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Chapitre 7 L’Espace de nos jours Thierry Midavaine Mai 2005 [email protected] Land & Joint Systems Sommaire 1. 2. 3. 4. 5. 2 L’espace aujourd’hui Segmentation L’environnement spatial Les lanceurs Les programmes scientifiques Land & Joint Systems 1. L’espace aujourd’hui Environ 4000 lancements Exploration du Soleil, 8 planètes, satellites, astéroïdes et comètes 3 nations ont envoyé des hommes en orbite : Russie, USA, Chine Les applications se déclinent dans trois domaines: Militaire Commercial Scientifique En 2003 63 lancements dont 16 tirs commerciaux, 1 échec 3 Land & Joint Systems 2. Segmentation : les lanceurs Les Lanceurs les missiles ballistiques les fusées les navettes les engins stratosphèriques Les moteurs Hydrocarbures Cryogéniques Ioniques Le statoréacteurs en haute atmosphère Les voiles solaires Les changements de milieu 4 Land & Joint Systems Segmentation: les véhicules spatiaux Les satellites Les micro-satellites Les mini-satellites Les satellites moyens et lourds Les constellations de satellites Orbite basse Orbite héliosynchrone Orbite de transfert Orbite géostationnaire Orbites sur les points de Lagrange Les compagnons sur des orbites voisines de la Terre Les sondes interplanétaires Les vecteurs de rentrés atmosphèriques Terre, Mars et Titan 5 Land & Joint Systems Le segment sol Définition de l’interface Bord / Sol Autonomie du véhicule / Commande et Control depuis le sol Capacité de la liaison (durée débit), traitement bord, compression de données, capacité de stockage bord / traitement sur le segment sol. Interface Homme machine, décision des hommes, charge de travail. 6 Land & Joint Systems Domaine Militaire Objectifs : le maintien de la paix, la supériorité militaire Intelligence observation, reconnaissance écoute Prévention Dissuasion Militaire Observation de la Terre Veille stratégique du théâtre atmosphérique et exoatmosphèrique Veille des missiles ballistiques Analyse des signatures des événements KKV Killer Kinetic Vehicle Télécommunications Localisation et guidage 7 Land & Joint Systems Domaine Commercial Civil Objectifs économiques : rendre un service compétitif ou un service qui ne peut être assuré par d’autres moyens Télécommunications Transmission de données La localisation, navigation et la distribution du temps Observation de la Terre: télédétection / végétation, géologie, océan Observation optique (hyperspectrale) Observation radar (SAR) Météorologie, diagnostiques sur l’atmosphère Observation optique visible, IR Lidar (altimètrie des nuages et anémomètrie) Spectro IR (bilan radiatif de l’atmosphère et du sol) mesure des pressions partielles CO2, H2O … 8 Land & Joint Systems Sciences Objectif : apporter des contributions majeures aux connaissances de l’homme. Observation de l’univers, astrophysique Exploration du système solaire Physique des milieux ionisés et physique Soleil - Terre Observation de la Terre Physique fondamentale Explorer l’environnement spatial et ses conditions extrêmes. Sonder son exploitation. Expériences dangereuses : les conséquences éventuelles des expériences menées sont non néfastes pour la Terre 9 Land & Joint Systems Les technologies spatiales Techniques de véhicules Les microsatellites L’autonomie bord Navigation Guidage Pilotage Commande et Contrôle Les structures Aéro-assistance Pyrotechnie: chocs et amorçage laser Propulsion (électrique, chimique) 10 Land & Joint Systems Techniques Charges Utiles La robotique, Les composants: Microélectroniques Miniaturisation et standardisation Durcissement Énergie bord Connaissance de l’environnement Ingénierie et outils systèmes Outils de