LE MARCHE DE L ESPACE AUJOURD HUI...

Sommaire CHAPITRE 1 LE MARCHE DE L ESPACE AUJOURD HUI... 5 1.1 QUELQUES CHIFFRES... 5 1.2 LA CONQUETE N EST PLUS LE SEUL MOTEUR DE L ACCES A L ESPACE... 5 1.3 QUI SE PARTAGE LE MARCHE DU SPATIAL?... 7 CHAPITRE 2 PREMIERES NOTIONS ET VOCABULAIRE... 11 2.1 LES ACTEURS D UN LANCEMENT SPATIAL... 12 2.2 QU EST-CE QU UNE ORBITE?... 13 2.3 POURQUOI LES SATELLITES TOURNENT-ILS AUTOUR DE LA TERRE?... 17 2.4 ORBITES CIRCULAIRES ET ELLIPTIQUES... 26 2.5 LES VITESSES DES SATELLITES... 33 2.6 LES ORBITES EN FONCTION DE L ALTITUDE... 42 2.7 LES ORBITES EN FONCTION DE LEUR TRAJECTOIRE VUE DE LA TERRE... 69 2.8 LES ORBITES EN FONCTION DE LEUR PERIODE... 78 2.9 IMPORTANCE DE LA ROTATION DE LA TERRE... 81 2.10 QUI ORGANISE ET GERE LES ORBITES DES SATELLITES?... 84 2.11 CARACTERISTIQUES PRINCIPALES D UN LANCEUR... 88 CHAPITRE 3 LES AGENCES SPATIALES ET LEURS BASES DE LANCEMENT... 95 3.1 CONTRAINTES DES BASES DE LANCEMENT... 96 3.2 L AGENCE SPATIALE EUROPEENNE (ESA)... 97 3.3 L AGENCE SPATIALE AMERICAINE (NASA)... 98 3.4 L AGENCE SPATIALE RUSSE (ROSKOSMOS)... 102 3.5 L AGENCE SPATIALE CHINOISE (CNSA)... 106 3.6 L AGENCE SPATIALE JAPONAISE (JAXA)... 110 3.7 L AGENCE SPATIALE INDIENNE (ISRO)... 112 3.8 L AGENCE SPATIALE BRESILIENNE (INPE + AEB)... 113 3.9 L AGENCE SPATIALE IRANIENNE... 114 3.10 L AGENCE SPATIALE ISRAELIENNE (ISA)... 115 3.11 LA PLATE-FORME SEA LAUNCH... 116 3.12 NARO SPACE CENTER (COREE)... 117 3.13 SPACE X... 118 3.14 SAN MARCO LAUNCH PAD... 119 3.15 ORIENTATION DES TIRS DES BASES DE LANCEMENT... 120 CHAPITRE 4 STRATEGIE AUTOUR DES LANCEURS... 121 4.1 UN LANCEUR N EST PAS UNE BICYCLETTE... 121 4.2 LE MARCHE DES LANCEURS... 122 4.3 STRATEGIE POUR LES NATIONS QUI SOUHAITENT ACCEDER A L ESPACE... 124 4.4 STRATEGIE INITIALE DE CONCEPTION D UN LANCEUR... 126 4.5 STRATEGIE D INDUSTRIALISATION... 130 4.6 STRATEGIE AUTOUR DU CHOIX DU LANCEUR PAR LE CLIENT... 132 CHAPITRE 5 MECANIQUE ET PHYSIQUE DES VOLS... 135 5.1 ELEMENTS THEORIQUES AUTOUR DE LA VITESSE... 135 5.2 TRAINEE AERODYNAMIQUE... 142 5.3 PORTANCE... 147 5.4 CENTRE DE MASSE ET CENTRE DE GRAVITE... 150 5.5 CENTRE DE POUSSEE AERODYNAMIQUE (CPA)... 150 5.6 CONTRAINTES MECANIQUES LIEES A LA VITESSE DES LANCEURS... 152 5.7 STABILITE DU LANCEUR EN VOL... 154 5.8 EVOLUTION DES CONTRAINTES ET FORCES PENDANT LE VOL... 161 5.9 TRAJECTOIRE DU VOL D UNE FUSEE... 166 5.10 COMMENT UN LANCEUR OU UN SATELLITE SAIT-IL OU IL SE TROUVE?... 179 5.11 STABILISATION ET ORIENTATION DU SATELLITE... 185 5.12 STRATEGIES AUTOUR DE L ORBITE GTO... 188 5.13 INJECTION DU SATELLITE EN GTO... 196 5.14 INJECTION FINALE EN GEO... 199 5.15 FENETRE DE TIR... 201 5.16 PROBLEMATIQUE DE LA SEPARATION DE LA COIFFE... 206

4 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 5.17 POURQUOI DES FUSEES A ETAGE?... 206 CHAPITRE 6 TECHNOLOGIES DE PROPULSION... 215 6.1 OBJECTIF DE LA PROPULSION... 215 6.2 POURQUOI UN BESOIN SPECIFIQUE DE PROPULSION?... 215 6.3 LA PROPULSION COMME REACTION PHYSIQUE... 216 6.4 LA PROPULSION ISSUE D UNE REACTION CHIMIQUE... 217 6.5 CHAMBRE DE COMBUSTION ET TUYERE... 218 6.6 LES MOTEURS SERVENT EGALEMENT A ORIENTER LE LANCEUR... 221 6.7 COMBUSTION, CARBURANT, COMBURANT... 221 6.8 DEBIT, POUSSEE, TONNES, NEWTONS, IMPULSION SPECIFIQUE... 222 6.9 PROPERGOLS SOLIDES... 226 6.10 PROPERGOLS LIQUIDES... 228 6.11 PROPULSION ELECTRIQUE... 234 6.12 VOILE SOLAIRE... 237 6.13 BILAN DES PROPERGOLS EMBARQUES SUR ARIANE 5... 238 6.14 BILAN DES QUALITES DE MOTORISATION NECESSAIRES SUIVANT LES PHASES DE VOL... 239 CHAPITRE 7 COMMUNIQUER AVEC LES SATELLITES... 241 7.1 BANDE PASSANTE, PUISSANCE ET VOLUME A TRANSFERER... 241 7.2 QUELLES COMMUNICATIONS ET VERS QUOI?... 242 7.3 IMPORTANCE DES BANDES DE FREQUENCE UTILISEES... 247 7.4 LES ANTENNES... 250 7.5 LA MESURE QUANTITATIVE DE LA PUISSANCE D UN SIGNAL... 269 7.6 LA PERTURBATION DU SIGNAL... 274 7.7 LES TRANSPONDEURS : LA CLE DE LA COMMUNICATION... 285 7.8 DELAIS DE TRANSMISSION VIA UN SATELLITE... 290 7.9 REPARTITION DE LA CAPACITE TOTALE DE COMMUNICATION D UN SATELLITE... 291 7.10 BILAN DE L OPTIMISATION DE L UTILISATION D UN SATELLITE... 293 CHAPITRE 8 TECHNOLOGIE DES SATELLITES... 295 8.1 PLATES-FORMES DE SATELLITE... 295 8.2 ALIMENTATION ELECTRIQUE... 297 8.3 PROTECTION CONTRE LES VARIATIONS DE TEMPERATURE... 299 8.4 OPERATIONS DE TELEDETECTION... 301 8.5 MAINTIEN A POSTE D UN SATELLITE... 305 8.6 ENTRETIEN ET RAVITAILLEMENT DES SATELLITES EN ORBITE... 312 8.7 MISE EN ORBITE DE FIN DE VIE... 313 CHAPITRE 9 DECOLLAGE!... 317 9.1 PREPARATION DU VOL... 319 9.2 PROTECTION DU LANCEUR... 323 9.3 COMPTE A REBOURS... 327 9.4 REMPLISSAGE DES RESERVOIRS... 328 9.5 SEQUENCE D ALLUMAGE DES MOTEURS... 329 9.6 PHASES DE VOL... 330 CHAPITRE 10 MISSIONS DANS LE SYSTEME SOLAIRE... 335 10.1 PROBLEMATIQUE DE CE TYPE DE VOL... 335 10.2 ASSISTANCE GRAVITATIONNELLE POUR AUGMENTER LA VITESSE... 337 10.3 ASSISTANCE GRAVITATIONNELLE POUR REDUIRE LA VITESSE... 344 10.4 MISSIONS INTERPLANETAIRES AVEC PLUSIEURS ASSISTANCES GRAVITATIONNELLES... 346 10.5 MISSIONS EN DEHORS DU SYSTEME SOLAIRE... 351 10.6 POINTS DE LAGRANGE... 352 CHAPITRE 11 TOUT NE FONCTIONNE PAS TOUJOURS COMME PREVU... 361 11.1 PANNE D UN DES SOUS-SYSTEMES D UN SATELLITE... 361 11.2 APOLLO XIII : REVENIR RAPIDEMENT OU TOURNER AUTOUR DE LA LUNE?... 362 11.3 GALAXY 15, UN SATELLITE A LA DERIVE... 364 11.4 VOLS RATES DE ARIANE 5 ET IMPORTANCE DES INFORMATIONS EN VOL... 365 11.5 LA COIFFE DU LANCEUR NE SE SEPARE QU A MOITIE... 368

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 5 Chapitre 1 LE MARCHE DE L ESPACE AUJOURD HUI 1.1 QUELQUES CHIFFRES Un peu plus de 150 engins sont lancés vers l espace chaque année, ce qui inclut les satellites placés en orbite, les sondes interplanétaires et les engins de ravitaillement à destination de la station spatiale internationale. Les fusées actuelles permettant pour la plupart de lancer plusieurs satellites simultanément, le nombre de lancement par an est donc inférieur et tourne autour de 70 tirs. Ce marché semble faible en volume, mais est gigantesque en termes de chiffre d affaire réalisé : plusieurs centaines de milliards de dollars par an pour la construction, le lancement et le suivi des satellites. 1.2 LA CONQUETE N EST PLUS LE SEUL MOTEUR DE L ACCES A L ESPACE Si les intérêts militaires et politiques ont été les premiers moteurs de la conquête spatiale à la fin de la seconde guerre mondiale, il n en est plus de même aujourd hui. L espace civil est le premier pourvoyeur du budget spatial avec des objectifs différents selon les participants : Agence spatiales : Financer une partie des programmes spatiaux des états ou associations d états en donnant accès à ses infrastructures ou en mettant en orbite des engins pour le compte d autres états ou sociétés privées Pays spatialement émergents : Profiter d une position proche de l équateur pour créer de toute pièce une base de lancement idéale pour les lancements géostationnaires Société privées : Intervenir comme opérateur sur le marché des lancements pour fournir clé en main des mises en orbite, en collaboration avec des agences spatiales, des fabricants de fusées, etc.

