End of mission for the Belgian nano-satellite QARMAN

After a long orbital journey lasting two years, the Belgian nano-satellite "QARMAN" finally entered the earth's atmosphere on February 5, 2022. This reentry marks the end of a space mission initiated in 2013. It was a great learning experience involving all the stages of a space project. However, it did not achieve all the objectives initially defined. The nano-satellite was indeed unable to transmit data during its reentry and only its position was recorded with a view to reconstruct its trajectory. In addition to the measurements collected, the experience has yielded valuable lessons for the team, strengthening the design of research nanosatellites, and for which researchers from the VKI (von Karman Institute for Fluid Dynamics) have already been contacted by international teams.

The QARMAN nano-satellite was entirely designed and built by the von Karman Institute (VKI) in Rhode-Saint-Genèse, Belgium and was successfully launched into orbit from the International Space Station in February 2020. After 2 years of descent into space, QARMAN re-entered the atmosphere to accomplish its mission: collect and transmit data on how satellites disintegrate upon re-entry into the atmosphere. The objective of this research conducted by the VKI: zero space debris.

After a promising start and 5 months of nominal operation, QARMAN's mission did not go as planned: radio communication with the satellite was interrupted following a heat-related problem. The likelihood of receiving data upon reentry was therefore quite low, but that did not stop the VKI team from doing everything possible to pick up a signal.

Many lessons could be learned from this mission, from the first drawing on paper to the last data points of the QARMAN nano-satellite’s trajectory. VKI researchers and engineers in charge of this project had to overcome many challenges such as the communication between QARMAN and ground stations or the resistance of different materials. The technical solutions to these challenges were  tested and validated in orbit, and can be used in future projects. These include a solar panel deployment system, which also makes it possible to shorten the time spent in orbit after the end of the mission and to stabilize the satellite during its atmospheric reentry. The QARMAN project funded by the European Space Agency (ESA) with the strong support of BELSPO is of primary importance in the current context of space debris and would not have been possible without multiple international and Belgian partnerships.

“It was a long and technically challenging project, but it was worth continuing to track the satellite, despite the loss of communication, until its return to earth. ESA recognizes all the efforts the VKI has put into this very exciting project over the years. We had good cooperation throughout, and although the mission was not successful, many lessons were learned that can be used in the future,” said Roger Walker, ESA project manager.

Peter Grognard, VKI Managing Director underlines that “The VKI team is proud to have contributed to providing innovative technical solutions for future nano-satellite missions. Today, nano-satellites are central to the critical issue of debris in space. Carrying out a complicated project like this allows us to educate people in research through research, one of the core missions of the Institute.”

French Dutch

Fin de mission pour le nano-satellite belge QARMAN

Après un long périple orbital d’une durée de deux ans, le nanosatellite belge « QARMAN » est finalement entré dans l’atmosphère terrestre ce 5 février 2022. Cette réentrée est le point final d’une mission spatiale initiée en 2013. Cette mission a été un formidable apprentissage de toutes les étapes d’un projet spatial. Elle n’a cependant pas atteint tous les objectifs initialement définis. Le nanosatellite n’a en effet pas pu émettre de données lors de sa réentrée et seule sa position a été enregistrée en vue de la reconstruction de sa trajectoire. En plus des mesures récoltées, l’expérience se solde par de précieuses leçons pour l’équipe, renforçant sa conception de nanosatellites de recherche, et pour lesquelles les chercheurs du VKI (von Karman Institute for Fluid Dynamics) sont déjà contactés par des équipes internationales.

Pour rappel, le nano-satellite QARMAN a entièrement été conçu et construit par le VKI à Rhode-Saint-Genèse et avait été mis en orbite avec succès à partir de la Station Spatiale Internationale en février 2020. Après 2 ans de descente dans l’espace, QARMAN a effectué sa réentrée atmosphérique pour accomplir sa mission : collecter et transmettre des données sur la manière dont les satellites se désintègrent lors de leur réentrée dans l’atmosphère. Objectif de cette recherche menée par le VKI: le zéro débris spatial.

Après un début prometteur et 5 mois de fonctionnement nominal, la mission de QARMAN ne s’est pas déroulée comme prévu : la communication radio avec le satellite a été interrompue suite à un problème thermique. La probabilité de recevoir des données lors de la réentrée était dès lors assez faible, mais cela n'a pas empêché l’équipe du VKI de faire tout ce qui était possible pour capter un signal.

De nombreuses leçons ont pu être tirées de cette mission, du premier croquis sur papier aux derniers points de données de la trajectoire du nano-satellite QARMAN. Les chercheurs et ingénieurs du VKI en charge de ce projet ont dû relever de nombreux défis tels que la communication entre QARMAN et les stations au sol ou la résistance de différents matériaux. Les solutions techniques apportées à ces défis ont été testées et validées en orbite, et pourront être utilisées dans de futurs projets. On peut notamment citer un système de déploiement de panneaux solaires, qui permet également de raccourcir le temps passé en orbite après la fin de la mission et de stabiliser le satellite lors de sa réentrée atmosphérique. Le projet QARMAN financé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) avec un soutien solide de BELSPO est de première importance dans le contexte actuel des débris spatiaux et n’aurait pas été possible sans de multiples collaborations internationales et belges.

