Besoin scientifique
L'astronomie est science d'observation. Dans l'Antiquité, l'observation des objets célestes visibles à l’œil nu permet d'abord la mesure du temps. Ensuite, elle s'attache à prédire les mouvements des objets observés. Les observations étaient menées par des astrologues (qui parlent des astres) qui, au fil du temps, ont évolué pour travailler comme astronomes (qui étudient le mouvement des astres) et, aujourd'hui, astrophysiciens (qui utilisent la physique pour comprendre les astres). Au cours des siècles les instruments utilisés s'améliorent, permettant des observations toujours plus fines. Le XXème siècle marque un tournant, les astronomes se retrouvant confrontés à des limitations difficilement surmontables ainsi qu'à des besoins nouveaux :
- de nombreuses longueurs d'onde ne sont pas accessibles depuis le sol car elles sont absorbées par l'atmosphère de notre planète ;
- la pollution atmosphérique limite la précision des instruments au sol ;
- la turbulence atmosphérique dégrade les images astronomiques ;
- on commence à vouloir effectuer des observations géophysiques et géographiques de notre planète pour la météorologie, la géodésie, la climatologie, l'inventaire des ressources naturelles, la reconnaissance militaire…);
- enfin, un besoin de grands relevés à l'échelle de toute la planète apparaît.
Pour certains objectifs, il apparaît alors nécessaire de satelliser les instruments d'observation.
Différentes applications actuelles
Dès le début de l'ère spatiale, les industriels emboîtent le pas des scientifiques et imaginent des applications commerciales. On retrouve ainsi, de nos jours, de nombreux types de satellites différents :
- satellites astronomiques, dédiés à l'observation d'objets spatiaux de l'Univers proche ou lointain. On peut citer le télescope spatial infrarouge Herschel et la mission de cartographie de notre galaxie Gaia, tous deux de l'agence psatiale européenne (ESA), ou encore le chasseur d'exo-planètes Kepler de l'agence spatiale américaine (NASA) ;
- satellites de communication, qui répondent à des besoins de télécommunication, tels que ceux d'Intelsat, premier fournisseur de services de télécommunication par satellites en 2008 ;
- satellites d'observation de la Terre, à visée non-militaire telles que la surveillance environnementale, la météorologie ou encore la cartographie. La famille de satellites SPOT développées par l'agence spatiale française (CNES) en fait partie ;
- satellites de positionnement et de navigation servant à localiser des récepteurs au sol. À titre d'exemple, nous pouvons citer les systèmes américain GPS, européen GALILEO et russe GLONASS ;
- vaisseaux spatiaux habités, comme la famille de véhicules spatiaux soviétiques puis russes Soyouz ;
- stations spatiales, qui sont des structures artificielles développées pour que des humains puissent vivre dans l'espace. À la différence des véhicules spatiaux habités, celles-ci ne disposent pas d'un moyen de propulsion principal. La Station Spatiale Internationale (ISS) en est un exemple.
Aller plus loin
Opacité atmosphérique
Pourcentage d'absorption du spectre électromagnétique par l'atmosphère terrestre. Si l'atmosphère est opaque à une grande partie du spectre électromagnétique, parmi les exceptions se trouve le domaine du visible.
Crédit :
NASA
Turbulence atmosphérique et optique adaptative
Effets liés à turbulence atmosphérique. L'image de gauche est l'étoile HIC 59206 capturée par le VLT, tandis que celle de droite est la même image corrigée par
optique adaptative.
Crédit :
European Southern Observatory
Météorologie
L'ouragan Matthew vu dans l'infrarouge par le satellite Metop-A, le 7 octobre 2016. Les observations dans plusieurs bandes spectrales conduisent, une fois compilées, à une carte de température.
Crédit :
Eumetsat
Les satellites sont généralement classés en fonction de leur masse au lancement. Alors que dans les années 60, lorsque l'affrontement politique entre les États-Unis et l'Union soviétique s'exprimait sur le terrain de la course à la Lune, les engins spatiaux n'étaient limités que par les progrès techniques de l'époque, ce sont actuellement des critères économiques qui prévalent lors du développement des satellites. Une relation à peu près linéaire existe entre la masse d'un satellite et son coût. Une classification typique des satellites est présentée dans le tableau suivant.