6 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités C est un tournant pour ce marché de l espace qui a vu en vingt ans ses financements passer majoritairement du public au privé. 1.2.1 L espace et le domaine de l observation C est le domaine qui monopolise le plus les lancements, et qui amène souvent un pays à se lancer dans l aventure spatiale. Deux domaines sont privilégiés car ils ont un impact économique fort sur les pays qui disposent de ces moyens : La prévision météorologique : critique pour assister l agriculture à court et moyen terme, éviter les désastres climatiques (inondations, tornades, etc.) L observation du territoire : autant pour observer les cultures que les risques écologiques, les évolutions de l hydrographie, etc. 1.2.2 L espace et le domaine de la communication Ce domaine couvre tout ce qui est téléphonie, Internet et télévision. Les satellites sont majoritairement placés sur des orbites géostationnaires pour couvrir en permanence des zones très précises sur Terre. La multiplication des offres dans tous les pays fait de ce marché un des plus importants pour les opérateurs de lancement, d autant que les tirs doivent à la fois : être précis pour placer le satellite en bonne position : cela permet d éviter de gaspiller son carburant pour le positionner et ainsi allonger sa durée de vie réaliser un lancement en douceur : les satellites sont fragiles et ne peuvent pas être réparés de façon rentable en orbite 1.2.3 L espace et le domaine de la localisation Deux réseaux de géo localisation sont actifs depuis plusieurs années : L un Américain, le réseau GPS L autre Russe, le réseau GLONASS Un troisième réseau, Européen, devrait être disponible dans les années à venir : le réseau GALILEO. Ces réseaux ont en commun leur mode de fonctionnement et utilisent chacun une flotte de plusieurs dizaines de satellites. La géolocalisation se fait en comparant des signaux basés sur des horloges extrêmement précises, émis par plusieurs satellites et reçus depuis un point du globe. La maintenance et l évolution du service rendu par ces systèmes de géolocalisation nécessitent de compléter fréquemment la flotte déjà en orbite par de nouveaux satellites. L importance de la géolocalisation est telle aujourd hui que bien des services seraient perturbés si le système GPS, le plus utilisé, tombait en panne : Transport (positionnement des avions, etc.) Secours (positionnement précis des bateaux en détresse, etc.) Travaux publics (Précisions des tracés d ouvrage, etc.) Prospection minière, agriculture, etc. 1.2.4 L espace et le domaine de la recherche L espace a donné une nouvelle dimension à la recherche scientifique. Si les lancements sont moins nombreux, ils sont toujours plus complexes : Les expériences embarquées nécessitent des lancements en douceur pour ne pas être endommagées Le positionnement sur une trajectoire donnée, ou à un endroit de l espace précis, impose une rigueur plus grande qu à l habitude Le format parfois inhabituel de l engin à placer en orbite peut nécessiter des adaptations spécifiques La variété des missions est à l échelle de l imagination du monde scientifique : Satellites d observation : mesures de la hauteur des mers, analyse de l atmosphère, suivi de la magnétosphère, etc.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 7 Missions de découverte du système solaire : vers les planètes, le soleil, les astéroïdes, les comètes, Satellite d observation astronomique : placés sur des orbites complexes en fonction des résultats attendus (dos au soleil et protégés par la Terre pour les observatoires infrarouges, etc.). 1.2.5 L espace et le domaine militaire S il a été la raison première de la conquête spatiale, le domaine militaire n est plus aujourd hui le pourvoyeur de fond du marché spatial. Trois objectifs majeurs, spécifiques au spatial militaire : La communication sécurisée à travers des satellites de communication privés : ces satellites peuvent avoir des orbites géostationnaires pour couvrir une partie spécifique du globe L espionnage photographique et audio : les satellites sont envoyés en basse altitude pour plus de précision ce qui écourte leur durée de vie. Ils sont aussi fréquemment remplacés pour intégrer de nouvelles technologies. La détection rapide : Les satellites sont en charge de détecter le plus rapidement possible d éventuels tirs de missiles balistiques L envoi d armes complexes dans l espace tient plus du fantasme cinématographique que de la réalité. Des essais d engins suicides ont été réalisés, ainsi que des destructions par missiles depuis le sol, ou par tirs lasers depuis d autres satellites, mais ils sont aujourd hui régulés par les chartes spatiales afin de limiter les déchets en orbite, dangereux pour les engins et pour les hommes dans l espace. Le marché militaire est par nature discret et il est assez difficile de définir précisément le nombre de lancements annuels. Les évaluations se font par le biais des observations de nombreux groupes civils qui analysent en permanence les traces laissées par les objets en orbite. Les paramètres orbitaux des nouveaux objets détectés donnent des informations sur l altitude, l inclinaison, et de là le site potentiel de lancement, voire le lanceur utilisé! On est toutefois bien loin des premières missions d espionnage où les photographies étaient prises sur des pellicules argentiques : il fallait récupérer rapidement le satellite pour les étudier, ce qui impliquait des missions extrêmement courtes et des lancements très fréquents. 1.3 QUI SE PARTAGE LE MARCHE DU SPATIAL? A la fin de la seconde guerre mondiale, la situation était relativement simple : Russes et Américains s engageaient dans une course à l espace et aux missiles balistiques sous couvert du secret militaire (ils produisaient leurs propres fusées et en assuraient le lancement) Quelques rares pays se lançaient plus modestement dans la course, toujours sous le sceau du secret (France, Angleterre, etc.) Lentement, les agences d état comprennent que les lancements civils liés aux besoins croissants d observation et de communication apporteront le financement nécessaire aux programmes de recherche et militaires. Elles s ouvrent alors au domaine civil. L ESA (Agence Spatial Européenne) née en 1975 de l accord de 17 pays en est un bon exemple : la France seule ne pouvait devenir un acteur majeur malgré ses compétences et son expérience. En regroupant les forces de plusieurs états, l ESA devient rapidement incontournable face aux Américains et aux Russes. Après la chute de l Union Soviétique, la situation change totalement. Le coût de son programme spatial n est plus supportable par la Russie qui doit s ouvrir aux industries de l ouest pour financer ses projets : Les anciens missiles balistiques deviennent de pacifiques et efficaces lanceurs, Les bases de lancement autrefois secrètes s ouvrent aux consortiums étrangers qui proposent alors des «forfaits» de lancement allant de la construction du lanceur au suivi de la mise en orbite. Les agences d état ne sont définitivement plus les seules en course et agissent soit comme un client à part entière sans capacité propre de lancement, soit en finançant ou gérant des bases de lancement afin de garantir les niveaux de qualité requis et maîtriser leur calendrier. Elles doivent travailler en relations étroites avec : Les consortiums privés opérateurs de lancement : Ils organisent de bout en bout le placement en orbite d une charge utile, de la construction de la fusée au lancement

Chapitre 2 VOCABULAIRE PREMIERES NOTIONS ET Cette section présente rapidement les termes et les concepts techniques simplifiés nécessaires à la compréhension des chapitres suivants, notamment concernant le marché des lanceurs spatiaux. Ces sujets seront ensuite approfondis dans des chapitres spécifiques. Les schémas de ce livre ne sont pas forcément à l échelle car dans ce cas ils seraient souvent illisibles et ne garantiraient pas une bonne compréhension. Voici donc un schéma à l échelle qui vous permettra de comparer. Figure 5 Schéma à l échelle des éléments en jeu

12 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Les schémas de ce livre utilisent deux façons de représenter la Terre, qui dépendent simplement du point de vue adopté : Vue de dessus qui montre le pôle nord Vue de face qui montre l équateur et les deux pôles Figure 6 La Terre vue de face et de dessus 2.1 LES ACTEURS D UN LANCEMENT SPATIAL Le lanceur est la fusée qui emportera l engin en orbite et en garantira le positionnement initial correct. La base de lancement (ou centre spatial) est le lieu d où partira la fusée. Il comprend des installations qui permettent non seulement le lancement, mais également sa préparation, son suivi, etc. L aire de lancement (ou pas de tir, complexe de lancement) est la zone spécifique du centre de lancement d où va décoller le lanceur. Il comprend une tour ou un silo, des capacités d approvisionnement en carburant pour la fusée, etc. Le satellite ou la sonde interplanétaire est l objet qui va être mis en orbite par le lanceur. Figure 7 Les acteurs d un lancement spatial

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 13 2.2 QU EST-CE QU UNE ORBITE? L orbite est la trajectoire que décrit un objet qui tourne autour d un autre objet. Dans le cadre de ce livre, nous traiterons principalement des satellites artificiels qui tournent autour de la Terre. Nous verrons que la forme de ces orbites peut être très variée (circulaire, elliptique) et qu elle détermine pour beaucoup la durée de vie de l engin et les fonctions qu il pourra remplir. Mettre un objet en orbite représente l action de placer cet objet qui se trouve sur Terre : A une certaine altitude A une certaine vitesse Dans une certaine direction initiale (inclinaison) Sans action interne (moteur) ou externe (choc), ces trois paramètres détermineront l orbite suivie par l objet qui a été lancé. Figure 8 Qu est-ce qu une orbite? 2.2.1 Inclinaison de l orbite L inclinaison de l orbite représente l angle que fait la trajectoire du satellite avec le plan de l équateur terrestre. L inclinaison est avec l altitude l une des caractéristiques les plus importantes d un engin en orbite : elle va définir en grande partie l usage que l on pourra faire du satellite. Certaines inclinaisons sont plus recherchées que d autres, notamment à haute altitude car elles confèrent au satellite une immobilité vis-à-vis des points d observation sur Terre. Figure 9 Notion d inclinaison de l orbite

14 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Quel que soit l inclinaison adoptée, le satellite effectue à chaque rotation : un passage en direction du pôle nord : phase ascendante qui croise le plan équatorial au nœud ascendant un passage en direction du pôle sud : phase descendante qui croise le plan équatorial au nœud descendant Figure 10 Nœud ascendant et nœud descendant 2.2.2 Un satellite tourne-t-il indéfiniment autour de la Terre? En mouvement autour de la Terre, le satellite n est pas propulsé, mais en déplacement permanent à une vitesse qui lui a été communiquée par la fusée qui l a placée en orbite, ou par une accélération créée par un allumage temporaire de son propre moteur. Evoluant à des altitudes où seules quelques molécules subsistent, le satellite est très peu freiné. Un satellite en orbite à quelques centaines kilomètres d altitude mettra plusieurs centaines d années avant de se désintégrer dans l atmosphère. 2.2.3 Quelques opérations impossibles pour un satellite Un satellite n est pas un avion, ce qui implique qu il ne dispose pas des moyens de propulsion suffisant pour réaliser certaines manœuvres. Il lui est donc impossible de : Faire demi-tour et repartir dans le sens inverse : à une même altitude, les satellites tournent tous dans le même sens Effectuer un virage brutal : les modifications de trajectoire sont des opérations longues à mettre en place et coûteuses en énergie S immobiliser : conserver son altitude implique pour le satellite de conserver sa vitesse. Réduire sa vitesse modifiera immédiatement la forme de son orbite et son altitude 2.2.4 Peut-on changer l altitude d une d orbite? Il est tout à fait possible pour un satellite de changer d altitude, tout en conservant son inclinaison, mais cela se fait au détriment de sa durée de vie : Changer d orbite nécessite d utiliser du carburant qui est embarqué au lancement du satellite Ce carburant est limité et il n est pas possible de refaire le plein Cette opération est nécessaire à trois étapes de la vie du satellite : Au lancement pour le placer à l altitude souhaitée Au cours de sa vie pour ajuster son altitude En fin de vie pour le placer sur une orbite de rebus

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 15 Au lancement, un satellite va devoir rejoindre son altitude de fonctionnement. Cette opération est à la fois : coûteuse en énergie et nécessite une propulsion assez puissante pour cette action qui ne sera théoriquement réalisée qu une seule fois dans la vie du satellite. La masse liée au système de propulsion est ensuite une charge passive le reste de la vie du satellite Pour les orbites basses, certains lanceurs peuvent injecter le satellite directement à l altitude souhaitée : cela représente un gain de poids (propulsion) et d énergie (carburant) qui permet de prolonger la durée de vie du satellite. Pour les orbites plus élevées, et notamment les orbites géostationnaires il est impossible pour les lanceurs d injecter les satellites à la bonne altitude. Ils se contentent de placer le satellite sur une trajectoire elliptique avec l inclinaison souhaitée, qui croisera l altitude visée. Arrivée à l altitude prévue de fonctionnement, le satellite se circularisera (passera d une orbite elliptique à une orbite circulaire) par ses propres moyens. Il utilise pour cela un moteur intégré et une réserve de carburant. Nous verrons plus loin dans ce livre pourquoi ces opérations sont complexes et coûteuses. Au cours de sa vie, un satellite sera amené à faire de nombreuses corrections de trajectoire car il aura naturellement tendance à dévier de sa trajectoire. Ce sont ces opérations, souvent mensuelles voire hebdomadaires, qui vont consommer le carburant embarqué par le satellite et ainsi déterminer sa durée de vie : quand il n y aura plus de carburant pour réaliser ces corrections, le satellite ralentira et déviera de sa position, jusqu à être inutilisable. Il passera d abord sur des orbites où il sera de moins en moins efficace par rapport à sa finalité première, puis ensuite sur des orbites tellement basse que son ralentissement sera de plus en plus marqué jusqu à se désintégrer dans les hautes couches de l atmosphère. Il faudra aussi prendre en compte les approximations de trajectoire car même si l orbite initiale est très précise par rapport à l objectif, elle ne peut pas être parfaite. Après plusieurs milliers d orbites, de petites corrections doivent être réalisées pour retrouver une orbite idéale. En fin de vie, le satellite sera placé sur une orbite beaucoup plus haute que les orbites géostationnaires pour libérer de la place, ou sur une orbite très basse afin d accélérer (on parle parfois en centaines d années ) sa désintégration dans les hautes couches de l atmosphère. Figure 11 Peut-on changer l altitude d une orbite? 2.2.5 Peut-on changer l inclinaison d une orbite? Cette opération est encore plus coûteuse et réduit souvent de plusieurs années la durée de vie d un satellite tant l énergie nécessaire est importante.

16 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Les cas où ce choix est fait sont peu nombreux : il s agit souvent d une décision de la dernière chance pour ne pas perdre totalement un engin. Quand l injection n a pas été suffisamment précise et que l inclinaison ne correspond pas à l orbite cible, le satellite ne pourra pas remplir ses objectifs. Il peut même se trouver sur une orbite qui : Le ramènera rapidement dans les hautes couches de l atmosphère et le détruira Est dangereuse pour d autres satellites en termes de perturbation des communications plus que de risque de collision Dans ce cas il n y a pas le choix, il vaut mieux réduire la durée de vie du satellite que de risquer de le perdre définitivement. Figure 12 Peut-on changer l inclinaison d une orbite? 2.2.6 Importance de la précision de l orbite Chaque satellite est conçu et construit pour un objectif clairement défini : il devra être positionné sur une orbite la plus précise possible afin de remplir sa mission. C est pourquoi le choix du lanceur est important : il doit garantir l atteinte de cette orbite, sans endommager le satellite, et sans nécessiter une sur utilisation du carburant embarqué. C est aujourd hui le principal critère mis en avant par les opérateurs pour se différencier de leurs concurrents (avec la sécurité et la confidentialité). 2.2.7 Caractéristiques principales d une orbite En simplifiant, trois caractéristiques principales permettent de définir une orbite : Son altitude : c est la distance qui sépare l orbite de la surface de la Terre Sa forme : elle peut être circulaire ou elliptique Son mouvement par rapport à la Terre : est-ce qu elle tourne sur le plan de l équateur? Est-ce qu elle passe tous les jours au-dessus des pôles?

