'instrument ICARE-NG, et la partie capteurs SODAD
• l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) pour la partie capteur AMBRE
• l'Institut d'Electronique du Sud (IES) de l'Université Montpellier II pour la partie dosimétrie OSL de l'instrument ICARE-NG
• la société TRAD pour la partie dosimétrie PMOS de l'instrument ICARE-NG.

Équipe industrielle

Les sociétés EREMS, STEEL, COMAT et TRAD.