Composition d`un système spatial

Composition d’un système spatial
Il existe 2 types de système :
 Balistique (militaire)
 Spatial.
Chaque système comprend toujours au moins 3 éléments :
 La charge utile
 Objet balistique
 Satellite ou sonde spatial
 Capsule ou navette
 La fusée porteuse
 Engin balistique
 lanceur
 Les installations au sol qui assure la qualité du système
 Ensemble de lancement
 Stations aval et centres d’opérations
 Moyens de récupération.
La charge utile
 Type balistique
 Fusée sonde, pacifique peut avoir des utilisations militaire.
 Missile balistique, utilisation militaire.
 Le satellite.
 La sonde. Pioneer-11 lancé en 1973, arrivée autour de Jupiter entre 74 et 75 puis
autour de Saturne en 79 (première sonde à y aller).
 Habitée
 Capsule. Portance faible, permet un léger contrôle pour un meilleur atterrissage,
trajectoire balistique.
 Navette. 12 avril 1981 premier vol d’une navette. Bourane (Russe) un seul vol,
détruite suite à l’effondrement du plafond du hangar de stockage.
La fusée porteuse
Les lanceurs consommables ELV (Expandable Launch Vehicul)
Européen
 Ariane 5, premier vol d’une fusée Ariane était prévu au 15 décembre 1979 mais suite à
un problème technique elle ne décolla que le 24 décembre (3e essai)
 VEGA, à venir, italo-français
Américain ULA (United Launch Alliance, entre Boing et Lockheed Martin)
 Delta 2
 Delta 4 M
 Delta 4 Heavy (premier étage identique avec Delta 4 M) constitué de 3 premiers étages
de Delta 4 M alignés
 Atlas 5
 Falcon 9
 Minotaur 4
 Taurus XL
 Taurus 2 (ressemble à Minotaur 4 en plus gros)
 SLS (Space Long Système), attendue en «2017» pour prendre la suite du programme
constellation. Elle est constituée d’un lanceur lourd et d’une capsule Orion. Pour une
orbite basse transport de 70t puis 130t dans une 10ène d’années.
Elan Munsk est le fondateur de Space X.
Russe
 Cosmos 3M
 Tsyklon (cyclone)
 Rockot, missile reconverti
 Soyouz
 Proton
 Zenit, mi Russe mi Ukrainienne
Chinois
 Longue Marche 2C
 Longue Marche 2F
 Longue Marche 3
 Longue Marche 4
 Longue Marche 5 (à venir)
 Longue Marche 6 (à venir)
 Longue Marche 7 (à venir)
Longue Marche 5, 6 et 7 seront lancées sur la future base de Haïnan.
Japon
 H-2A
 H-2B
 MV
Inde
 PSLV (Polar)
 GSLV-MKIII
 GSLV-MKII
Israël
 SHAVIT
Iran
 SAFIR
Corée du Sud
 KSLV
Les lanceurs semi-réutilisables
Ils ne sont plus opérationnels.
 Space Shuttle, américain, le réservoir se désintègre alors que la navette revient sur
terre et que les boosters sont récupérés par des navires après activation de parachutes
(réutilisés si possible)
 Bourane, soviétique, un seul vol en automatique le 15 novembre 1988, pas d’autre vol
et elle est détruite suite à la chute du plafond de son hangar de stockage
Lanceurs réutilisables (RLV)
Ils ne sont pas à l’ordre du jour car coûte trop chère et demande un très grand niveau
technologique.
Les installations au sol
Il existe 3 grandes catégories d’installations au sol :
 Installations de lancement
 Stations «aval» et centres d’opérations
 Installations de récupération.
Ces installations représentent 10 à 15% du coût total du projet.
Installations de lancement
Elles ont plusieurs fonctions :
 stocker les éléments de la fusée porteuse et de la charge utile
 assembler la fusée et la charge utile
 A l’horizontale comme les russes ou les ukrainiens
 A la verticale pour les autres
 Ravitailler en fluide les étages propulsifs et la charge utile. Ce sont des produits toxique
et explosif. La veille et durant la nuit on refroidit les réservoirs et les étages à oxygène
et hydrogène liquide pour éviter un choc thermique (car très froid)
 Effectuer les contrôles finaux et le tir, pour les américains le 0 correspond au
décollage, pour nous à l’allumage, la montée en régime des moteurs met en moyenne
3 sec (7 pour le moteur vulcain)
 Suivre et contrôler la trajectoire de la fusée porteuse pendant le vol
 Surveiller le fonctionnement de la fusée porteuse lors du vol.