« Ce fut un long projet, techniquement difficile, mais cela valait la peine de continuer à suivre le satellite, malgré le manque de communication, jusqu’à son retour sur terre. L’ESA reconnait les efforts que le VKI a mis dans ce projet très stimulant au fil des ans. Nous avons eu une bonne coopération tout au long, et bien que la mission n'ait pas été couronnée de succès, de nombreuses leçons ont été apprises qui peuvent être exploitées à l'avenir. », Roger Walker, chef de projet de l'ESA.

Peter Grognard, Administrateur Délégué du VKI souligne que « L’équipe du VKI est particulièrement fière d’avoir contribué à apporter des solutions techniques innovantes pour de futures missions nano-satellites. Aujourd’hui, c’est un nano-satellite qui participe à l’enjeu critique des débris dans l’espace. Réaliser ce type de projet compliqué permet d’éduquer à la recherche à travers la recherche, une des missions de base de l’Institut».

Einde missie voor de Belgische nanosatelliet QARMAN

Na een lange orbitale reis van twee jaar rond de aarde, ging de Belgische nanosatelliet "QARMAN" op 5 februari 2022 eindelijk de aardatmosfeer binnen. Deze terugkeer is het eindpunt van een ruimtemissie die in 2013 werd gestart. Deze missie was een geweldige leerervaring van al de fasen van een ruimteproject. Het heeft echter niet alle aanvankelijk gedefinieerde doelstellingen bereikt. De nano-satelliet was inderdaad niet in staat om gegevens te verzenden tijdens zijn terugkeer en alleen zijn positie werd vastgelegd om zijn traject te reconstrueren. Naast de verzamelde metingen heeft de ervaring tot waardevolle lessen voor het team geleid, het versterken van het ontwerp van onderzoeksnanosatellieten en waarvoor al contact is opgenomen met onderzoekers van het VKI (von Karman Institute for Fluid Dynamics) door internationale teams.

Ter herinnering, is de nanosatelliet Qarman volledig ontworpen en opgebouwd door het von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) in Sint-Genesius-Rode en werd in februari 2020 succesvol vanuit het Internationale Ruimtestation in een baan om de aarde gebracht. Na 2 jaar afdaling in de ruimte, voerde QARMAN zijn atmosferische terugkeer uit om zijn missie te volbrengen: het verzamelen en verzenden van gegevens over de manier waarop ruimtepuin tijdens de terugkeer in de atmosfeer zal desintegreren. De doelstelling van dit onderzoek door het VKI: puinvrije ruimte.

Na een veelbelovende start en 5 maanden nominale werking verliep de missie van QARMAN niet zoals gepland: de radiocommunicatie met de satelliet werd onderbroken vanwege een thermisch probleem. De kans op het ontvangen van data bij terugkeer was dan ook vrij laag, maar dat weerhield het VKI-team er niet van al het mogelijke te doen om een signaal op te vangen.

Uit deze missie konden veel lessen worden getrokken, van de eerste tekening op papier tot de laatste datapunten van het traject van de QARMAN nanosatelliet. De onderzoekers en ingenieurs van VKI die voor dit project verantwoordelijk waren moesten veel uitdagingen overwinnen, zoals de communicatie tussen QARMAN en de grondstations tijdens de terugkeer, en de thermische weerstand van verschillende materialen. De technische oplossingen voor deze uitdagingen zijn getest en gevalideerd in een baan om de aarde en kunnen in toekomstige projecten worden gebruikt. Deze omvatten een plaatsingssysteem voor zonnepanelen, dat het ook mogelijk maakt om de tijd die in een baan om de aarde wordt doorgebracht na het einde van de missie te verkorten en om de satelliet te stabiliseren tijdens zijn atmosferische terugkeer. Het project QARMAN gefinancierd door de European Space Agency (ESA) met de krachtige steun van BELPSO is van primair belang in de huidige context van ruimtevervuiling en zou niet mogelijk zijn geweest zonder meerdere internationale en Belgische samenwerkingen.

“Het was een lange technisch moeilijke project, maar het was de moeite waard om de satelliet te blijven volgen, ondanks het gebrek aan communicatie, tot hij terugkeerde naar de aarde. ESA erkent de inspanningen die de VKI in de loop der jaren in dit zeer uitdagende project heeft gestoken. We hebben de hele tijd een goede samenwerking gehad en hoewel de missie niet succesvol was, zijn er veel lessen geleerd die in de toekomst kunnen worden gebruikt.», Roger Walker, ESA-projectmanager.

Peter Grognard, algemeen directeur van de VKI onderstreept dat “Het VKI-team is bijzonder trots dat het aan het leveren van innovatieve technische oplossingen voor toekomstige nanosatellietmissies heeft bijgedragen. Vandaag staan nano-satellieten centraal in de kritische vraagstuk van puin in de ruimte. Het uitvoeren van dit soort gecompliceerde projecten maakt het mogelijk om door middel van onderzoek op te leiden in onderzoek, een van de basisopdrachten van het Instituut”.