Classification des satellites
| Dénomination | Masse | Coût | Examples |
|---|
| Gros satellites | > 1 t | > 150 M€ | Station Spatiale Internationale (500 t) |
| Sondes spatiales : Cassini Huygens autour de Saturne (NASA, 5,7 t) / Rosetta autour d'une comète (ESA ,3 t) |
| Satellites GEO de 3 à plusieurs dizaines de tonnes |
| Satellites LEO, MEO et GEO de 1 à 3 tonnes |
| Satellites moyens | <1 t | < 150 M€ | Constellation de télécommunication Iridium en LEO (66 satellites, 700 kg) |
| Télescope spatial CoRoT pour l'étude des étoiles (CNES, 668 kg) |
| Constellation Galileo, système de positionnement par satellites (ESA, 700 kg) |
| Minisatellites | < 500 kg | < 50 M€ | Sondes spatiales : New Horizons vers Pluton (NASA, 478 kg, ~600 M€) / SMART-1 vers la Lune (ESA, 366 kg, ~110 M€) |
| Plateforme PROTEUS (Thalès) |
| Microsatellites | < 100-150 kg | < 8 M€ | Plateforme Myriade (CNES, 100-150 kg) : PARASOL pour l'étude de l'atmosphère terrestre / MICROSCOPE pour le test du principe d'équivalence |
| PROBA-1 : démonstrateur technologique (ESA, 94 kg) |
| Nanosatellites | < 10 kg | < 3 M€ | Constellation Planet Labs (60 CubeSats 3U de 5 kg début 2017), observation de la Terre |
| GOMX-1 : CubeSat 2U (GomSpace 2,66 kg), démonstrateur technologique |
| ROBUSTA-1A (CNES / Université de Montpellier 2) : CubeSAT 1U (1 kg) développé par des étudiants |
| Picosatellites, femtosatellites... | < 1 kg | < 300 k€ | WREN (STADIKO) : femtosatellite de démonstration technologique financé participativement |
Source d'information
Masse et coûts de quelques satellites
Comparaison de la masse et du coût de certains satellites. Les deux paramètres sont reliés par une relation presque linéaire, les satellites scientifiques apparaissant plus coûteux.
Crédit :
Gary Quinsac
Hubble
Télescope spatial Hubble. Sa masse est de 11 tonnes, il fait la taille d'un bus (13 x 4 x 4 m3) et consomme 2,8 kW. Son orbite relativement basse (550 km d'altitude) a permis aux navettes spatiales américaines de venir effectuer des réparations et des remplacements d'équipements.
Crédit :
ESA
Station Spatiale Internationale
Plus grand objet artificiel placé dans l'espace (110 m de longueur, 74 m de largeur et 30 m de hauteur), la Station Spatiale Internationale fait environ 400 tonnes. Chacune de ses 16 ailes de panneaux solaires mesure 35 m de long pour 12 m de large, produisant un maximum de 120 kW. Son altitude varie entre 330 et 420 km et a été choisie pour faciliter son assemblage/ravitaillement en orbite par les différents pays impliqués dans son exploitation.
Crédit :
CNES
Satellite GPS
Un satellite GPS de 1,5 tonne pour 2.5 x 2 x 2 m3. Il consomme 1,9 kW et orbite à 20000 km d'altitude. De nombreux satellites de ce type composent ce qu'on appelle une constellation GPS, l'objectif étant d'avoir toujours au moins 4 satellites en visibilité depuis une zone donnée à la surface de la Terre.
Crédit :
GPS.gov
Satellite de télécommunication
Satellite de télécommunication KA-SAT d'une masse de 6 tonnes (dont 3 pour le carburant) et mesurant 5 x 2 x 2 m3. Comme de nombreux satellites de télécommunication il se trouve sur l'orbite géostationnaire (GEO), c'est à dire à 36000 km d'altitude. Ses panneaux solaires de 40 m d'envergure lui permettent de produire 14,4 kW.
