Latitude 5 n°102 - dossier Sur orbite…

14 / LATITUDE 5 / N°102 / OCTOBRE 2013
Dossier Dossier préparé
par Typhanie Bouju et Karol Barthelemy
Après plus de onze années d’observation des océans,
le satellite JASON-1 a rendu son tablier le 1er juillet dernier.
Quelques jours plus tôt, SPOT-4 échangeait ses
dernières informations avec la Terre.
Une retraite bien méritée après avoir
survécu trois fois plus longtemps que
prévu. En juin dernier, utilisant ses
derniers litres d’hélium, le téléscope spatial
européen HERSCHEL rejoignait son orbite
cimetière, autour du Soleil. Ce ne sont que trois
des plus récentes opérations de fin de vie dont l’Espace
a été témoin. Depuis 1957, plus de 7000 satellites ont
rejoint Spoutnik, le premier à graviter autour de la Terre.
800 sont encore en activité, dont 70 français… et les
autres, que sont-ils devenus ? Depuis, la parution de
la Loi sur les Opérations Spatiales (LOS) donne en France
un cadre réglementaire strict aux opérations de contrôle
de la fin de vie des systèmes orbitaux. Focus sur les
satellites du CNES mis à la retraite.
Photo de fonds : l’arche de la Voie Lactée au-dessus du VLT (Very Large Telescope) de l’Observatoire Européen Austral (ESO) au Cerro Paranal (Chili).
SPOUTNIK
© TASS
Sur orbite…

© ESA
© ESO/H H HEYER
L’anneau clairement formé par les satellites
sur orbite autour de notre planète est
une zone déclarée protégée pour limiter
le nombre de satellites “morts”.
LATITUDE 5 / N°102 / OCTOBRE 2013 / 15
Satellite inactif = débris spatial
De l’eau a coulé sous les ponts depuis Astérix, le premier satellite
français mis sur orbite autour de la Terre. Il quittait le plancher
d’Hammaguir en 1969. Il lui faudra encore plusieurs siècles
avant de plonger dans l’atmosphère et s’y désintégrer. Depuis,
la circulation sur les orbites terrestres s’est densifiée et les agences
spatiales du monde entier se sont accordées, en 2002, sur un code
de conduite à tenir face à cet encombrement. D’après les radars
et télescopes au sol de l’USSTRATCOM1, l’entité américaine en
charge de la surveillance de l’Espace, 22 000 objets d’une taille
supérieure à 10 cm gravitent hasardeusement autour de la Terre
et 15 000 sont référencés dans le catalogue public. Les débris de
taille inférieure ne sont pas catalogués mais ils sont estimés à plus
de 200 000 entre 1 et 10 cm. « Les radars qui surveillent ces débris n’ont
pas la capacité technique d’identifier et de suivre la trajectoire des débris
inférieurs à 10 cm. C’est pourquoi ils ne sont pas catalogués. Si nous avions
la possibilité de les repérer, nous le ferions puisque l’on sait qu’un objet
de quelques centimètres à peine peut détruire ou faire disparaître un autre
objet», précise Fernand Alby, chargé de mission des débris spatiaux
au CNES Toulouse (DCT/DA). Au 26 juin 2013, le registre national
des objets français dans l'espace contenait 120 satellites (dont 70
opérationnels) et 191 étages ou éléments de lanceurs. «Le catalogue
américain contient 286 débris attribués à la France», ajoute très
précisément l’expert. Une part bien mince si on la compare aux
nations spatiales historiques que sont les Etats-Unis et la Russie,
engagées dans la course aux orbites une décennie avant la France.
1United States Strategic Command
et après ?

16 / LATITUDE 5 / N°102 / OCTOBRE 2013
Sous le terme débris,
se cachent plusieurs types
d’objets. «Il peut s’agir
d’un objet intègre qui a
été abandonné, comme un
satellite, de débris résultant
d’une explosion, d’une
collision, d’une fragmentation
ou encore d’objets libérés»,
décrit le spécialiste. Parmi
les objets catalogués, 6%
sont des satellites en fonction et 22% sont des satellites abandonnés.