simulation travail collaboratif 11 Land & Joint Systems 3. l’environnement spatial Le vide (atmosphère résiduelle) La microgravité Les environnements cinématiques Les températures Le champ magnétique terrestre L’activité solaire et les radiations électro-magnétiques Le rayonnement cosmique Les ceintures de radiations Les micrométéorites et débris spatiaux L’absence de pollution humaine ou du vivant La «propreté» de l’environnement physique et électromagnétique Les conditions de propagation 12 Land & Joint Systems Le vide (atmosphère résiduelle) >200km limite des orbites basses < 1000km frottement Atmosphère résiduelle 10-10 atm à 300km, 10-14atm à 800km, et descend à 10-18 atm O Oxygène atomique 109 à 1010 atomes par cm3 (5eV) à 200km, 105 à 800km 13 Land & Joint Systems Les températures -170°C à +150°C sur la peau du vaisseau suivant l’orientation au Soleil et le cycle de l’orbite. A l’intérieur du satellite de 0°C à 55°C 14 Land & Joint Systems Le champ magnétique Résulte du champ magnétique terrestre et des courants circulant dans l’ionosphère et la magnétosphère. Jusqu’à 5 RT le champ magnétique est proche d’un dipôle de Moment M= 8. 1015A.m2 Le champ magnétique s’écrit: _________ B()= M (4-3cos2 ) la latitude RT3 cos6 B=0 la composante longitudinale est nulle 15 Land & Joint Systems 16 Land & Joint Systems L’activité solaire Le cycle solaire de 2 x 11 ans Le vent solaire génère un courant d’ions (plasma) qui entre en contact avec le champ magnétique terrestre en générant la magnétosphère. 10 RT dans la direction solaire à 1000 RT en antisolaire. Le rayonnement solaire est équivalent à un corps noir à 5800K, il délivre un éclairement de 1,4kW/m2. La couronne solaire est un plasma chaud à une température de 2millions de degrés de 1012/cm 3 de densité. Lors des éruptions solaires la température du plasma monte à 100 millions de degrés avec l’émission d’ e-, H+ et d’ions lourds. Les spectres des flux sont très variables jusqu’à 2 107 p+/cm2 à 1GeV et 2. 1010 p+/cm2 10MeV 17 Land & Joint Systems Le rayonnement cosmique Des noyaux sans cortèges électroniques: H 87%, He 12%, Li, Be, B, Sc, V, Cr, Mg et tout le tableau de la classification p. é. avec des énergies de 1 GeV à 1020eV 18 Land & Joint Systems Les ceintures de radiation Des ions : e-, H+, … sont injectés sur les lignes de champ magnétique. Ils ont plusieurs origines: le vent solaire les neutrons d’origine solaire les interaction du rayonnement cosmique avec la haute atmosphère générant des neutrons libres qui généreront des eet H+ Ces ions ont une énergie de plusieurs Mev. Ils se retrouvent piégés dans les lignes de champ magnétique. Ils décrivent des hélices à pas variables suivant le module de B. La composante du gradient de B (ortogonale aux lignes de champ) induit une fem dans une direction perpendiculaire créant ainsi une ceinture. Le piégeage des ions est sélectif en charge, énergie, position et vitesse. 19 Land & Joint Systems 20 Land & Joint Systems 21 Land & Joint Systems Objets Micrométéorites vitesses 10 à 70 km/s Débrits spatiaux de 0 à 15 km/s de vitesse relative 22 Land & Joint Systems 4. Les lanceurs Les lanceurs consommables Les lanceurs réutilisables 23 Land & Joint Systems Les lanceurs lourds 24 Energia Russie 1965 100 tonnes Saturne V USA 1968-72 50 tonnes Space Shuttle USA 2003 28 tonnes Proton Russie 1965- 23 tonnes Titan IVB USA 1989 - 23 tonnes Delta IV Heavy USA Boeing 2004 13 tonnes Ariane 5 ECA Europe Ariane espace - EADS 2005 10 tonnes Atlas V USA Lockheed Martin 2003 7,6 tonnes Soyouz U Russie 1963 6,5 - 8 tonnes Zenit 3SL Ukraine 1999 5,5 tonnes Land & Joint Systems Les lanceurs H-2A Japon 2005 4,5 