Crédit :
J. Huart/ ESA
Un système spatial se décompose en trois éléments :
- le segment spatial,
- le segment sol,
- le lancement,
Segment spatial
Le segment spatial est décomposé en deux sous-ensembles principaux : la charge utile et la plateforme. La charge utile regroupe les instruments nécessaires à la réussite de la mission. Cela va du montage optique pour un satellite d'observation tel que Hubble aux antennes et amplificateurs associés pour un satellite de télécommunication. Il est important de remarquer que c'est la charge utile d'un satellite qui définit sa mission. La plate-forme assure les servitudes, c'est-à-dire l'ensemble des fonctions génériques nécessaires à l'activité en orbite. Ses différentes fonctions sont :
- la structure porteuse,
- le contrôle thermique,
- la génération, le stockage et la distribution d'énergie,
- la télécommunication,
- la télémesure, la télécommande et la localisation,
- le traitement, le stockage et la gestion des données à bord,
- le contrôle d'attitude et d'orbite,
- la propulsion.
Ces aspects sont developpés plus en détail dans la partie consacrée aux sous-systèmes.
Segment sol
Le segment sol se compose des stations de poursuite, des moyens d'opération et de commande/contrôle et des moyens de programmation de la charge utile, de réception, pré-traitement, archivage et diffusion des informations de cette même charge utile (centre de mission).
Lancement
Le lancement est l'étape permettant la mise en orbite d'un objet. C'est une étape dimensionnante en termes d'orbite atteinte, de masse et de volume disponibles sous coiffe. Le lanceur le plus lourd jamais créé a permis à un homme de marcher sur la Lune pour la première fois en 1969 et se nomme Saturn V. Depuis, de très nombreux types de lanceurs ont été développés pour permettre à des charges utiles plus ou moins importantes d'atteindre différentes orbites.
Les différentes orbites terrestres sont classées en fonction de leurs altitude, inclinaison et excentricité. En voici quelques unes :
- basses ou LEO pour "Low Earth Orbit", ces orbites présentent l'avantage de permettre des révolutions rapides et d'être sous les ceintures de Van Allen dont elles ne subissent pas les particules énergétiques ;
- héliosynchrones ou SSO pour "Sun Synchronous Orbit", elles sont choisies spécifiquement pour que l'angle entre le plan d'orbite et la direction du Soleil reste quasiment constant, ce qui permet notamment d'éviter les phases d'ombre dues à la Terre ;
- moyennes ou MEO pour "Medium Earth Orbit", privilégiées par les satellites de navigation (GPS, Glonass, Galileo) ;
- très elliptiques ou HEO pour "Highly Elliptical Orbit", elles sont utilisées pour permettre à des satellites de passer une longue période, autour de son apogée, au dessus de zones du globe à forte latitude ;
- de transfert géostationnaire ou GTO, pour "Geostationary Transfert Orbit", pour rejoindre une orbite géostationaire depuis une orbite basse ;
- géostationnaires ou GEO pour "Geostationary Earth Orbit", pour orbiter en 24h et ainsi pouvoir se trouver en permanence au-dessus du même point sur la Terre au voisinage de l'équateur.
- lointaines ou interplanétaires; elles regroupent les trajectoires de rencontre avec la Lune ou d'autres corps de notre système solaire, ainsi que des zones d'équilibre gravitationnel stables nommées points de Lagrange.
Ceintures de Van Allen
Les ceintures de Van Allen, ainsi nommées en l'honneur du physicien les ayant découvertes, sont des zones de la magnétosphère terrestre contenant une grande densité de particules énergétiques, pour la plupart d'origine solaire. Leurs deux principaux effets sont la création d'aurores polaires lorsque les particules énergétiques rencontrent l'atmosphère terrestre et la mise en danger des satellites les traversant (des blindages sont nécessaires pour protéger les équipements sensibles de satellites passant une longue période dans les ceintures). On a pour habitude de considérer qu'elles sont au nombre de deux, la première s'étendant entre 700 km et 10 000 km d'altitude et la seconde entre 13 000 km et 65 000 km. D'autres ceintures sont susceptibles d'apparaître mais ne semblent pas permanentes.
Station sol de PicSat
Station sol UHF/VHF installée à l'Observatoire de Meudon pour communiquer avec le CubeSat PicSat.
Crédit :
PicSat
Comparaison de lanceurs
Comparaison de lanceurs utilisés depuis le début de l'ère spatiale. La masse de carburant embarqué par un lanceur pour satelliser un objet représente la majeure partie de sa masse au lancement. Par exemple, l'Ariane 5 GS est capable d'emporter plus de 6 tonnes en orbite GTO, elle mesure à peu près 50 m de hauteur pour une masse au décollage de 750 tonnes composée à 90% de carburant.