Risques majeurs : la collision d’un débris avec des satellites actifs
qui aurait pour conséquence la destruction de l’objet mais aussi
l’apparition de nouveaux débris. «Si le risque de collision existe, nous
sommes encore loin d’atteindre la saturation des orbites, relativise Fernand
Alby. En orbite basse, à environ 800 km d’altitude, le nombre de débris
va continuer à augmenter. L’IADC2(groupement des agences spatiales
internationales en charge de la question des débris spatiaux) estime que dans
cette zone, la population satellitaire augmentera de 30% d’ici 200 ans
si les mesures de fin de vie préconisées sont correctement appliquées». Si on
est “propre”, la problématique de ne plus pouvoir traverser l’orbite
basse ou y résider ne se posera donc pas pour les deux prochains
siècles. « En GEO, poursuit-il, le risque d’atteindre le syndrome Kessler
(voir ci-dessous) est encore plus faible, voire nul».
2Inter-Agency Space Debris Coordination
de responsabilité pour les dommages causés par des objets spatiaux.
En 1993, naissait l’IADC, la communauté internationale de gestion
des débris spatiaux. Parmi les membres : le CNES et l’ESA, mais
aussi leurs homologues italiens, britanniques, chinois, allemands,
indiens, japonais, américains, canadiens, ukrainiens et russes. Tous
se sont accordés, en 2002, sur un ensemble de règles de base visant
à conserver les orbites terrestres “propres”, notamment les zones
dites d’intérêt pour les applications et missions spatiales. C’est
ce que l’on appelle les zones protégées.
Entre les deux, les orbites moyennes sont à la fois moins encombrées
par les débris spatiaux et moins utilisées. Seuls y naviguent les
satellites de positionnement, notamment des systèmes russe
(GLONASS), américain (GPS) et européen (GALILEO).
© S. QUARTARARO
Fernand Alby,
chargé de mission
des débris spatiaux
au CNES
© CNES/EMMANUEL GRIMAULT/2009
Le syndrome Kessler
Ou la théorie d’un scénario catastrophe, celui d’une réaction en chaîne
de collisions. L’ingénieur de la NASA Donald Kessler
avait imaginé, et ce dès 1978, qu’une
collision entre débris pouvait
entraîner la fragmentation de ces
derniers et donc de nouveaux
risques de collisions. Résultat :
les orbites les plus fréquentées
deviendraient inaccessibles à
plusieurs générations de satellites
artificiels.
“22 000 objets d’une taille
supérieure à 10 cm gravitent
hasardeusement autour de la Terre”
L’orbite basse (ou zone LEO, pour Low Earth Orbit) est l’une
d’entre elles. C’est là, sous les 2 000 km d’altitude de la Terre,
que sont placés les satellites d’observation de la Terre, ainsi que l’ISS
(400 km). C’est là également que les débris spatiaux sont les plus
nombreux. Seconde zone protégée, l’orbite géostationnaire (ou zone
GEO, pour Geostationary Earth Orbit) qui accueille les satellites
de télécommunications. Elle se situe à environ 35 785 km.
Orbites protégées
Prévenir la formation de débris spatiaux passe par une meilleure
“maîtrise” des charges utiles et des lanceurs en Fin De Vie (FDV),
comme le stipule la Loi relatives aux Opérations Spatiales (LOS),
entrée en vigueur en 2010. Si la parution de ce texte peut paraître
tardive, la prise de conscience remonte aux années 1960 et dépasse
les frontières de l’Europe. Deux ans à peine après la toute première
mise sur orbite d’un satellite artificiel, les Nations Unies créaient
un comité pour l’utilisation pacifique de l’espace extra-
atmosphérique. Plus tard, en 1972, se dessinait l’ébauche des
premières lignes directrices du code de conduite actuellement suivi
par la communauté internationale, et dont découlent les législations
nationales comme la LOS : l’ONU faisait naître la notion
© S. QUARTARARO

Libérer les orbites
Maîtriser la fin de vie d’un satellite, «cela signifie
le transférer sur son orbite de fin de vie, ou le faire rentrer
dans l’atmosphère, et le passiver pour éviter tout risque
d’explosion», résume Fernand Alby. En clair :
on désorbite ou on réorbite. Objectif : libérer
les orbites utiles et prévenir la formation de débris
spatiaux.