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 17 2.3 POURQUOI LES SATELLITES TOURNENT-ILS AUTOUR DE LA TERRE? 2.3.1 Attraction des objets et loi de la gravitation Prenez une pierre, tenez la dans votre main, bras tendu puis lâchez là : elle va tomber vers le sol. Vous pouvez répéter cette expérience autant de fois que vous le voulez, elle tombera irrémédiablement vers le sol. Depuis l antiquité, cette observation a intrigué de nombreux savants. En réalité, la pierre n a pas conscience de la trajectoire qu elle doit suivre et ne décide bien entendu pas de se diriger vers le sol. Cette explication basée sur l ordre des choses a longtemps prévalue et c est Isaac Newton et sa fameuse pomme qui a commencé à entrevoir la réalité de ce phénomène. Si la pomme tombe vers le sol c est qu elle est attirée par la Terre dont la masse est bien plus grande que la sienne. De son côté la pomme attire également la Terre, mais dans une proportion infime car chaque objet qui participe à cette attraction mutuelle agit en fonction de sa masse : plus elle est importante et plus elle agit sur l autre objet. Figure 13 Quand une pomme tombe Dans le couple Pomme / Terre, la Terre pèse 10 25 fois plus que la pomme (dix millions de milliards de milliards fois plus!) ce qui rend négligeable (mais non nulle) l attraction liée à la pomme. Pour des couples plus équilibrés comme la Terre et la Lune (la Terre n est que 81 fois plus lourdes que la Lune), l attraction obéit à cette même loi. La trajectoire du couple est alors un ballet plus équilibré où chacun agit sur l autre en fonction de sa masse : La Lune tourne autour de la Terre en 28 jours Et la Lune influe sur la trajectoire de la Terre en orbite autour du Soleil. Cette trajectoire n est pas une ellipse parfaite mais ondule légèrement suivant que la Lune se trouve entre la Terre et le Soleil ou à l opposé du soleil.

18 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 14 Chaque objet attire l autre en fonction de sa propre masse On retrouve également cette variation d orbite dès que des objets massifs dominent mais que des corps plus petits peuvent également perturber une trajectoire très localement. Saturne possèdent de nombreux objets assez gros dans ses anneaux dont les trajectoires sont perturbées par d autres corps eux aussi orbitant dans ces anneaux. Figure 15 Perturbation gravitationnelle dans les anneaux de Saturne

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 19 2.3.2 Loi du carré inverse et gravitation Plus les objets sont éloignés, moins l influence de la gravitation entre deux objets sera importante. Cette différence est d autant plus importante qu elle varie en fonction de ce que l on appelle la loi du carré inverse. C est un concept important en physique car il touche entre autres la diffusion du son et des ondes, de la lumière et des forces : L attraction gravitationnelle : c est une force qui agit entre deux objets, et qui dépend de leurs masses respectives et de leur distance La lumière : un objet est d autant moins lumineux que l on s en éloigne Le son : un son est d autant moins audible que l on s éloigne de sa source La diminution de la puissance constatée de ces phénomènes n est pas régulière, mais diminue comme l inverse du carré : en doublant la distance, on diminue par quatre la puissance en décuplant la distance, on la diminue par cent! Prenons l exemple du soleil. Il émet de la lumière sous forme de photons que l on peut assimiler (pour simplifier) à des rayons lumineux se déplaçant en ligne droite. Ces rayons lumineux voyagent en ligne droite et sont en quantité bien définie à un instant donné : A une distance D du soleil, ces rayons vont se répartir sur une surface donnée Si on double cette distance, ce n est pas sur une surface doublée mais sur une surface quadruplée que ces rayons vont se répartir Et si on triple cette distance, ils se répartiront sur une surface multipliée par neuf La conséquence est que l énergie par unité de surface est beaucoup moins importante au fur et à mesure que l on s éloigne : la lumière émise par le soleil est répartie sur une surface plus grande. Pour la force d attraction gravitationnelle, l effet est identique. Un corps de même masse subira cent fois moins l attraction d un autre corps s il est dix fois plus éloigné. Figure 16 Loi du carré inverse La loi du carré inverse se retrouve dans la vie de tous les jours : Le son : à dix mètre d un orchestre on l entend cent fois moins bien qu à un mètre. La lumière : Un flash d appareil photo éclaire 100 fois moins un objet placé à 10 mètre qu un objet placé à 100 mètres

20 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 17 Loi du carré inverse dans la vie quotidienne L altitude à laquelle orbite un satellite aura donc un impact sur la force gravitationnelle exercée par la Terre sur celui-ci. Plus il sera sur une orbite éloignée, et plus la force exercée sera faible. Pour se libérer de l attraction de la Terre, le satellite aura besoin de moins d énergie. Attention, il ne faut pas en déduire que pour deux satellites de même masse, l un à 200 km d altitude et l autre à 2 000 km, la force exercée sur eux par la Terre est 100 fois plus faible pour l engin le plus éloigné, même s il se trouve 10 fois plus loin. Le calcul ne doit pas se faire par rapport à la surface de la planète, mais par rapport au centre de la Terre. Avec un rayon terrestre d environ 6 300km, les orbites des deux satellites sont en fait respectivement à 6 500km et 8 300km d altitude (par rapport au centre de la Terre). La différence de la force de gravité sur ces satellites n est donc pas de 100 fois, mais de 1,6! Figure 18 L éloignement joue également sur la force d attraction

42 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 2.6 LES ORBITES EN FONCTION DE L ALTITUDE 2.6.1 L altitude du satellite impacte sa période de rotation La forme et l altitude de l orbite vont déterminer la longueur de l orbite parcourue par le satellite et de là sa période de rotation autour de la Terre : La vitesse de satellisation de l engin diminue avec la distance à la Terre La longueur de l orbite augmente avec l altitude de l orbite Altitude audessus du sol (km) Distance au centre de la Terre (km) Taille de l orbite (km) Vitesse (km /s) Période de rotation 200 6 500 40 840 7,8 1h30 2 000 8 300 52 150 6,9 2h 36 000 42 300 265 778 3 24h Le satellite de la Terre le plus connu est sans aucun doute la Lune. A 380 000km de la Terre, sa période orbitale est de 27,3 jours. Figure 51 L altitude du satellite impacte directement sa période de rotation 2.6.2 Conséquences techniques de l altitude à laquelle opère le satellite De l altitude à laquelle évolue le satellite vont dépendre plusieurs paramètres importants par rapport à la mission qu il doit accomplir : La précision : plus un satellite sera éloigné de la Terre, plus il aura une vue d ensemble, mais moins il pourra fournir de détails La vitesse par rapport au sol : La longueur de l orbite augmente avec l éloignement. Le satellite fera donc d autant moins d orbites dans une journée qu il sera éloigné de la Terre La durée de vie : Plus un satellite est proche de la Terre, plus il subit les frottements causés par les rares atomes encore présents dans les très hautes couches de l atmosphère. En ralentissant il se rapproche de la Terre pour finalement pénétrer en brûlant dans l atmosphère La puissance d émission : le but d un satellite étant toujours de renvoyer des données vers la Terre, la communication sera d autant plus complexe qu il sera éloigné des antennes de réception (algorithmes complexes garantissant que les données pourront être traitées même endommagées, antennes plus puissantes donc plus lourdes, énergie nécessaire supérieure, etc.)

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 43 Figure 52 Répartition des orbites avec l altitude 2.6.3 Impact de l altitude sur la durée de vie du satellite La limite de l atmosphère est souvent positionnée aux alentours de 120km car c est à cette altitude que les engins qui reviennent sur Terre commencent à s échauffer suite aux frottements (densité de molécules et d atomes qui redevient plus importante). Cela ne veut pas dire qu il n y a plus d atomes ni de molécules à des altitudes supérieures à 120km, mais que leur densité n est plus suffisante pour échauffer les engins se déplaçant à grande vitesse. La densité reste toutefois suffisante pour que les frottements ralentissent les satellites sur le long terme et cette diminution de vitesse entraîne un abaissement de l altitude. Le phénomène de ralentissement s accélère de façon continue, car plus le satellite descend plus les frottements sont importants et plus il perd de vitesse et donc d altitude. Il ne faut pas croire que les couches de l atmosphère et leur densité soient fixées une fois pour toute. L activité solaire peut amplifier considérablement l activité des hautes couches de l atmosphère et permettre à des couches denses d atteindre des hauteurs bien plus importantes que d habitude. Les satellites sont équipés de moyens de propulsion leur permettant de regagner toute ou partie de l altitude perdue et ainsi de prolonger leur durée de vie. Certains satellites espions américains évoluant à 200 km d altitude atteignent ainsi des masses de plus de 16 tonnes, principalement constituées par le carburant embarqué. Sans cela, ces satellites de très haute technologie, vitaux pour le renseignement américain, tiendraient moins de quelques jours en orbite.

44 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 53 Impact de l altitude sur la vie du satellite L impact de la traînée atmosphérique sur les orbites elliptiques tend à les ramener vers une forme circulaire : Le freinage se fait principalement au périgée car c est là que l atmosphère est plus dense La vitesse diminuant au périgée, le satellite atteindra l apogée avec une altitude inférieure à l orbite précédente Figure 54 Traînée atmosphérique et orbites elliptiques Sur une orbite circulaire proche de la Terre, le satellite est freiné en continu. Il va perdre de la vitesse et donc de l altitude, et ce d autant plus rapidement qu il se rapproche de la Terre et que la densité de l atmosphère augmente.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 45 Figure 55 Traînée atmosphérique et orbites circulaire 2.6.4 Orbite basse (LEO) LEO = Low Earth Orbit (Orbite Terrestre Basse) De 200 à 2 000km d altitude, les satellites sont considérés comme étant en orbite basse. Un satellite à cette altitude tourne relativement rapidement autour de la Terre : il mettra entre 1h30 et 2 heures pour effectuer une orbite. Il va survoler non pas un seul point du globe mais des bandes beaucoup plus larges, voire la surface complète de la Terre sur plusieurs orbites consécutives. C est l altitude de prédilection de grandes familles de satellites : Espionnage, observation et cartographie : pouvant aller à de très hauts niveaux de détail y compris sur des orbites extra basses où le satellite ne restera que quelques jours Météorologie et scientifique : les satellites qui nécessitent de couvrir régulièrement la surface pour en avoir une vue complète Communication

46 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 56 Orbite basse (LEO) Le satellite ne sera toutefois pas visible plus de 15 minutes successives depuis un point du globe, ce qui empêche les missions de communication permanentes. Depuis un point du globe, si l on souhaite accéder à une classe de satellites en orbite basse de façon permanente, il faut mettre en place une constellation de satellites, c'est-à-dire un nombre suffisant de satellites avec des orbites basses bien réparties, qui garantiront qu à chaque instant, ce point du globe verra au moins un de ces satellites. La gestion des flottes de constellation est complexe car il est difficile de trouver et gérer des orbites disponibles à moins de 2 000km. Les constellations de satellites se trouvent plutôt en orbite moyenne, d autant que l éloignement, même s il rend les lancements plus coûteux, permet aussi de limiter le nombre de satellites nécessaires à une constellation. Deux opérateurs téléphoniques ont toutefois fait le choix de gérer des constellations en orbite basse : GLOBALSTAR : 40 satellites à 1 414 kilomètres d altitude IRRIDIUM : 66 satellites qui orbitent à 780 km. Une nouvelle génération de 81 satellites est prévue pour les années à venir. Un autre inconvénient est lié à la restitution des données : le satellite n étant pas visible en permanence, il faut profiter de ses rares passages au-dessus des antennes de réception pour en capter les données : Le plus rapidement possible car le temps imparti est de moins de 15 Ou, si l on veut récupérer plus fréquemment les données, en utilisant un réseau de stations d antennes autour du globe afin de disposer de plus nombreuses fenêtres de récupération. 2.6.5 Orbite moyenne (MEO ou ICO) MEO ICO = Medium Earth Orbit (Orbite Terrestre Moyenne) = Intermediate Circular Orbit (Orbite Circulaire Intermédiaire) Les orbites moyennes se situent de 2 000 km à 35 786 kilomètres. La durée des orbites varie de 2h (proche de 2 000 km d altitude) à 24h (proche de 35 786 km d altitude). La durée de visibilité d un satellite depuis un point de la Terre augmente, mais la distance augmente également la difficulté de transmission des données (précision, puissance et qualité).