Crédit :
NASA
Orbites terrestres
Orbites terrestres les plus utilisées.
Crédit :
Gary Quinsac
Aurore boréale
Photo d'une aurore boréale en Alaska. Ces phénomènes lumineux sont provoqués par la rencontre entre des particules énergétiques provenant du Soleil ou du rayonnement cosmique et de l'atmosphère. Ces particules ont été préalablement piégées par le champ magnétique terrestre dans une zone que l'on nomme ceinture de Van Allen.
Tout projet spatial répond à un enjeu : objectif scientifique, démonstration technologique... Il doit donc faire face à son lot d'exigences et de contraintes. Les exigences définissent les fonctions qu'un système ou un composant doit remplir. Elles répondent à la question "que fait ce système/composant ?". Les contraintes spécifient, quant à elles, ce que le système doit être. Elles sont généralement des limitations du système.
Cette situation est encore plus vraie pour les projets spatiaux. Les erreurs commises sont le plus souvent irréversibles et irratrapables une fois que le système est lancé. Il faut ainsi :
- remplir des exigences mission,
- prendre en compte toutes les contraintes technologiques, d'environnement spatial, de lancement et des moyens sols,
- respecter les règlements,
- proposer des compromis performance/coûts et d'éventuelles modifications des exigences.
Les exigences mission dépendent du type de satellite considéré, mais le principe est toujours le même : un besoin est exprimé auquel le satellite va essayer de répondre. Se faisant, un type d'orbite va être identifié :
- terrestre : basse, héliosynchrone, géostationnaire, excentrique ;
- non-terrestre : au point de Lagrange, solaire, interplanétaire.
De ce choix découle un système de lancement, ou lanceur. La charge utile embarquée doit ensuite répondre aux exigences mission tout en prenant en compte les contraintes imposées par le système de lancement (volume et masse disponibles, interfaces) et l'environnement orbital. Toutes ces questions se posent bien entendues également pour la plate-forme, qui devra s'adapter à la charge utile choisie (ou inversement, si le choix est fait d'utiliser une plate-forme standardisée).
L'environnement spatial présente de nombreuses spécificités qui doivent être prises en compte dès le début du développement :
- le vide,
- l'apesanteur,
- les forts contrastes de température et l'absence de convection thermique,
- les effets des rayonnements électromagnétiques et des particules chargées énergétiques,
- la présence d'oxygène atomique qui est un agent chimique agressif,
- la collision possible avec des débris ou des micrométéorites,
- l'impossibilité d'accéder au satellite une fois en orbite (sauf cas exceptionnel).
Outre ces aspects négatifs, l'environnement peut également être mis à profit pour certaines fonctions :
- contrôler l'attitude avec le gradient de gravité, la pression de radiation solaire ou le champ magnétique local,
- contrôler l'orbite avec le freinage atmosphérique,
- refroidir des composants avec le fond du ciel à 3 K.
Que le programme soit public ou privé, la question du coût reste centrale. Ce coût doit prendre en compte le lancement, le segment spatial (durée de fabrication, des essais…), le système sol et des opérations. Il est ensuite amorti sur la durée de vie du système.
Des règlements nationaux et internationaux imposent des restrictions, notamment en termes de fréquences de télécommunication. La bande de fréquence utilisée doit avoir été définie en amont. Dans certains cas (satellite GEO) la notion de compatibilité électromagnétique implique de ne pas perturber les satellites voisins. La gestion d'un satellite en fin de vie est de plus en plus importante du fait de la prolifération des débris en orbite terrestre. Ainsi en France, la Loi sur les Opérations Spatiales (LOS) réglemente ces aspects.
Exemple : pollution orbitale
En orbite autour de la Terre, les objets sont animés de vitesses relatives qui peuvent atteindre 15 à 20 km/s. À de telles vitesses, les énergies cinétiques qui sont en jeu peuvent engendrer de très importants dégâts. Chaque collision, au même titre que le délitement des vieux satellites, crée de nouveaux débris qui viennent augmenter le nombre d'objets orbitant la Terre. Cette pollution orbitale croît très fortement et impose aux États et aux entreprises de mettre en place des stratégies de réduction du nombre de débris.