Ces opérations de retrait de service
des satellites sont aujourd’hui
conçues comme une phase de leur
vie. Elles sont gérées comme une
mission à part entière. Les opérateurs
satellites contribuent activement à la prévention
de la formation de débris spatiaux, en développant
des adaptations des charges utiles elles-mêmes, mais
aussi des commandes/contrôle et des opérations.
Pour les satellites actuellement en exploitation
sur orbite, la logique du “best effort” est appliquée
en s’accommodant du satellite tel qu’il a été conçu
par le passé et en prenant en compte son état
et ses ressources réelles. Notons que le CNES
a développé un logiciel, STELA (Semi-analyti Tool
for End of Life Analysis) qui permet, en parallèle
de la surveillance des débris spatiaux (zones de
croisement et risques de collision, durée de vie…),
de proposer des orbites de retrait de service.
L’objectif premier de la désorbitation est de limiter ces risques dans
les zones utiles, en libérant l’orbite. C’est dans ce but que le CNES
a mené sa première désorbitation, celle du satellite d’observation
de la Terre SPOT-1, sept ans avant que la LOS n’entre en vigueur.
Après une défaillance de son panneau solaire en 2001 et, surtout,
pour céder sa place aux autres membres de sa constellation, SPOT-1
a été désorbité le 17 novembre 2003. « A la fin des opérations
de désorbitation, son périgée se trouvait à une altitude de 580 km, soit
un abaissement de 270 km », détaille l’expert des débris spatiaux. Après
dix-sept ans de bons et loyaux services, il lui restait tout autant
à vivre, à l’issue des manœuvres d’abaissement, avant sa rentrée dans
l’atmosphère. «Si aucune opération n’était engagée, un satellite comme
SPOT-1 mettrait 200 ans à retomber. La LOS fixe une durée de vie
maximale de 25 ans», ajoute Fernand Alby.
“Symptômes” de FDV
Le principal critère et le cas le plus fréquent est l’estimation de l’épuisement
des ergols. Mais d’autres symptômes peuvent apparaître. SPOT-1a subi une panne
de l’un de ses panneaux solaires. Dans un tel cas, l’exécution des opérations de fin
de vie peut être urgente. Pour Jason-1, il s’agissait d’une perte partielle de contact.
Le satellite est devenu muet mais pas sourd : il a donc pu exécuter tous les ordres
de passivation qui lui ont été envoyés. Il était déjà sur son orbite cimetière où
il avait été placé préventivement pour ne pas gêner son successeur. Autre
symptôme rare mais possible : la “panne” électrique. Ne pouvant plus être
alimenté, COROT n’est plus utilisable pour sa mission nominale mais des
expérimentations sont prévues avant sa désorbitation.
26/09/2008. Rentrée atmosphérique
contrôlée de l’ATV1Jules Verne,
cargo ravitailleur européen de la Station
Spatiale Internationale (ISS).
© NASA
LATITUDE 5 / N°102 / OCTOBRE 2013 / 17
LEO
(Low Earth Orbit)
Orbite basse
Desserte de la station spatiale
[de 300km à 1 000km]
SSO
(Sun Synchronous Orbit)
Orbite héliosynchrone
Observation de la Terre - Météo
[800km]
MEO
(Medium Earth Orbit)
Orbite moyenne
Constellations de satellites
Localisation - Navigation
[20 000km]
GEO
(Geostationary Earth Orbit)
Orbite haute
Télécommunications
Télévision - Météo
[36 000km]
En zone LEO, les satellites sont désorbités : il s’agit d’abaisser
leur orbite afin de les “laisser redescendre” en moins de 25 ans.
En traversant l’atmosphère, ils seront partiellement désintégrés.
«La désorbitation consiste en une série de manœuvres à l’apogée, le point
de l’orbite où la distance à la Terre est maximale, permettant d’abaisser
le périgée, le point le plus proche de la Terre», schématise Fernand Alby.