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 47 Figure 57 Orbite moyenne (MEO / ICO) Cette orbite est surtout utilisée par les constellations de satellites. Les flottes les plus importantes étant celles des systèmes de navigation : GPS américain : actuellement 30 satellites qui orbitent à 20 200 km GLONASS Russe : 23 satellites qui orbitent à 19 100 km GALILEO Européen : 30 satellites qui orbiteront à 23 220 km Pour être fonctionnel, un système de communication doit garantir qu au moins un des satellites de sa constellation soit visible à un instant donné depuis un point du globe. Les systèmes de positionnement quant à eux fonctionnent par triangulation et nécessitent qu au moins trois satellites de la constellation soient visibles depuis le point du globe d où l on souhaite les utiliser. Le nombre de satellites à mettre en œuvre est donc plus important pour les systèmes de positionnement que les pour les systèmes de communication. L orbite moyenne est d autant plus adaptée qu elle permet à chaque élément de la constellation d être visible pendant plusieurs heures depuis le sol. Figure 58 Constellations de satellites de positionnement

48 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Ces orbites sont plus coûteuses pour les opérateurs satellites : Elles nécessitent plus d énergie pour y positionner un satellite Le risque est plus élevé car les lancements sont plus complexes, ainsi que les technologies à utiliser Les satellites doivent être plus puissants, donc plus lourds et sont d autant plus complexes à lancer Elles ne sont choisies que si c est vraiment nécessaire, notamment pour les constellations de satellites qui nécessitent plusieurs dizaines d orbites synchronisées (ce qui ne peut être fait en orbite basse car il y a déjà saturation des orbites utilisables). Un autre critère important est le besoin d augmenter la durée de visibilité depuis un point du globe. En augmentant l altitude, on augmente également : la surface du globe depuis laquelle le satellite est visible à un instant donné et la durée pendant laquelle le satellite sera visible de ces points. Même si le coût de fabrication et de lancement d un satellite est plus important, il sera nécessaire de lancer moins de satellites, ce qui au total représente un budget moindre. Par exemple, les constellations de satellites de navigation (GPS, GLONASS, GALILEO) ne comportent qu une trentaine de satellites, alors que les constellations GLOBALSTAR et IRIDIUM en orbite basse sont respectivement composées de 48 et 66 modules. 2.6.6 Orbite géosynchrone (GSO) et géostationnaire (GEO) Comme nous l avons vu précédemment, les périodes des orbites augmentent avec l altitude car les vitesses de satellisation diminuent et en même temps les longueurs des orbites augmentent. Il existe une altitude où la période de rotation du satellite devient égale à celle de la Terre (23h 56m 4,1s). Dans ce cas le satellite reste visible en permanence depuis la zone au-dessus de laquelle il se trouve. Figure 59 Orbite géosynchrone Les satellites en orbite géosynchrone ne sont pas fixes depuis un point de la Terre, mais se déplacent sur une figure en forme de huit, appelée analemme. Cette figure est réalisée une fois par jour.

Chapitre 3 LES AGENCES SPATIALES ET LEURS BASES DE LANCEMENT Nous ne nous intéresserons ici qu aux agences qui possèdent leurs propres bases de lancement. La plupart des pays possèdent aujourd hui une agence spatiale, mais peu se sont dotés d une base de lancement à même de supporter leurs programmes spatiaux (les autres se limitent à des vols suborbitaux) : Coût élevé des installations et de leur maintenance Position géographique peu appropriée Ambition spatiale limitée à des satellites de communication, sans programme militaire Instabilité politique ou économique ne permettant pas de gérer un projet de ce type sur plusieurs dizaines d années Sous couvert de programmes spatiaux civils, certains pays développent toutefois des engins capables de placer de petites masses en orbite basse, à des fins militaires principalement. Ces recherches sont étroitement surveillées car il y a peu de différences entre un missile intercontinental et une fusée capable d atteindre une orbite basse. Nous verrons plus loin que la Russie et les Etats-Unis ont ainsi recyclé d anciens missiles balistiques dans le cadre des accords de désarmement entre l Est et l Ouest. Ils servent aujourd hui de lanceurs pour des programmes commerciaux privés ou militaires pouvant placer des satellites en orbite basse à un coût relativement faible.

96 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 118 Répartition géographique des bases de lancement Toutes les bases de lancement n ont pas une activité équivalente. Les trois opérateurs historiques Américains, Russes et Européen ont lancé depuis leurs bases plus de 95% des satellites à ce jour. Figure 119 Les bases de lancement les plus utilisées 3.1 CONTRAINTES DES BASES DE LANCEMENT Les caractéristiques de chaque base de lancement la rendent unique et décident de sa plus ou moins grande valeur en comparaison des autres sites : Inclinaison : Proche de l équateur et les lancements géostationnaires seront facilités, mais pour les lancements polaires et héliosynchrones, ce sont les latitudes élevées qui peuvent devenir plus intéressantes Orientation possible des tirs : Les tirs ne peuvent se faire sans risque que dans les directions où la retombée volontaire ou non des éléments du lanceur ne peut pas atteindre des zones habitées. La

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 97 capacité d orientation est un facteur prédominant, certains pays ne pouvant réaliser que des tirs vers l ouest, les moins efficaces. Stabilité politique : Une base située dans une zone stable politiquement et gérée par un pays également stable est un atout important. La rentabilité d une base de lancement se fait sur plusieurs dizaines d années d investissement. Stabilité physique : Pour assurer la pérennité d une base, la construction ne peut pas se faire dans des zones à risque (tremblement de terre, risques météorologiques, etc.). Dans certains cas, les conditions météorologiques extrêmes sont acceptables s il n y a pas d autres choix : c est le cas des bases en Ukraine (de -40 C en hiver à +40 C en été) ou chinoises, japonaises et coréennes (risques de typhons). La rentabilité de la base s en trouve affectée car il faut mettre en œuvre des processus de construction et de maintenance plus complexes donc plus coûteux Accessibilité : Les lanceurs sont rarement construits sur la zone de lancement. Il faut donc acheminer sur place des éléments séparés ou complets de grande taille. Ce transport se fait la plupart du temps par avion-cargo, bateau ou par la route. Confidentialité : Le site doit garantir la sécurité et la confidentialité à la fois pour les infrastructures, les lanceurs et satellites, mais aussi le personnel Communication : Bien que souvent éloignée de tout, le site doit disposer de moyens de communication importants, notamment pour le suivi des lancements Infrastructure de la base : Une base doit être capable de fournir les infrastructures nécessaires à l assemblage (hangar, etc.) au lancement et au suivi (radar, équipes météo, etc.), mais également à l accueil des équipes. Il n y a pas de base de lancement parfaite, d autant que les situations évoluent avec le temps. 3.2 L AGENCE SPATIALE EUROPEENNE (ESA) Créée en 1975 pour gérer le programme spatial Européen, l ESA regroupe aujourd hui 18 pays. Outre la mise en place des missions spatiales décidées par ses membres (vols habités, exploration du système solaire, ), l ESA finance aux deux tiers le centre spatial de Kourou. Disposer de son propre port rend l Europe autonome dans la gestion de ses lancements. L ESA s implique également dans la fabrication et le développement de fusées, à travers les lanceurs de type Ariane et la société Arianespace. Alliée à l agence spatiale Russe (Roskomos) et au CNES, l ESA propose à partir de 2011 des lancements à partir de fusées Soyouz, depuis le centre spatial de Kourou. 3.2.1 Le centre spatial Guyanais (CSG) à Kourou (Guyane) Le CSG (Centre Spatial Guyanais) a été créé en 1964 par la France dans le cadre de son programme spatial. Il fut sélectionné en 1975 pour être le centre spatial privilégié des tirs gérés par l Agence Spatiale Européenne (qui depuis le finance aux deux tiers) car il dispose de véritables atouts : Sa position est proche de l équateur : elle limite l énergie nécessaire aux tirs La sécurité des retombées : En bord de l océan atlantique, les lancements sont sécurisés par un début de vol en majorité au-dessus de l océan ou au-dessus de la forêt vierge Sa stabilité : Sa situation politique est stable car il s agit d un département Français (pérennité des investissements réalisés et confiance des investisseurs) C est le Centre National d Etudes Spatiales (CNES) qui est en charge de la gestion du centre. Une de ses forces est de proposer trois types de lanceurs couvrant des besoins les plus simples au plus complexes : Ariane V pour les lancements de charge lourdes ou les mises en orbites complexes Soyouz pour des lancements intermédiaires (<5,5 tonnes) Vega pour des lancements légers (<2,5 tonnes) Cette variété des lanceurs permet aux clients de disposer de l expérience de lancement de l ESA avec un coût très adapté aux besoins.

98 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 120 CSG : le Centre Spatial Guyanais 3.3 L AGENCE SPATIALE AMERICAINE (NASA) Le nom de NASA (National Aeronautics and Space Administration) est certainement le nom le plus connu dans le domaine du spatial. Depuis 1958, cette organisation gouvernementale prend en charge la part la plus importante du programme civil des Etats-Unis, et particulièrement dans le domaine des vols habités. La NASA travaille conjointement avec des entreprises privées spécialisées dans la construction de fusées, et la fourniture de lancement clé en main aux clients souhaitant placer en orbite des satellites : UNITED LAUNCH ALLIANCE (ULA) : Une société créée par Boeing et Lockeed Martin pour le lancement de fusées DELTA II, DELTA IV, et ATLAS V depuis Cap Canaveral et Vandenberg SPACE X : Pour le lancement des fusées FALCON 9 ORBITAL SCIENCES : Lancement des fusées TAURUS, MINOTAUR et PEGASUS 3.3.1 Les autres agences américaines liées à l espace Si la NASA est la plus connue des agences américaines liées à l espace, elle ne s occupe que d une partie du programme civil et n est que le second budget derrière celui du ministère de la Défense (>25 milliards de dollars annuel). D autres agences complètent le travail de la Nasa pour couvrir l ensemble du programme spatial américain : Ministère de la Défense (Department of Defense) : satellites militaires, de navigation, espions, etc. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) : satellites météorologiques et liés au climat National Reconnaissance Office (NRO) : Satellite d écoute, satellites espions National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) : Satellite d observations (photo notamment) pour le compte du ministère de la défense 3.3.2 Cap Canaveral (CCAFS) A sa création en 1950, le choix du site de Cap Canaveral ne s est pas fait au hasard. Situé à la pointe de la Floride, il permet des tirs dans de nombreuses directions sans risquer des retombées sur des zones habitées. Il est aussi dans une des parties les plus au Sud des Etats-Unis, permettant aux lancements de bénéficier d une accélération assez importante grâce à la rotation de la Terre, et de faciliter les lancements proches du géostationnaire.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 99 Comme beaucoup de bases créées dans les années 1950, sa vocation première était le lancement de missiles balistiques. Quand survient l essor de l astronautique au début des années 1960, les infrastructures sont déjà prêtes, et tout à fait adaptées. De la quarantaine d aires de lancement créées, seules quatre sont toujours en fonctionnement, dédiées chacune à un lanceur particulier : DELTA II : suivant le modèle utilisé (nombre d étage allant de 2 à 3), 2,7 à 6,1 tonnes en orbite basse, 0.9 à 2,1 tonnes en orbite de transfert géostationnaire ou même une sonde de 1 tonne sur une trajectoire interplanétaire DELTA IV : 13 Tonnes en transfert géostationnaire et 6 Tonnes en orbite géostationnaire ATLAS V : suivant le modèle utilisé, 9,7 à 29.4 tonnes en orbite basse, et 4.7 à 13 tonnes en orbite de transfert géostationnaire FALCON 9 : 10 Tonnes en orbite basse et 4,5 Tonnes en orbite géostationnaire Bien qu utilisée principalement par la NASA, la base de Cap Canaveral est gérée par l armée de l air Américaine (USAF). Cette base de lancement ne tire que des vols inhabités. Les vols habités sont tirés depuis le Kennedy Space Center (KSC) situé à quelques kilomètres. Pour les lancements vers des orbites polaires, la base Vandenberg est plus adaptée. Figure 121 Le centre spatial de Cap Canaveral 3.3.3 Le centre spatial Kennedy (KSC) Le centre spatial Kennedy et la base de Cap Canaveral sont situés l une à côté de l autre. La base de Cap Canaveral est gérée par l armée de l air américaine (USAF), alors que le centre spatial Kennedy (KSC) est entièrement géré par la NASA. Seules deux aires de lancements sont disponibles sur cette base malgré une surface beaucoup plus importante que celle de Cap Canaveral : les aires de lancements LC39A et LC39B (LC = Launch Complex = Complexe de Lancement) qui servent pour les tirs des navettes spatiales. La plus grande partie du centre spatial Kennedy est occupée par des bâtiments d assemblage et de maintenance, des centres de contrôle des lancements etc.