Les stations aval et centres d’opérations
2 types de station :
 A proximité de la base de lancement pour le tir et la phase propulsée
 Pour la suite
4 bases françaises :
 Kourou (Guyane)
 Libreville (Gabon)
 Natal (Brésil)
 Malindi (Kenya)
Stations de contrôle et de suivi de satellites :
 Kourou
 Iles Kerguelen (Sud océan indien)
 Aussaguel (à côté de Toulouse).
Centres d’opérations :
 Russe, Baïkonour
 Américain, Houston
 ATV, CNES de Toulouse.
Dépend du type d’opération à réaliser.
 Traite les télémesures du satellite
 Mise et maintient à poste (limiter la déviation de l’orbite du satellite)
Certains récupèrent les données scientifiques du satellite (généralement fait dans des
centres annexes).
Installations de récupération
Les Russes ont choisi une rentrée dans l’atmosphère semi-balistique.
Les américains ont choisi l’amerrissage.
Pour les premières missions du Space Shuttle, atterrissage sur des pistes très longues et
larges (lac salé). Puis création d’une piste spéciale avec des pistes de secours dans
différentes régions du globe, comme en France en Provence.
Mission GENESIS :
Lancement le 8 mars 2001.
Rentrée prévue au 8 septembre 2004.
Echec lors de la phase de rentrée, l’accéléromètre avait été monté à l’envers, ne déclenchant
pas l’ouverture du parachute.
10% du coût du satellite correspond à l’assurance. Elle couvre le lancement et la première
année de vie.
Dans le cas présent pas d’assurance.
Les contraintes des installations au sol
Stations aval et stations TM/TC (Mesure/Commande)
 dissémination à la surface du globe
 position de certains stations aval peuvent conditionner le choix des orbites ou des
trajectoires de mise en orbite
 remplacement à terme de plusieurs stations par un système de satellites relais en
orbite géostationnaire ou très elliptique
Sites de lancement
L’utilisation de sites de lancement est soumis à des règles de sauvegarde : limitation de
l’orientation du plan initial de la trajectoire dans un secteur (éviter certains régions
peuplées) et donc des orbites accessibles.
Pour utiliser au mieux l’appoint de la rotation terrestre, il est important de pouvoir effectuer
les lancements plein Est. Plus on est proche de l’équateur et plus on peut profiter d’une aide
en vitesse.
A Kourou il y a une contrainte calendaire (entre le printemps et l’automne) due à la présence
des alizées face à la zone de tir.
18000 objets d’une taille supérieure à 10cm en orbite basse.
Missions et trajectoires associées
Les grandes catégories de missions
 Balistique (fusées sondes ou têtes nucléaire)
 Télécommunication
 Observation de la Terre (météo, océanographie, ressources terrestre, gravité, …)
 Navigation, une constellation est constituée de 30 satellites pour être opérationnelle
(3 seulement dans le monde : Russe Glonass, Américain, Chinois Beïdou/Compass)
 Scientifique
Trajectoire balistique
On ne cherche pas à mettre en orbite l’objet. Ce n’est pas une parabole, orbite sécante.
Mission scientifique, comme météorologique, on envoie la fusée-sonde à une hauteur
inférieure à celle de l’atmosphère pour récupérer la fusée. Pour les autres missions
scientifiques on envoie plus haut.
Pour les missions militaires on cherche à atteindre une cible. La portée opérationnelle est
plus courte que la portée maximale mais assure une plus grande possibilité de vitesse en
fonction de l’angle de tir utilisé et donc une plus grande difficulté pour prévoir comment
arrive l’objet, oblige au radar de défense de balayer un plan plus large. Si on utilise un sousmarin, on diminue les possibilités de connaitre la trajectoire et donc la détection du missile.
Trajectoire géocentrique
Les plus utilisées pour les missions spatiales.