Classification des débris orbitaux et risques associés
| Taille de l'objet | Nombre d'objets | Répertoriés ? | Risques associés à l'objet |
|---|
| > 10 cm | 20 000 | Oui | Collisions catastrophiques, production de débris |
| 1 cm < objet < 10 cm | 500 000 | Non | Perte de la mission, aucun blindage ne résiste à des objets > 2 cm |
| < 1 cm | > 10 000 000 | Non | Perforations, risque de perte d'équipement critique |
Arbre fonctionnel
Exemple d'arbre fonctionnel. A partir des fonctions principales sont dérivées des fonctions secondaires, jusqu'à pouvoir identifier des solutions exécutant ces fonctions.
Crédit :
Gary Quinsac
Nombre mensuel d'objets en orbite terrestre par type d'objets
Résumé de tous les objets en orbite terrestre officiellement répertoriés par l'U.S. Space Surveillance Network. Les "débris issuent de la fragmentation" regroupent les débris produits par des anomalies (explosions, casses...), tandis que les "débris fonctionnels" regroupent l'ensemble des objets libérés, distribués ou séparés dans le cadre d'une mission. Les "morceaux de fusée" quant à eux sont des pièces ou des ensembles de pièces appartenant à la fusée (tels que les différents étages de poussée). Le pic observé en 2007 correspond à la destruction par la Chine de l'un de leurs satellites météorologiques (Fengyun-1C) dans le cadre d'un test de missile anti-satellite. Le second, en 2009, est dû à la collision entre un satellite militaire russe hors de service (Cosmos 2251) et un satellite de télécommunication américain (Iridium 33).
Crédit :
NASA - Orbital Debris Quarterly News, February 2017
Cycle de vie d'un système
Au cours d'un projet, un système va être amené à évoluer, d'un premier état conceptuel à un état physique. Des tests doivent alors êtres effectués pour s'assurer que le système répond aux exigences identifiées précédemment, ce sont les étapes de validation. Les états successifs du système et les activités le concernant constituent ce que l'on appelle le cycle de vie. S'il existe différentes façons de représenter ce-dernier, le cycle en V reste le modèle le plus suivi. Ce cycle est parcouru de gauche à droite, d'abord du haut vers le bas puis du bas vers le haut. Aux phases de conception succèdent les phases d'assemblage, d'intégration et de test. Le cycle en V permet d'identifier facilement l'étape de validation correspondant à chaque étape de conception.
Dans certains projets, tels que des projets étudiants, on utilise des méthodes agiles. Elles ont pour origine le manifeste Agile et reposent sur un cycle de développement itératif, incrémental et adaptatif. Ces méthodes autorisent une plus grande flexibilité et réactivité, nécessaires à ces projets.
Phases d'un projet spatial
Dans le cas d'un projet spatial, on divise le déroulement du projet en 7 phases successives. Chacune d'entre-elles correspond à un état du système et se conclut par une revue de projet. On peut remarquer que les premières phases correspondent aux étapes de conception (0-A-B), avant de passer à la réalisation (C-D), à l'utilisation et au retrait.
- Durant la phase 0, on exprime la mission en termes de besoin, on évalue l'environnement et ses contraintes et on identifie des concepts possibles.
- La phase A sert à affiner et valider le besoin. Les différents concepts possibles sont ainsi explorés, on identifie et évalue les éléments critiques afin d'estimer les risques associés.
- Durant la phase B l'architecture système est précisément définie. Cette architecture système inclut les différentes vues (opérationnelle, fonctionnelle et technique) et les différents points de vue (conception, supervision, opération, maintenance) du système. Cette architecture système est un élément incontournable de respect des contraintes de coût, de délai, de qualité et de performance inhérentes à un projet spatial. On commence également à sélectionner et définir, préliminairement, des solutions techniques.
- La définition détaillée n'a lieu que lors de la phase C.
- La phase D correspond à la phase de réalisation et de test des produits.
- C'est seulement lors de la phase E que le système va entrer dans sa période d'utilisation. Une fois lancé, une dernière qualification en vol a lieu puis l'exploitation peut commencer.
- Lorsque sa mission est terminée, le système entre en phase F, qui correspond à la fin de vie du satellite.
Cycle en V
Cycle en V d'un produit. Chaque étape de conception correspond à une étape de validation, de la même couleur.
Crédit :
Gary Quinsac
Phases d'un projet spatial
Phases d'un projet spatial. Chaque phase correspond à un état d'avancement du système et se conclut par une revue de projet.
Crédit :
Gary Quinsac