100 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 122 Le centre spatial Kennedy (KSC) 3.3.4 La base de Vandenberg (VAFB) La base de Vandenberg est une base militaire sous l autorité du commandement des forces spatiales (Air Force Space Command = AFSC). En bord de l océan pacifique, elle bénéficie d un itinéraire de survol dégagé vers le sud, ce qui en fait une base idéale pour les lancements vers une orbite polaire. Bien que située sur un site militaire, elle permet également de lancer des satellites civils (d observation pour la plupart). Une dizaine de fusées par an décollent de cette base : DELTA II : suivant le modèle utilisé (nombre d étage allant de 2 à 3), 2,7 à 6,1 tonnes en orbite basse, 0.9 à 2,1 tonnes en orbite de transfert géostationnaire ou même une sonde de 1 tonne sur une trajectoire interplanétaire ATLAS 5 : suivant le modèle utilisé, 9,7 à 29,4 tonnes en orbite basse, et 4.7 à 13 tonnes en orbite de transfert géostationnaire TAURUS : 1.3 tonnes en orbite basse MINOTAUR IV : dérivée d un missile balistique, elle peut emmener 1,8 Tonnes en orbite basse

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 101 Figure 123 La base de Vandenberg 3.3.5 La base de Kodiak (Kodiak Launch Complex = KLC) Opérée par Alaska Aerospace Corporation depuis 1991, cette base à une latitude très élevée permet surtout des mises en orbite polaire ou héliosynchrones. Sa position idéale lui permet d atteindre des inclinaisons relativement élevées (63,4 ), sans survol d e Terre habitée. Cela évite des manœuvres supplémentaires, consommatrices de carburant, et permet l intégration de charges utiles supérieures. Jusqu à aujourd hui, cette base sert principalement à des lancements de missiles balistiques dans le cadre d interceptions par les systèmes antimissiles de la base de Vandenberg. Fin 2010, cette base a été à nouveau utilisée pour lancer une fusée MINOTAUR avec 7 satellites à bord. Ce tir relance la viabilité de ce site de lancement, inutilisé pendant plusieurs années. Figure 124 La base de Kodiak

102 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 3.3.6 La base Wallops / Mid Atlantic Regional Spaceport (MARS) Le Mid Atlantic Regional Spaceport (MARS) a été créé en 2003 pour fournir un service commercial de lanceur et d infrastructure de lancement, sur la base du centre de Wallops Island (Virginia Space Flight Facility) dans le sudest des Etats-Unis. Créé en 1945 le centre de Wallops Island a lancé plus de 16 000 engins, dont une majorité d engins suborbitaux et de ballons sondes. Le positionnement de cette base est idéal : il permet une grande variété de tirs sans survol des terres, dont des tirs permettant de rejoindre la Station Spatiale Internationale. Les fusées lancées de cette base : MINOTAUR I : 300 Kg en orbite basse TAURUS II : 6,5 tonnes en orbite basse MINOTAUR V : dérivée d un missile balistique, elle peut emmener 1,8 Tonnes en orbite basse Figure 125 La base Mid Atlantic Regional Spaceport (MARS) 3.4 L AGENCE SPATIALE RUSSE (ROSKOSMOS) Héritière d une des agences les plus actives depuis le début de l ère spatiale, l agence spatiale fédérale Russe (Roskosmos) opère principalement des lancements civils. Les lancements militaires sont réalisés par les Forces Spatiales Militaires (UK-VKS). Pour réaliser ses lancements, elle dispose directement de quatre bases : Plesetsk en Russie Baïkonour au Kazakhstan Svobodny en Sibérie Yasny en Russie Elle peut aussi faire appel à d autres opérateurs de lancement en fonction des besoins (ESA, etc.). La complexité des bases de lancement et la diversité des fusées utilisées vient à la fois :

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 103 de l histoire Russe : l éclatement de l Union Soviétique a forcé la Russie à compléter ses bases de lancements pour ne plus dépendre de bases qui ne se trouvaient plus sur son territoire national des diverses organisations militaires qui ont développé chacune leurs propres missiles balistiques, ces missiles ayant ensuite été réutilisés comme lanceurs spatiaux Cette diversité est aujourd hui un poids pour l agence Russe : le suivi de la qualité et de l évolutivité est plus complexe à maîtriser avec des modèles et des fournisseurs aussi variés. La technologie de certains lanceurs a été rachetée par des entreprises privées qui se chargent de la commercialisation des lancements depuis les bases de l Agence Russe : Eurockot Launch Services, filiale d EADS Astrium, utilise les anciens missiles balistiques ROCKOT Starsem, consortium Russo-Européen, pour le lancement des fusées Soyouz SeaLaunch and Land Launch, consortium de sociétés Ukrainienne / Russe / Norvégienne / Américaine, pour le lancement de fusées ZENIT3 SL International Launch Services, société Russo / Américaine pour le lancement des fusées PROTON NPO InterCos, organisation internationale à but non lucratif, pour le lancement de fusées Dnepr ISC Kosmotras, également pour le lancement de fusées Dnepr Le choix de tel ou tel lanceur est non seulement lié aux contextes techniques habituels, mais aussi au choix du client de la société en charge de réaliser ce lancement. 3.4.1 Base de lancement de PLESTESK (Russie) : Construite sur le territoire Russe à partir de 1957, cette base avait pour vocation de lancer des missiles intercontinentaux. Sa position très au nord lui permettait d atteindre rapidement les Etats-Unis en survolant l océan Arctique. Le premier satellite a été lancé en 1966 et plus de 2 000 lancements ont eu lieu depuis. Très éloigné de l équateur, il permet surtout de lancer efficacement des satellites avec des inclinaisons importantes. Ses infrastructures ne permettent pas le lancement des fusées Proton, fer de lance des lanceurs Russes pour les très lourdes charges. La Russie cherche toutefois à assurer son indépendance vis-à-vis de la base de lancement de Baïkonour qui n est pas située sur son territoire : la future fusée Angara sera suffisamment puissante pour permettre le placement de satellites avec une faible inclinaison ou géostationnaire, depuis la base de Plesetsk. Quelles fusées peuvent être lancées de Plesetsk? COSMOS 3M : dérivée d un missile balistique, elle permet de placer 1,5T en orbite basse. La charge utilise peut être constituée de 8 charges différentes, permettant des lancements en cluster. ROCKOT : également dérivée d un missile balistique, elle place jusqu à 1,950T en orbite en une ou plusieurs charges. TSYKLON-3 : dérivée d un missile balistique, elle peut placer 4,1 tonnes en orbite basse SOYOUZ : 7 tonnes en orbite basse

Chapitre 4 STRATEGIE AUTOUR DES LANCEURS 4.1 UN LANCEUR N EST PAS UNE BICYCLETTE Si le développement d un lanceur ne se fait pas au hasard et sans réflexion, c est qu il s agit bien là de l engin mobile le plus complexe jamais construit par l homme. Les contraintes physiques sont multipliées par les masses à emporter et les vitesses à atteindre. Voici quelques dimensions caractéristiques d un lanceur Ariane 5: Hauteur du lanceur : proche d un immeuble de 20 étages (53 mètres). Cela nécessite de nombreux calculs de stabilité, de prise au vent, de transport, de montage ainsi que la mise en place de système de montage et transport adaptés Vitesse : Le lanceur atteint en moins d une minute la vitesse d une balle de fusil, malgré sa masse de plusieurs centaines de tonnes. Après deux minutes de vol, la vitesse est supérieure à 7 000Km/h Volume : les réservoirs ont une contenance de 500 m 3, soit l équivalent d une piscine de 25 mètres de long par 10 mètres de large et 2 mètres de profondeur Des moteurs puissants : Le moteur Vulcain utilise par seconde l équivalent en volume de 20 baignoires alors que sur autoroute votre voiture ne consomme que quelques millilitres dans le même temps Contraintes thermiques : Les réservoirs doivent pouvoir contenir de l hydrogène liquide à -253 C. Le système d approvisionnement et de combustion doit quant à lui supporter des températures de -250 C en sortie de réservoir à plus de 3 000 C en combustion et ce sur moins de 50cm (la température de fusion du fer est de 1 500 C) Masse au décollage : 750 tonnes, soit 1,5 Airbus A 380, ou une rame Eurostar complète avec deux motrices et ses 18 voitures ou une centaine d éléphants. Cette masse comprend 650 tonnes de carburant : si votre voiture (1,2 T) devait emporter la même proportion de carburant, il faudrait faire en sorte que le châssis, la motorisation et les passagers pèsent moins de 200 kilogrammes!

122 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 145 Un lanceur n est pas une bicyclette 4.2 LE MARCHE DES LANCEURS Il n est de bonne fusée que celle qui permet de mettre sur l orbite souhaitée, au moment souhaité et dans le budget prévu, la sonde ou le satellite qu elle a pris en charge. Si le marché des lanceurs comprend de nombreux modèles de fusées, elles ne sont pas toutes forcément en concurrence. Deux axes principaux les différencient : Leur taille : trois grandes familles avec les petits lanceurs, les lanceurs moyens et les lanceurs lourds Leur coût : ce sont surtout les critères qualité au sens large qui augmentent le coût du lancement et notamment tout ce qui garantit sa fiabilité, son efficacité et sa sécurité

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 123 Figure 146 Les lanceurs les plus courants Ce marché fluctue toutefois depuis son origine entre deux autres tendances : Les lanceurs spécialisés : dédiés à une tâche unique, leur conception est plus rapide car elle ne prend en compte que les contraintes liées à un seul objectif et l absence de besoin de moduler la structure du lanceur en fonction du besoin. Ces lanceurs conservent malgré tout une marge de d adaptation mais bien inférieure à celle des lanceurs multi compétences Les lanceurs multi compétences : Un seul modèle de lanceur est plus simple à maintenir mais il doit intégrer les contraintes de chaque type de lancement (humain et satellite, altitude visée, variation importante des charges embarquées). Leur conception et leur maintenance est plus complexe donc plus coûteuse Figure 147 Modularité ou spécialisation La diversité des lanceurs permet de couvrir l ensemble des marchés et sur ce point les pays ou les sociétés privées ne sont tous à égalité. Les Etats-Unis de par leur histoire et l ouverture aux sociétés privées disposent de très nombreux modèles de lanceurs. En plus de couvrir l ensemble du marché, cette diversité de choix permet de faire face aux évolutions des attentes des clients : le temps de développement d une nouvelle fusée est long et ne permet pas de changer rapidement de stratégie en fonction des nouveaux besoins.

124 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 148 Le marché des lanceurs 4.3 STRATEGIE POUR LES NATIONS QUI SOUHAITENT ACCEDER A L ESPACE Les nations qui possèdent déjà une base de lancement cherchent à l améliorer ou à la rendre attractive à des clients externes pour la rentabiliser. Pour les autres nations, la course à l espace peut devenir un objectif pour des raisons stratégiques (Iran, etc.) ou économique si elles sont proches de l équateur et pourraient avantageusement tirer parti de cette position (Brésil, etc.). Mais il est dans un futur proche un type de lancement qui intéresse à la fois les nations déjà équipées de sites de lancement et celles qui n en possèdent pas : ce sont les lancement réalisés depuis un avion, souvent appelés micro-lancements aéroportés (MLA), et qui sont destinés au lancement de micros satellites en orbite basse (200 kg environ). Ces micros satellites sont forcément limités par leur taille, mais : Sont souvent adaptés pour des missions de communication de courte durée ou d observation stratégique ou scientifique Bénéficient de la miniaturisation constante des composants qui augmente chaque année leurs capacités de traitement Le premier atout de ce type de lancement est la simplicité de mise en œuvre car il n est pas nécessaire de posséder de base de lancement complexe : un simple avion de chasse ou gros porteur permet de réaliser ces tirs. Le coût des lancements est d autant réduit que les technologies à mettre en œuvre sont relativement classiques. Le deuxième atout est la possibilité de réaliser ces tirs depuis son propre espace aérien, ce qui est d un grand intérêt stratégique pour l Europe par exemple car l éloignement du pas de tir de Guyane est une faiblesse en cas de conflit. Il est aussi possible de se positionner au-dessus de zones inhabitées si elles sont accessibles (océan, désert, etc.). Le troisième est tout simplement de gagner en autonomie de lancement pour des nations qui aujourd hui sont obligées de faire la queue pour embarquer en passager de complément de vols principalement orientés vers de gros lancements, ou de s intégrer dans des tirs à lancements multiples avec le risque d une mission ratée si un des autres satellites ne réussit pas à se dégager. Pour réaliser un tel tir, un support de type missile est embarqué par un avion à une altitude élevée, souvent supérieure à 10 kilomètres. Le fait de démarrer le lancement à cette altitude permet de se débarrasser de la partie la plus complexe du tir : la première minute du tir permet d amener l ensemble à environ 10km d altitude et consomme la majorité du carburant embarqué.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 125 Avec un tir commençant à 10km, des fusées à carburant solides peuvent être utilisées alors qu elles sont souvent en fin de combustion pour des tirs depuis le sol. Ces fusées à carburant solides sont beaucoup plus simples à manipuler et plus fiables. Figure 149 Les mises en orbite par avion : largage horizontal Un autre moyen utilisé pour les mises en orbites aéroportées est de transporter le lanceur dans la soute d un avion-cargo. Arrivé à l altitude souhaitée, l avion ouvre sa soute et laisse tomber à l extérieur le lanceur. Un système de parachute lui permet de se mettre automatiquement en position verticale avant l allumage des réacteurs.