Périgée : point le plus proche du centre d’attraction
Apogée : point le plus éloigné du centre attraction
Le grand axe : axe passant par les 2 foyers
3 types d’orbites, dépende de l’apogée :
 Orbite basse : 180-1000km, des satellites passent en dessous avant de remonter
(satellite espion américain)
 Orbite moyenne : 1000-25 000km
 Orbite haute : 25 000-200 000km, au-delà de cette valeur on a une trajectoire à 3
corps et donc plus une trajectoire de type elliptique (influence de la Lune).
Orbites circulaires basse et moyenne
Missions d’observation de la Terre, altitude quasiment constante, permet de ne pas avoir à
retoucher les réglages du télescope. On évite le plus possible les mécanismes mécaniques
pour éviter les dégradations liées au vide ou l’action des ultraviolets.
Orbite héliosynchrone : l’orbite reste dans le même plan que celui fait avec le soleil, permet
d’étudier les modifications de l’ombre non pas due au changement d’éclairage du soleil mais
du mouvement de l’objet.
Orbite géosynchrone : le satellite a un cycle à l’identique tous les x jours
Combinaison d’orbites héliosynchrone et géosynchrone (SPOT 27 jours de cycle, HELIOS)
Critère de choix de l’altitude :
 Importance de la trainée atmosphérique (atmosphère tjrs présente), freinage du
satellite obligeant à le remonter régulièrement diminuant sa durée de vie (réservoir
limité)
 Performance des lanceurs envisagés (de moins en moins le cas)
 Besoins de la mission (surface accessible par le capteur) plus on monte et plus la zone
et large mais moins la résolution est bonne
Orbite géostationnaire
Aucun satellite ne peut rester sur cette orbite. Elle est unique, circulaire, à inclinaison nulle
(plan géostationnaire confondu avec le plan terrestre), un peu inférieure à 36 000km,
période orbitale de 23h56min4s (période stellaire : temps que met un objet pour tourner sur
lui-même).
Le satellite semble immobile depuis la terre.
Missions :
 Télécommunication
 Météorologie
 Défense, détection de trajectoire balistique
Autres orbites
 XMM (X-ray Multi-Mirror-Newton): étudie les rayons X pour comprendre le
fonctionnement de l’univers et des événements violents qui s’y déroule
 Cluster : lancé par paire en 2000 (2 paires), pour étudier la magnétosphère, leurs 4
petits frères on fait boum au décollage
 SMM (Solar Maximum Mission ou SolarMax) : étudie les phénomènes solaires, dont les
éruptions solaires
 MOLNIYA, lancé à l’inclinaison critique : satellite de télécommunications Russe (civile
et militaire)
Trajectoire de libération terrestre
Permet d’étudier d’autres corps céleste.
L’énergie nécessaire est supérieure à celle des orbites terrestres diminuant la masse utile.
1ière vitesse cosmique : 7,9km.s-1, permet d’atteindre l’orbite terrestre
2ième vitesse cosmique : 11,2km.s-1, permet de quitter l’orbite terrestre.
3ième vitesse cosmique : plus de 13,8km.s-1, pour quitter le système solaire.
Une mission lunaire est moins gourmande en énergie qu’une mission d’observation
planétaire.
Les budgets spatiaux
L’ESA (Europeen Space Agency)
Regroupe 19 pays membres pour un budget de 3,9G€ en 2011.
1G€ pour la navigation et télécommunication.
843M€ pour l’observation de la Terre, GMES (Global Monitoring for Environment and
Security).
600M€ dans les lanceurs, développement VEGA, suivi des lanceurs déjà existants.
400M€ dans les vols habités.
1ier contributeur l’UE, 2e la France, 3e l’Allemagne, 4e l’Italie, 5e l’UK, 6e Espagne, 7e Belgique,
8e Suisse, 9e Pays-Bas.
La NASA
Les budgets américains vont d’octobre 2011 et septembre 2012, c’est le parlement qui
décide ce budget.
Rien que pour étudier les planètes 1,5G$.
1G$ pour les étoiles
600M$ pour le soleil
1,8G$ pour la Terre
Space Shuttle encore 660M$
2,8G$ pour l’ISS.
Uniquement pour le budget civil.
Le dollar américain a un pouvoir d’achat très inférieur, une mission à ESA coûte entre 1/3 et
½ de ce qu’elle coûte à la NASA.
Les dépassements de budgets sont monnaies courantes.
45 à 55G$ investi dans le spatial dont 18,7G$ pour le civil.