tonnes Long March 2M-2F Chine 2003 3,7 tonnes Inde Delta II 25 USA Boeing 1 tonne Falcon 1 6M US$ Falcon 5 12M US$ Land & Joint Systems 5. Les programmes scientifiques Menés par un PI (Principal Investigator) et un consortium. Propositions classées : A acceptées et retenues B recevables mais à ressoumettre avec des modifications C rejetées 26 Land & Joint Systems Les phases d’un programme spatial Pré-phase A études papiers sur la mission les expériences, confiées à plusieurs équipes. Phase A étude approfondie de la mission, pour en définir le coût et le planning. Phase B étude de définition et réalisations pour lever les points durs, les nouveauté technologiques, permettre les choix Phase C réalisation Phase D intégration et les essais Les phases C et D sont souvent associées dans un même contrat. Phase E lancement, opérations en vol et exploitation des données 27 Land & Joint Systems Le CNES, les plans de R&T Plan tri-annuel du CNES réactualisé chaque année lors d’une conférence en mars. Appel à propositions chez les industriels et les laboratoires Préparation de projets fortement innovants dans le domaine de la science et des applications Promotion de l’excellence technique française Participation à l’effort européen de R&D Rôle dans la conception et le développement des systèmes spatiaux pour le compte de la Défense. Propose la réalisation de l’expérience sur des plateformes microsatellites 3 à 10 M€, 100kg, charge utile 30 à 40kg, 30 à 40W, 1 an (durée du programme 4ans) 30% Maitre d’œuvre et équipementier, 30% Laboratoires et écoles, 30% PME-PMI, 28 Land & Joint Systems ESA 2 à 4 tirs scientifiques par an 29 Land & Joint Systems Les programmes futurs Galileo (programme européen de positionnement par satellites) Meteo: des prévisions à 15 jours pour toute la planète par la cartographie 3D de l’atmosphère terrestre (champ de vents La protection de la planète d’une interception de comète ou d’astéroide d’une taille > à 100m. Pharao: horloge atomique Gaia : position à 1 µas des objets dans le ciel avec des références extragalactiques (quasars). LesOndes Gravitationnelles Darwin, Corot Détecter et détruire les débris spatiaux 30 Land & Joint Systems Les technologies et équipements Améliorer la durée de vie des senseurs inertiels : gyro mécanique, gyro laser, senseurs stellaires. Les télécommunications optiques à très haut débit La susceptibilité des composants electroniques et leur durcissement Analyser et limiter les vibrations au lancement Contrôle thermique (boucles fluides diphasiques passives), revetement Les manœuvres orbitales (propulsion, contrôle d’attitude, corps du satellite, opérations et mission, télécommandes - télémesure ) 31 Land & Joint Systems Les industriels européens Les maitres d’œuvre: EADS Space transportation Astrium Alcatel Space Alenia Les équipmentiers 32 Land & Joint Systems Les sites web BIBLIOGRAPHIE http://r.aberlin.free.fr/lune/lune.htm (sommaire de differents sites). les programmes spatiaux : http://perso.easynet.fr/~vger/page2a.htm http://perso.wanadoo.fr/alexandre.schwenck/programe.htm Nasa Apollo : http://spaceflight.nasa.gov/history/apollo/ budget Apollo : http://perso.wanadoo.fr/alexandre.schwenck/budget.htm Plan triannuel de R&T du CNES L’environnement spatial, Jean-Claude Boudenot PUF Aviation Week numéro spécial annuel du mois de janvier sur les véhicules aerospatiaux SITES VISITES Jacque Vilain, “A la conquête de la lune”, Larousse: http://www.capcomespace.net/dossiers/espace_US/apollo/debut.htm Navette Spatiale : http://www.a525g.com/astronomie/navette-spatiale.htm Cnes pour Ariane : http://www.cnes.fr/html/_112_260_306_.php 33 Land & Joint Systems