126 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 150 Mise en orbite par avion : largage vertical 4.4 STRATEGIE INITIALE DE CONCEPTION D UN LANCEUR Les fusées se différencient également par les choix stratégiques qui ont été fait lors de leur conception. Ces choix initiaux suivront le lanceur tout au long de sa vie car il est trop coûteux de changer totalement de stratégie en cours de route. Seules de petites adaptations seront réalisées. Indépendamment des contraintes liées aux lois physiques, ce chapitre montre la nécessité de choisir dès la conception du lanceur une stratégie qui souvent impliquera sa rentabilité future. Nombreuses ont été les erreurs de conception aux tous débuts de la conquête spatiale. Elles sont moins nombreuses aujourd hui car les lois physiques sont mieux maîtrisées ainsi que la technologie. Ces choix ne se font pas au hasard mais en fonction : Du type de lancement à réaliser Des technologies maîtrisées par le concepteur Du budget de développement Du délai souhaité de conception du lanceur La différenciation se fait notamment sur : Le nombre d étages La motorisation principale La modularité de la puissance complémentaire La capacité à réaliser des lancements multiples Nous verrons plus loin que l utilisation d étage est nécessaire pour réaliser des lancements efficaces. Si certaines fusées ont utilisé jusqu à cinq étages, la majorité des lanceurs comporte aujourd hui deux ou trois étages. Certains petits lanceurs comportent toutefois quatre étages. L intégration de plusieurs étages induit une complexité supplémentaire qu il faut maîtriser : Séparation automatisée des étages : au moment voulu, des boulons explosifs séparent les différents étages Motorisation, alimentation et gestion moteur pour chaque étage : chaque étage dispose de sa propre motorisation et est autonome pour son approvisionnement en carburant. Le type de motorisation est souvent différent d un étage à l autre pour plus d efficacité ou simplement en fonction des technologies maîtrisées par le constructeur. La trajectoire de la fusée étant gérée principalement par la modification de la direction de la poussée des moteurs, chaque moteur doit posséder un système de pilotage asservi par le centre de pilotage du lanceur. Les fusées qui placent directement des satellites en orbite géostationnaire doivent avoir en plus la capacité d allumer à volonté le moteur du dernier étage pour placer l engin sur sa position cible Système de gestion de l étage : l allumage du moteur et sa gestion dépend de chaque étage. Il doit donc embarquer le système nécessaire à sa gestion Réseau d information complexe à l intérieur des étages : la communication avec le sol lors du vol comprend entre autres l envoi des paramètres de fonctionnement de chaque étage. Le transfert est assuré par la case à équipement, mais elle reçoit ces informations des étages inférieurs via des canaux de communication qui n existeront plus une fois l étage séparé. Récupération ou suivi des étages : l opérateur du lancement doit suivre et s assurer que la retombée des différents étages n est pas dangereuse Construction modulaire du lanceur : si la construction séparée des différentes parties d un lanceur est un réel avantage car il est possible de paralléliser leur construction, cela peut devenir un inconvénient si une des parties est en retard. L assemblage est également rendu plus complexe et nécessite des procédures propres à chaque étage Paradoxalement les lanceurs lourds n ont pas forcément le plus grand nombre d étages : Ariane 5 ne comporte que deux étages. Les petits lanceurs quant à eux compensent souvent le manque de puissance de leurs moteurs plus petits par l utilisation de quatre étages.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 127 Figure 151 Stratégie sur le nombre d étages Une fois la poussée nécessaire déterminée pour chaque étage, il faut sélectionner les moteurs disponibles qui permettront d obtenir ce résultat. La disponibilité d un moteur est liée à son développement spécifique par des sociétés qui travaillent avec les constructeurs de lanceurs : un moteur est très rarement utilisé par des sociétés concurrentes. Chaque moteur possédant une poussée bien précise liée à sa conception et au carburant utilisé, deux grandes stratégies s opposent : De gros moteurs uniques : Si la mise en place dans le lanceur est simplifiée ainsi que sa gestion en vol (utilisation pour maîtriser la trajectoire de la fusée notamment), la mise au point de tels moteurs est complexe (vibration, gestion des températures, etc.) Ou plusieurs petits moteurs fonctionnant simultanément : La conception et la fabrication sont simplifiées mais le système de pilotage combiné de plusieurs moteurs est extrêmement complexe. L alimentation en carburant est aussi plus complexe car le même réservoir et système de distribution doit se répartir sur tous ces moteurs. Si les Russes ont longtemps utilisé cette technologie poussée à l extrême avec des combinaisons de plusieurs dizaines de moteurs, les lanceurs modernes utilisent rarement plus de neuf moteurs principaux Un choix supplémentaire porte sur la capacité de rallumage du moteur : cette fonctionnalité permet de réaliser des placements en GEO directement mais également des mises en orbites basses plus complexes (lancements simultanés, etc.).

128 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 152 Stratégie sur la motorisation principale La motorisation complémentaire consiste à ajouter au moteur principal des fusées à poudre pour obtenir la poussée nécessaire si le moteur sélectionné ne peut pas l atteindre directement. Les fusées à poudre peuvent être toutes allumées au même moment ou étalées dans le temps par groupe pour prolonger la poussée. Il faut alors maîtriser un allumage au moment souhaité. Une fois utilisées elles sont séparées du lanceur car elles deviennent un poids mort : cette opération nécessite synchronisation et systèmes de séparation. Il faut là aussi gérer le suivi de la retombée de ces éléments, voire leur récupération car ils sont souvent réutilisables. Nous verrons plus tard comment fonctionnent ces moteurs d appoints mais il est important de noter que si la technologie semble simple, elle nécessite un système de gestion en vol complexe car il est impossible de garantir une poussée égale en permanence pour chacune des fusées à poudre. Le contrôle de la trajectoire doit prendre en compte ces paramètres.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 129 Figure 153 Stratégie sur la puissance complémentaire La finalité du lanceur est de placer en orbite un ou plusieurs éléments. Le choix peut être tentant pour les opérateurs de choisir le lancement combiné de plusieurs satellites car cela permet de diviser entre plusieurs clients une grosse partie des coûts de lancement. Pour réussir un lancement combiné, de nouvelles contraintes apparaissent : La coiffe de la fusée doit abriter les satellites : l espace doit être suffisant et disposer de système de contrôles séparés pour chaque engin La fusée doit avoir une puissance suffisante : pour supporter la masse supplémentaire tout d abord, mais également pour effectuer un vol plus long en temps car les différents satellites doivent être placés sur des positions différentes (même si les altitudes sont souvent les mêmes) Le système de séparation est plus complexe : pour séquencer correctement la séparation de chaque engin Il est d autant plus important que cette partie soit convenablement conçue car le moindre problème dans la séparation d un des satellites empêchera les autres de se séparer, mettant en péril l ensemble du lancement.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 135 Chapitre 5 MECANIQUE ET PHYSIQUE DES VOLS 5.1 ELEMENTS THEORIQUES AUTOUR DE LA VITESSE Pour placer des objets en orbite ou les mettre sur des trajectoires leur permettant de quitter l attraction terrestre, les lanceurs doivent atteindre des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par heure, bien supérieures aux vitesses maximales des véhicules plus classiques : Ariane 5 : L étage supérieur d une fusée Ariane 5 atteint une vitesse supérieure à 8 000 km/h deux minutes après le décollage Concorde : 2 300 km/h Avions de chasse : les plus rapides aujourd hui atteignent 2 400 k/h. Cette différence implique des contraintes de structure et de vol très importantes sur les lanceurs. 5.1.1 Incompressibilité de l air et vitesse Bien entendu l air peut être compressé en réaction à une pression exercée dans un environnement clôt (seringue, pompe à vélo) ou en abaissant sa température (liquéfaction des gaz). Il s agit ici de prendre en compte la capacité de compresser de l air en réaction au déplacement d un objet, c'est-àdire la possibilité de faire se rapprocher les molécules les unes des autres pour réduire l espace qu elles occupent. Au quotidien, il est assez simple de vérifier que l air est peu compressé par des mouvements lents (en déplaçant sa main par exemple) : les molécules de l air sont libres de se déplacer les unes par rapport aux autres et s échappent devant l objet en mouvement. La faible vitesse du mobile leur laisse le temps de se réorganiser. Pour être plus précis, il n est pas juste de parler d incompressibilité de l air car cela supposerait une incapacité totale à se compresser. A cette vitesse, la compression n est simplement pas statistiquement la situation dans

136 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités laquelle se retrouvent majoritairement les molécules déplacées car elles ont le temps de se réorganiser : si elles se rapprochent brièvement, cette situation ne perdurent pas et elles réutilisent rapidement tout le volume disponible, notamment la place libérée par l objet se déplaçant. La compression est plus négligeable qu inexistante à des vitesses faibles. Cette situation perdure jusqu à des vitesses de 350 ou 450km/h. La compression n est alors plus négligeable et va aller en s accentuant avec l augmentation de la vitesse. Le déplacement des molécules d air en réponse à la pression exercée par un objet en mouvement correspond au même déplacement que celui des molécules qui transmettent une onde sonore. Le son possède une vitesse maximale dans l air qui correspond à la capacité des molécules à se réorganiser sous l effet de l onde de compression. Dans un air plus froid et plus dense, les molécules plus proches diffusent plus rapidement le son. C est pour cela qu en se rapprochant de la vitesse du son, la compression de l air devant l objet augmente jusqu à former une onde de choc, c'est-à-dire une zone de compression où les molécules de l air sont finalement rapprochées les unes des autres au lieu de s échapper. Figure 157 Compression de l air devant un objet en mouvement 5.1.2 Mur du son ou mur d onde de pression? On entend souvent parler de mur du son pour expliquer ce phénomène : il serait plus exact de parler de mur de compression. Le terme de «mur du son«remonte à la fin de la seconde guerre mondiale, quand les avions atteignirent des vitesses proches de celle du son. Les pilotes avaient alors de plus en plus de mal à diriger leurs avions, ce qui les amenaient à penser qu il y avait une limite (un mur) qui ne pourrait peut-être pas être dépassée : celle de la vitesse du son. La vitesse du son n est en fait elle-même qu une limite au déplacement des molécules d air les unes par rapport aux autres. Un avion qui serait totalement silencieux rencontrerait exactement les mêmes problèmes.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 137 C est pourquoi il est préférable de parler d ondes de pression et non d ondes sonores : les ondes de pression correspondent au même phénomène de déplacement d air qu une onde sonore, mais représentent un phénomène plus général couvrant à la fois le son et le mouvement des molécules créé par le déplacement de l objet. Un objet en se déplaçant émet des ondes de pression, c'est-à-dire qu il impose à l air qui l entoure de se réorganiser pour le laisser passer. Ces ondes se déplacent ensuite «à la vitesse du son», c'est-à-dire à la vitesse de réorganisation des moléculaires d air, sous forme de cercles concentriques, comme des ronds en surface de l eau. Par la suite, lorsque le terme de «vitesse du son» sera utilisé, il faudra garder en tête qu il s agit en fait de la vitesse maximale de propagation d une onde par les molécules d air. Immobile, mais moteur tournant, le même objet émet également des ondes de pression sonores qui se répandent sous forme de cercles concentriques. Les ondes sonores émises par un objet mobile participent aussi à l onde choc finale en s ajoutant à celle de pression créées par le mouvement : ce ne sont toutefois pas elles qui dominent le processus. Figure 158 Mur du son ou mur d onde de pression 5.1.3 Les ondes de compression en fonction de la vitesse Il est alors possible de déterminer trois vitesses de l objet mobile qui auront une interactivité différente sur les ondes de pression générées par le mouvement : A l arrêt ou à une vitesse inférieure à celle du son : les ondes de pression s éloignent de l objet car elles se déplacement plus vite que lui. L engin ne rattrapera jamais une onde qu il a émise Egale ou proche de la vitesse du son : à l avant de l objet, les ondes de pression se déplacent à la même vitesse que l avion et s accumulent formant une zone où la pression est beaucoup plus forte, l onde de choc Supérieure à la vitesse du son : les ondes de pression se retrouvent à l arrière de l objet en permanence car il se déplace plus rapidement qu elles. Le décalage des ondes forme une sorte de cône appelé cône de Mach. Le cône devient de plus en plus pointu lorsque la vitesse augmente.

138 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 159 Les ondes de compression en fonction de la vitesse 5.1.4 Bang supersonique et cône de Mach Même un avion totalement silencieux génère une onde de choc devant lui lorsqu il dépasse la vitesse du son. C est le passage de cette onde au niveau de nos oreilles qui sera traduite comme un «bang» sonore, ou qui fera vibrer les vitres jusqu à éventuellement les briser. Le «bang» (sonic boom) n est pas un évènement instantané : il dure tout le temps que l avion se trouve en vol supersonique mais il ne peut être entendu à un instant donné que par les personnes qui se trouvent sur la zone externe du cône de Mach (l onde de choc) : Dans la direction de l avion, deux personnes éloignées entendront le bang avec un décalage Elles ne le réentendront ensuite que si l avion revient vers elles et qu elles se retrouvent à nouveau sur le bord externe du cône de Mach

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 139 Figure 160 Bang supersonique et cône de Mach De la même façon la perception du son est totalement différente dès que l on se trouve dans la configuration supersonique avec le cône de Mach : Le bang n est pas entendu par le pilote car il se trouve à l intérieur du cône et jamais sur le bord externe En dehors du cône, le bruit émis par l avion ne peut pas être entendu car l avion se déplace plus rapidement que lui. Il ne sera entendu par une personne sur le trajet de l avion qu après le bang, quand elle sera rentrée dans le cône de Mach. Elle entendra alors les sons émis par l avion alors qu il l a dépassée et qui se propagent en arrière du cône. Si l on entend le plus souvent deux bang, c est simplement qu il y a pour les avions à réaction deux cônes de Mach, un à l avant de l avion et le second à l arrière. Le passage de ces deux cônes génèrera deux bangs très rapprochés.