Les opérations sont menées jusqu’à épuisement des ergols afin
de rapprocher le satellite au plus près de la planète bleue et de sa
désintégration dans l’atmosphère. Un objet qui se trouve à 600 km
d’altitude bénéficie encore un peu de l’atmosphère résiduelle qui
suffit à le freiner et donc à le faire descendre. Ce phénomène permet
un nettoyage naturel des orbites. Le déséquilibre est créé par la
prolifération de débris, due aux explosions spontanées, comme celle
de l’étage supérieur Breeze-M du lanceur russe Proton-M en octobre
dernier, aux explosions volontaires et aux collisions.

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Prévenir la formation de débris
Une fois l’orbite libérée, les satellites en fin de vie vont rester en vol
pendant plusieurs années (le temps de rentrer dans l’atmosphère)
voire plusieurs siècles (en GEO). C’est pourquoi l’IADC
recommande d’épuiser toutes sources d’énergie (fluide et
électrique). L’objectif de cette phase est d’éviter l’explosion
spontanée. La chaleur du soleil sur un satellite qui contiendrait
encore des ergols peut provoquer un effet “cocotte-minute” :
les ergols se vaporisent à l’intérieur des réservoirs, augmentant
la pression, et le font exploser. Le registre américain recense
154 explosions spontanées et plus de 50 explosions volontaires.
Pour parvenir à cette passivation totale, les réservoirs sont vidangés,
les batteries déchargées et la pression abaissée au maximum.
La passivation fluidique est entamée en phase de ré-orbitation ou
de désorbitation : les manœuvres de changement d’orbite
sont poursuivies jusqu’à épuisement des réservoirs d’ergols. La
passivation électrique implique de décharger, voire déconnecter
les batteries électriques. Les générateurs solaires sont court-circuités
ou orientés à l’opposé du Soleil. Enfin, les émetteurs sont éteints.
Le satellite ne communiquera plus et ne pourra pas interférer avec
d’autres satellites. La conception de certains satellites, capables
de détecter une panne électrique, les rend plus récalcitrants à
ce type de manipulation. Il peut alors être nécessaire de détruire
l’intelligence à bord, comme cela a été fait pour la filière Myriades
en effaçant le logiciel de vol.
En orbite géostationnaire, on parle de ré-orbitation :
les satellites sont rehaussés sur une orbite dite “cimetière”,
la plus circulaire possible, à plus de 200 km de l’arc GEO,
au-delà de la zone protégée selon les recommandations
de l’IADC. Les durées de vie orbitale dans cette zone
sont infinies. Inertes et hors de portée, les satellites n’y sont
pour autant abandonnés. « Si, aujourd’hui, nous ne sommes
pas en capacité de les récupérer, leur mouvement reste prévisible»,
confirme Fernand Alby. S’il n’est plus opérationnel,
un satellite comme TC2C, de la constellation Telecom 2,
lancé en 1995 et ré-orbité en octobre 2009, est toujours
en vol. Après de nombreuses manœuvres entrecoupées
de calculs permettant de déterminer son orbite cimetière,
il a finalement été positionné à 575 km au-dessus de l’arc
GEO, où il se trouve toujours.
Un ATV pesant plus de 20 tonnes, il n’est pas possible
de le laisser retomber sur Terre de façon aléatoire.
Le Centre de Contrôle de Toulouse contrôle
sa désorbitation, lui commandant deux manœuvres
d’abaissement pour le faire retomber dans l’Océan
Pacifique, loin de toute zone habitée.
En tête des bonnes conduites spatiales : tout engin spatial en fin de mission,
élément de lanceur ou satellite, doit être passivé.
Le CNES a mené sa toute
première ré-orbitation en 1983,
soit plus de 20 ans avant que la LOS
ne paraisse. Il s’agissait du premier satellite
de télécommunication européen Symphonie 1,
lancé en 1974 depuis Cap Canaveral, en Floride.
Lui et son compagnon de constellation Symphonie 2,
lancé et ré-orbité depuis la même base un an après,
ont été rehaussés de 60 km. Un autre exemple, celui
de Telecom 2B, témoigne de cette anticipation et des
progrès réalisés. Ce satellite de télécommunication
(civil et militaire), lancé depuis le CSG en 2004,
a été rehaussé de 185 km, une altitude très
proche de la recommandation
IADC.
© NASA