Mission MESSENGER :
Lancé en 2004 et arrivée en mars 2011 car Mercure est la planète la plus dure à atteindre
malgré la proximité à cause d’une vitesse trop grande lors de l’arrivée. Freinage par réaction
de gravitation. Mercure, planète tellurique, très dense, cœur de fer, relief très peu marqué.
Mission JUNO :
Lancement intervenu le 5 août 2011 pour Jupiter. Pioneer-10 (1972) et Pioneer-11 (1974)
puis 2 autres, Galileo (début 90) puis Cassini. 2ième mission après Galileo à s’être mise en
orbite autour de Jupiter. Dès qu’on dépasse Mars et la ceinture d’astéroïde, il faut des
panneaux solaires très grands car on est trop loin du soleil. Avant on utilisé des petits
générateurs isotopiques. JUNO arrivera en 2016, sonde lourde, elle doit faire une réaction
de gravitation autour de la Terre avant d’arriver. Sa mission va durer 1 an, étude de
l’atmosphère de Jupiter (planète gazeuse, pas de roche) surtout en profondeur. Elle doit
traverser les ceintures de radiations de Jupiter qui vont dégrader l’électronique et les
panneaux solaires.
Mission GRAIL (Gravity Recovery And Interior Laboratory)
Mesure globale et précise du champ de gravitation de la Lune pour mieux comprendre son
intérieur et sa création. 2 satellites (GRALE) partis le 10 septembre 2011 qui vont se mettre
en orbite autour de la Lune. Tout objet qui est dans le vide doit dégazer (eau, solvant, …) afin
de permettre les mesures. Les sondes sont passées par une trajectoire plus longue en
passant par un point de Lagrange. Orbite à 50km d’altitude en 2012. Mesure au millionième
de g, explique le besoin du dégazage. La variation de distance entre chacun des satellites
permet de calculer la variation de gravitation. Mission de très haute précision.
Mars Science Laboratory (MSL)
Mars a 2 satellites naturels (Phobos et Deimos). La mission doit étudier Phobos. La sonde fait
3,4t et le rover la taille d’une mini cooper et 900kg (4ième rover). Le Rover est équipé de
générateurs isotopiques pour l’alimenter jours et nuits. Le problème du Rover est le poids (5
fois plus que les précédents), on ne peut pas utiliser la même méthode que les autres.
Technique d’atterrissage très compliquée. Lancement par une fusée Atlas 5 le 25 novembre
2011 au coût de 2,5G$. La zone d’atterrissage du Rover (Curiosity) est le cratère Grale à l’été
2012.
James Wehh Space Telescope (JWST)
Successeur de Hubble qui arrive avec 10 ans de retard et ne doit pas être lancé avant 2018 et
où les coûts ont explosé. Il travaillera dans le domaine de l’infrarouge et sera lancé par une
Ariane 5. Il sera au niveau du point de Lagrande 2, derrière la Terre pour diminuer l’influence
du Soleil. Son miroir fait 6,5m de diamètre.
Vols habités :
Les Américains ont 2 problèmes : le lanceur pour envoyer des hommes et les vaisseaux
cargos pour envoyer du ravitaillement (oxygène, vêtements, vivres, matériel scientifique).
L’administration américaine s’appuie sur des sociétés privées, programme COTS, 2 sociétés
ont été sélectionnées :
 Space X avec son lanceur Falcon 9 et sa capsule Dragon, budget de 1,6G€ dans ce
projet, rentrée atmosphérique de la capsule après opération et 3ième vol prévu début
2012 pour le lanceur
 Le module, capsule Cygnus, n’a pas de rentrée atmosphérique et son lanceur est une
Taurus 2 qui n’a pas encore était lancée
CCDev, projet de produire des capsules d’ici 2015 conçues par des sociétés privées
américaines (Space X avec Dragon, Boing, Sierra Nevada, Blue Origin dont le créateur est le
patron d’Amazon).
L’état américain souhaite un système dédié à l’exploration lointaine. Les objectifs sont loin
d’être clairs, on ne sait pas si ça va durer. Le lanceur prévu pour ces missions sort droit du
projet Constellation, mais premier lancement pas avant la fin de cette décennie, si ça se fait.
Au-dessus la capsule Orion, premier vol pas avant 2021.