140 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 161 Perception du bruit d un avion en mode supersonique 5.1.5 Mach 1, 2, 3, 4 etc. La vitesse du son n est pas fixe : elle correspond à la capacité des molécules d air à diffuser l onde de pression, et dépend notamment de la densité de ces molécules. La vitesse du son est plus grande si la densité est importante. Cette vitesse varie donc localement en fonction d un certain nombre de paramètres comme la pression atmosphérique, la température, l altitude. La composition de l air étant à peu près constante, ce paramètre ne rentre pas en compte ici. Quelques exemples : En fonction de la température de l air seule : 325 m/s (1 170 km/h) à -10 C et 349 m/s (1 256 km/ h) à 30 C En fonction de l altitude seule : 340 m/s (1 224 km/h) au niveau de la mer et 299 m/s (1 076 km/h) à 10 000 mètres d altitude Pour simplifier la lecture des données, on utilise la notion de Mach, qui correspond au rapport entre la vitesse de l objet et la vitesse du son, indépendamment des conditions. Par exemple, si un objet se déplace à Mach 1, il se déplace à une fois la vitesse du son, à Mach 2 deux fois etc. 5.1.6 Vitesse subsonique, transsonique, supersonique et hypersonique Les vitesses sont également regroupées en fonction de la plage atteinte : Subsonique : inférieure à la vitesse du son (< Mach 1) Transsonique : égale ou à proximité à la vitesse du son (= Mach 1) Supersonique : > Mach1 Hypersonique : > Mach 5 Pour les lanceurs les plus courants le vol en hypersonique est nécessaire afin de placer des charges sur les orbites visées. Les valeurs suivantes sont données pour les parties de vol en atmosphère qui sont les seules à imposer des contraintes de structure. Dans le vide les lanceurs atteignent facilement des vitesses beaucoup plus élevées (Mach 25). Ces valeurs sont ramenées à des vitesses relatives au sol car la valeur en Mach est fonction de la vitesse du son, qui est nulle dans le vide : Ariane 5 : Aux alentours de Mach 6.5 après deux minutes Navette spatiale au lancement : Mach 5 après 2 minutes Lanceur SOYOUZ : Mach 6.5 après 2 minutes

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 141 A ces très grandes vitesses de nouvelles contraintes apparaissent. Figure 162 Vitesse subsonique, transsonique, supersonique et hypersonique 5.1.7 Condensation rapide de la vapeur d eau en transsonique/supersonique Les variations de pression entre l air devant l onde de choc et l air peuvent amener une variation de température suffisante pour atteindre le point de rosée, c'est-à-dire la température où la vapeur d eau ne peut plus rester dans l air en tant que vapeur et finit par se condenser sous la forme de nuage. Pour que ces cônes de vapeur apparaissent il faut que la température atteinte dans le cône de pression suite à la chute de pression permette d atteindre le point de rosée correspondant au taux de vapeur d eau présent dans l air à cet endroit.

142 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 163 Condensation rapide de la vapeur d eau en transsonique 5.2 TRAINEE AERODYNAMIQUE 5.2.1 Composante de la traînée aérodynamique Vous pouvez en faire l expérience rapidement en déplaçant votre main dans l eau ou dans l air : Le fluide (eau ou air) exerce une pression qui s oppose au déplacement : la pression est supérieure dans l eau que dans l air et il est plus facile de maintenir une trajectoire rectiligne dans l air que dans l eau Cette résistance est d autant plus grande que votre main se déplace rapidement : dans l air, en passant la main en dehors d une voiture par exemple Cette résistance varie si vous changez l angle de votre main : de face, la résistance est grande, mais main à plat, la résistance est beaucoup moins grande Les lanceurs en mouvement dans l air vont ressentir la même résistance, et ce d autant que les vitesses atteintes sont importantes : cette résistance se modélise sous le nom de traînée aérodynamique et est constituée de plusieurs composantes : La traînée de forme : c est la résistance de l air devant l engin en mouvement et qui varie en fonction de la forme de l objet (main à plat ou main verticale) La traînée de frottement : c est la résistance du fluide qui est en contact avec l objet qui se déplace La traînée d onde : pour les vitesses transsoniques et supérieures, la présence de l onde de choc doit être prise en compte La traînée de forme est directement liée à la forme de l objet qui se déplace. Pour reprendre l exemple de la main en dehors d une voiture, la surface de contact à l avant de l objet est : maximale avec la main verticale : la résistance est forte minimale avec la main horizontale : la résistance est faible Deux actions complémentaires vont créer cette résistance : La quantité d air à déplacer vers l avant : plus elle est grande, plus il sera difficile de réaliser ce déplacement car il y a à la fois beaucoup de molécules à déplacer, et peu de place libre pour les accueillir rapidement. Plus précisément, c est la différence de surface par rapport à la position précédente qui importe : un cône permet d obtenir la même surface mais graduellement, les efforts à faire pour avancer sont plus faibles. Les turbulences créées à l arrière de l objet : une fois l air passé de l autre côté de l objet, il réintègre l espace libre laissé à l ancienne position de l objet (qui a avancé). Ce mouvement génère une dépression qui tend à aspirer l objet vers l arrière et à l empêcher d avancer. Plus la surface arrière est grande, et plus cet espace à combler sera grand et induira une dépression importante. Là encore, c est plus précisément la différence par rapport à la position précédente qui compte et un arrière d objet profilé permettra de réduire cette traînée en l absorbant graduellement au lieu de le faire à un seul endroit C est sans doute une des notions les plus importantes pour tous les objets en mouvement, qu ils soient vivants ou non. La forme profilée est plus efficace car elle minimise la traînée de forme et réduit la résistance, permettant d avancer en utilisant moins d énergie.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 143 Figure 164 Traînée de forme La première résistance subie par un objet en mouvement vient de la nécessité de déplacer rapidement le volume d air qui se trouve devant lui pour prendre sa place. Ce déplacement est plus difficile à réaliser si le volume d air à déplacer est important par rapport aux zones par lesquelles il peut sortir. La forme de l objet prend alors toute son importance, et ce d autant plus que la vitesse à laquelle doit se réaliser ce déplacement est grande : Si l objet est massif et non profilé : Un volume d air important doit contourner toute la face avant de l objet ce qui prend du temps. Un objet de même surface, mais percé de trous résistera moins à l avancement car chaque orifice est une échappatoire possible n obligeant pas l air à contourner tout l objet Si l objet est profilé : Le même volume d air doit contourner l objet mais sous la forme de petits volumes disposant de nombreux endroits pour s échapper Figure 165 Traînée de forme : déplacement de l air vers l avant

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 215 Chapitre 6 TECHNOLOGIES DE PROPULSION 6.1 OBJECTIF DE LA PROPULSION Posée sur sa plate-forme de lancement, la fusée est en équilibre entre : La force de la gravité qui l attire vers le centre de la Terre La réaction du sol qui la repousse et ne la laisse pas s enfoncer Sans action complémentaire, la fusée ne bougera pas ni vers le haut, ni vers le bas. Pour que la fusée décolle il faut qu une force complémentaire soit fournie dans la même direction que celle exercée par le sol, et dont la puissance déterminera le mouvement de la fusée : Inférieure au poids de la fusée ou égale : la fusée ne bougera pas de sa plate-forme, comme si sur la chaise à roulette vous ne jetiez qu une plume devant vous Supérieure au poids de la fusée : la fusée va décoller avec une vitesse qui dépendra de la différence de la force fournie par le moteur par rapport au poids de la fusée. A puissance constante, la fusée accélère car sa masse diminue au fur et à mesure qu elle brûle son carburant 6.2 POURQUOI UN BESOIN SPECIFIQUE DE PROPULSION? Les lanceurs ont un besoin spécifique de propulsion lié à leur taille et à leur poids. Si votre voiture peut se contenter d un moteur très simple (et au final très peu efficace) ce n est pas le cas pour une fusée : une fusée Ariane 5 développe la puissance de deux TGV. La propulsion doit : Etre puissante : elle doit permettre de soulever les 700 tonnes ou plus d une fusée

216 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Fonctionner dans des conditions très variables : la température et le taux d oxygène sont très différents au sol au moment du décollage et passé 50 kilomètres d altitude quelques minutes après le décollage Résister à des conditions de fonctionnement extrêmes : vibrations, pression, température Avoir une efficacité maximale : le moteur et son carburant doivent peser le juste poids par rapport à ce qu ils apportent Il faut également noter qu aujourd hui, on peut distinguer deux besoins de propulsion : Celui permettant de quitter la Terre : seules les réactions chimiques permettent d obtenir la puissance nécessaire pour surpasser la force d attraction de la Terre Celui permettant de manœuvrer en orbite : Réactions chimiques, nucléaires, électriques sont autant de solutions viables, que ce soit pour des manœuvres en orbite proche ou pour les trajets interplanétaires. Les réactions chimiques permettent d arriver plus rapidement au résultat souhaité en fournissant une plus grande puissance sur un délai plus court, mais les réservoirs ne sont pas rechargeables et cette solution ne peut répondre qu à un besoin ponctuel, très limité dans le temps, comme la mise à poste ou les corrections d orbite. 6.3 LA PROPULSION COMME REACTION PHYSIQUE Sur quoi peut bien s appuyer un lanceur pour avancer? Contrairement à un marcheur qui prend appui sur le sol, ou un oiseau qui s appuie sur l air, elle ne dispose d aucun support. C est le Russe Tsiolkovski qui apporta à la fin du 19 ème siècle une solution à ce problème. Souvent décrite à l aide d une expérience utilisant une barque, elle est plus simple à réaliser en appartement avec une chaise à roulette. La propulsion utilisée par les fusées est une réaction purement physique très simple à vérifier par vous-même : Prenez dans vos mains un ballon assez lourd (ballon de basket) Asseyez-vous sur une chaise de bureau à roulette au milieu d un espace dégagé Lancez le ballon devant vous En réaction au lancement du ballon, votre chaise va reculer un peu Le recul de la chaise correspond à une action/réaction mise en évidente par Newton : toute action est la réaction à une autre action de force équivalente et réalisée dans la direction opposée : Le ballon subit une action dans une direction (vous le lancez) La chaise et vous reculez dans le sens opposé : le recul dépend de la masse éjectée et de la force avec laquelle elle a été éjectée (vous pouvez faire plusieurs tentatives en lançant avec plus ou moins de force des objets de masses différentes)

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 217 Figure 243 Expérience de Tsiolkovski 6.4 LA PROPULSION ISSUE D UNE REACTION CHIMIQUE La fusée ne pouvant pas jeter des objets pour avancer, c est l éjection de gaz, qui engendre la propulsion par action réaction. Vous pouvez simuler cette opération (hors réaction chimique) avec un ballon de baudruche gonflé et dont l embouchure n est pas fermée : une fois lâché, l air sous pression dans le ballon s échappe par l embouchure le ballon se dirige alors dans la direction inverse de l air expulsé La fusée n est pas non plus gonflée comme un ballon : la puissance produite est suffisante pour le ballon qui est très léger mais serait bien insuffisante pour un lanceur de plusieurs centaines de tonnes. Les gaz utilisés par la poussée sont produits par une réaction chimique de combustion tout comme celle qui active votre moteur de voiture, mais avec deux différences importantes : la puissance produite est bien supérieure à ce que l on peut obtenir avec un moteur de voiture la combustion doit se faire sans compter sur l oxygène de l air car cet élément se raréfie rapidement en montant dans l atmosphère, et disparaît ensuite une fois dans le vide (>120 km d altitude)

218 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 244 Les fusées avancent en éjectant des gaz On appelle propergol le produit qui par réaction chimique fournira les gaz nécessaires à la propulsion. Les propergols sont constitués de un ou plusieurs ergols, stockés dans des réservoirs différents. 6.5 CHAMBRE DE COMBUSTION ET TUYERE La réaction chimique du propergol se produit dans la chambre de combustion. Celle-ci dispose d un orifice de sortie par lesquels les gaz sous pression s échappent. Sans cette sortie, la pression monterait dans la chambre qui finirait par exploser. C est ce qui se passe dans un pétard : la combustion de la poudre engendre des gaz dont la pression finit par être supérieure à la structure de papier qui l entoure.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 219 Figure 245 Chambre de combustion La conservation de l énergie est respectée : l énergie thermique créée dans la chambre de combustion est transformée en énergie cinétique dans la tuyère. Pour obtenir une poussée maximale, il suffit que les gaz soient éjectés en grande quantité avec la plus grande vitesse possible. Cette vitesse est fortement liée à la pression des gaz dans la chambre mais une limite est rapidement atteinte : l augmentation de la pression augmente également la température et risque de faire fondre les matériaux qui forment les parois de la chambre. La pression maximale de la chambre est donc contrainte par les matériaux utilisés. Pour obtenir une vitesse de gaz encore plus grande, une tuyère est ajoutée à la sortie de la chambre de combustion. Figure 246 La tuyère permet d accélérer les gaz L efficacité de la tuyère est maximale lorsque la pression en sortie est égale à la pression atmosphérique : Pression inférieure à la pression atmosphérique : l éjection des gaz ne peut pas se faire car elle est bloquée par la pression atmosphérique plus forte Pression supérieure à la pression atmosphérique : une faible différence ne se traduit que par une petite perte de puissance. Au-delà de 30%, le flux éjecté est instable et rend difficile le maintien en vol Pour une pression de gaz donnée en entrée du divergent de la tuyère, c est la longueur de celui-ci qui va déterminer la pression en sortie : plus le divergent est long, et plus la pression sera faible en quittant la tuyère. La pression atmosphérique diminuant avec l altitude, jusqu à être nulle dans le vide, la conservation de cette efficacité est complexe. Il faut soit : accepter un compromis sur toute la durée d utilisation du moteur en réglant la longueur de la tuyère pour une efficacité moyenne adapter la tuyère au fur et à mesure en fonction de la pression atmosphérique externe comme le proposent des moteurs récents (aerospike, vinci, etc.) Les moteurs des différents étages intègrent ces différences : les tuyères des moteurs utilisés dans les altitudes les plus élevées sont proportionnellement plus longues.

220 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 247 Longueur de tuyère et pression atmosphérique Il est facile de vérifier visuellement si un moteur à réaction, d une fusée ou d un avion, génère des gaz avec une pression inférieure ou supérieure à la pression atmosphérique car dans ce cas, des formes géométriques très spécifiques apparaissent dans les gaz éjectés. Ce sont des «shock diamonds» également appelés «Mach diamonds» ou «Mach disks». Ces figures disparaissent ou apparaissent lorsque les conditions de pressions varient, que ce soit la pression externe qui diminue avec l altitude ou celle des gaz qui peut changer en cours de vol. Figure 248 Shock diamonds et Mach Diamonds

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 221 6.6 LES MOTEURS SERVENT EGALEMENT A ORIENTER LE LANCEUR Contrairement aux avions, une fusée ne dispose pas de gouvernail ni d aileron lui permettant de régler sa direction : Pour être efficace les ailerons devraient être d une dimension incompatible avec la fusée Et ne fonctionneraient plus dans le vide car leur efficacité est liée à la création de hautes pressions et basses pressions dans les flux d air Les tuyères permettent de diriger la fusée en modifiant la direction du flux, ou le plus souvent d une partie du flux, de gaz qu elles éjectent. La force résultante n étant plus dans la direction initiale, le centre de masse de la fusée se dirigera alors vers cette nouvelle direction. Ce sont souvent plusieurs dizaines de modifications minimes à la seconde qui sont réalisées par les calculateurs pour guider le lanceur et corriger en permanence sa trajectoire. Figure 249 Diriger une fusée à l aide d une tuyère 6.7 COMBUSTION, CARBURANT, COMBURANT La réaction chimique utilisée dans les moteurs des fusées est une réaction d oxydoréduction entre les ergols sélectionnés : Un composant chimique est l oxydant (comburant) L autre composant chimique est le réducteur (carburant) Les composants sélectionnés comme ergols pour les moteurs de fusées le sont pour que la réaction soit : Maîtrisée et non chaotique : elle doit rester globalement la même à chaque fois qu elle se reproduit afin de prévoir chaque instant du vol Exothermique mais jusqu à un certain point : une trop grande production de chaleur endommagerait la structure Productrice de gaz : les piles que nous utilisons quotidiennement utilisent également une réaction d oxydoréduction mais avec une production infime de gaz. Les composants qu elles utilisent ne sont pas efficaces pour des moteurs de fusée

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 241 Chapitre 7 SATELLITES COMMUNIQUER AVEC LES 7.1 BANDE PASSANTE, PUISSANCE ET VOLUME A TRANSFERER Communiquer c est transférer de l information : mais toutes les formes de communication ne nécessitent pas le même volume d information à transférer. Commençons par essayer de quantifier les principaux types d information qui transitent par des satellites pour ensuite les comparer. Pour mettre en évidence l échelle des ressources nécessaires, et pour plus de lisibilité, nous n allons pas utiliser des unités de mesure informatique (Méga bit, caractère par seconde, etc.), mais une unité plus simple à maîtriser par chacun, le litre (la taille en mégabit est toutefois donnée pour information) : Un e-mail de quelques lignes sans pièce jointe : un verre d eau de 10 cl (0,001 Mégabit) Un fax d une page : 50 litres d eau (0,5 Megabits) Une minute de conversation téléphonique : 400 litres d eau (4 Megabits) Une minute de radio : 800 litres d eau (8 Megabits) Une minute de télévision basse définition : 6 000 litres d eau (60 Megabits) Une minute de télévision haute définition : 40 000 litres d eau (400 Megabits) La quantité d information à transmettre est nettement en hausse quand le message à diffuser augmente en complexité. Les moyens de diffusion doivent être adaptés au débit souhaité sous peine de ne pouvoir fournir qu un service de moindre qualité.

242 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 268 Comparaison des quantités d information à diffuser Pour représenter ces valeurs dans les communications entre un émetteur et un récepteur, que ce soit dans l espace avec des satellites ou sur Terre avec des antennes de télévision ou wifi, on utilise deux caractéristiques : Bande passante : Plus la quantité à transférer sera grande sur un intervalle de temps bien défini, plus la bande passante nécessaire sera grande également. Dans notre exemple précédent, la bande passante représente le diamètre du tuyau qui transporte l eau. Un tuyau de petit diamètre transportera moins d eau sur un même intervalle de temps qu un tuyau de plus grand diamètre Puissance : Plus la distance à parcourir entre l émetteur et le récepteur est grande, plus les conditions sur cette distance sont dégradées, et plus la quantité d éléments portant l information doit être importante pour espérer que la quantité reçue soit suffisante. Dans notre exemple précédent, si l on arrose une plante à plusieurs kilomètres avec un litre d eau à la minute, il faudra disposer d un débit supérieur à un litre par minute en entrée si l on sait que l eau s évapore beaucoup ou s il y a des fuites entre l entrée du tuyau et la sortie. Dans les communications d antenne à antenne, dans l Espace ou sur Terre, les informations sont portées par des ondes/photons et ces deux caractéristiques représentent : Bande passante : La plage de fréquence des ondes émises. Plus cette plage est large et plus le nombre d informations différentes qui pourront être transférées simultanément sera grand. Puissance : C est le nombre d ondes/photons qui doivent être émis à la source pour espérer que, dans les conditions supposées entre l émetteur et le récepteur, une quantité suffisante de ces ondes/photons arrivent au récepteur et que le message soit compris. L émission d une quantité plus importante d ondes/photons impose des émetteurs plus puissants. Ce sont les deux seuls critères sur lesquels il est possible de jouer dans le cadre d une communication. La vitesse de la lumière étant finie, il n est pas possible d imaginer émettre des photons plus ou moins rapides afin d accélérer le trafic. 7.2 QUELLES COMMUNICATIONS ET VERS QUOI? Quelle que soit la finalité d un satellite (observation, communication, météo, etc.), il doit recevoir des informations et en émettre vers la Terre. La liaison Terre / Satellite est dire montante (UPLINK) et la liaison Satellite / Terre est dite descendante (DOWNLINK). Les différents services de communication possibles sont classés par l ITU afin de définir des règles et des normes, notamment dans les bandes de fréquences utilisables et leur attribution.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 243 Il existe de très nombreux services règlementés par l ITU, en voici les principaux. 7.2.1 Gestion du satellite C est le canal de communication nécessaire à tout satellite. Il est bidirectionnel : Le centre de contrôle terrestre fait parvenir des ordres au satellite afin qu il réalise des actions (changement d orientation, prise de vue, vérifications, etc.) Le satellite retourne des informations sur son état (télémétrie = température, niveau d énergie, état des composants internes, etc.), des validations de bonne exécution d un ordre, etc. La gestion se fait habituellement par : L opérateur pour le contrôle technique du satellite (position, orientation,..) Le client pour l envoi d ordres fonctionnels au satellite (demande d une prise de vue par exemple) La gestion du satellite est englobée dans le protocole Satellit Operation Service (SOS) défini par l ITU. Figure 269 Communication pour la gestion du satellite 7.2.2 Réception des informations collectées par les satellites non géostationnaires Les informations collectées par les satellites qui ne sont pas en orbite géostationnaire (météos, reconnaissance, prise de vue, etc.) sont transmises non pas au centre de contrôle, mais à un ou plusieurs centres de réception répartis le long de la trajectoire au sol du satellite. Le nombre de station de réception au sol, notamment pour les satellites en orbite basse, varie en fonction de la fréquence à laquelle le client souhaite récupérer les informations. Plus la fréquence sera élevée, et plus le nombre de station sera important. Une station de réception peut être : Mise en location pour une utilisation commerciale par des sociétés spécialisées mais aussi par des agences spatiales qui souhaitent ainsi amortir les investissements réalisés dans le cadre de leurs programmes. Les sites de réception sont alors mutualisés par plusieurs projets et les informations reçues transférées vers un ou plusieurs centres de traitement privés du client

244 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Dédiée à une utilisation privée pour une agence, mais servant à plusieurs satellites. C est le cas de la réception des informations émises par les satellites militaires Ces transmissions rentrent dans le cadre du Fixed Satellit Service (FSS). Figure 270 Réception des informations collectées par les satellites 7.2.3 Diffusion de programmes TV, radio, etc. vers des récepteurs fixes La diffusion de programmes sur toute une zone nécessite l utilisation à la fois : Du lien montant : les sociétés de diffusion transmettent au satellite les flux à transmettre Du lien descendant : le satellite transmet ces flux vers des zones bien définies de la Terre qui pourront les capter Un même satellite pouvant réaliser la transmission des flux de plusieurs diffuseurs de programmes, il peut recevoir ces flux depuis plusieurs sources au sol. Si les sources sont proches, elles pourront utiliser la même antenne de réception sur le satellite sans que la qualité de transmission soit atténuée. Mais si elles sont éloignées, plusieurs antennes seront nécessaires ce qui augmente le coût de construction et de maintenance du satellite. C est pourquoi la plupart des satellites appartiennent aux opérateurs de diffusion ou à des groupes de diffuseurs localement proches. Le satellite n agit que comme un relai de la diffusion, sans agir sur le contenu du flux transmis. Si l on souhaite que le signal ne soit utilisable que par des utilisateurs bien précis, les opérations de cryptage doivent être réalisées par le diffuseur avant envoi dans le flux montant. Seuls les clients disposant du décodeur adéquat sur le flux descendant pourront utiliser correctement le signal émis. Les autre clients non dotés du décodeur recevront également le signal, mais sans pouvoir l utiliser en l absence de décodeur.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 245 Figure 271 Diffusion de programmes par satellite On distingue deux types de schémas de diffusion : Broadcast Satellit Service (BSS) : Pour la diffusion vers des zones larges avec de très nombreux petits récepteurs (la télévision par satellite utilise majoritairement ce service. Fixed Satellit Service (FSS) : C est également un service de diffusion mais orienté vers des professionnels devant recevoir mais également émettre. C est le cas des centres de diffusion audiovisuel, mais aussi de certains grands réseaux d information et plates-formes temporaires de diffusion pour des évènements exceptionnels (match de football, concert, etc.).

246 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 272 Broadcast et Fixed satellit services 7.2.4 Diffusion vers des récepteurs mobiles Le problème de réception se complique si le récepteur est mobile, et encore plus s il ne doit pas se contenter de recevoir mais également de renvoyer de l information vers le satellite : téléphone, fax, etc. Le protocole en charge de ce service est appelé Mobile Satellit Service (MSS) et se découpe en trois versions différentes : Maritime Mobile Satellit Service (MMSS) : Pour les récepteurs se trouvant en mer Aeronautical Mobile Satellit Service (AMSS) : Pour les avions en vol Land Mobile Satellit Service (LMSS) : Pour les véhicules terrestres en mouvement De par la faible capacité à transférer de gros volumes d information, ces systèmes restent dédiés à des communications téléphoniques, des fax, ou bien des transferts de données (y compris vidéo) s ils sont très compressés. Figure 273 Diffusion vers des récepteurs mobiles 7.2.5 Communication entre satellites Ce type de liaison est dit de liaison inter-satellite (ISS=Inter-Satellite Service). Elle permet à des satellites de se partager des informations : Satellite géostationnaire non visible depuis un centre de contrôle (panne sur centre d où il était visible habituellement, choix d architecture à faible coût). Un satellite sert de relai et peut diffuser des informations aux autres satellites Synchronisation des constellations de satellites Satellites en orbite basse diffusant leurs informations non pas vers le sol, mais vers des satellites géostationnaires qu ils voient beaucoup plus longtemps que les stations au sol Train de satellites fonctionnant ensembles et devant synchroniser des prises de mesures simultanées.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 247 Pour les satellites qui évoluent en formations ou en constellations, le gain est très important en termes de vitesse de transmission. Il serait tout à fait possible de passer par des stations au sol, mais le délai de transmission serait considérablement augmenté, pénalisant le service. Figure 274 Communication entre satellites 7.3 IMPORTANCE DES BANDES DE FREQUENCE UTILISEES Comme nous l avons vu précédemment, l utilisation des bandes de fréquence est règlementée par l ITU afin d éviter que des interférences ne viennent perturber les réceptions des flux. La mission de l ITU est également de répartir les grandes plages de fréquence utilisables entre les différents services (voir chapitre précédents). Les attributions des fréquences pour chaque mission se feront ensuite dans la bande du service que souhaite utiliser ce satellite. 7.3.1 Bandes de fréquences utilisables Seule la zone micro-onde du spectre électromagnétique est utilisée dans le cadre des communications. Figure 275 Rappel sur le spectre électromagnétique

248 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Cette restriction est simplement due à la nécessité de garantir la meilleure qualité de diffusion. Les bandes de fréquence plus énergétiques ou moins énergétiques du spectre électromagnétique ont plus de défauts que la zone micro-onde. Cela ne veut pas dire que la zone micro-onde est dépourvue de défaut, mais juste qu elle en a moins que les autres pour cette utilisation spécifique. Le choix des fréquences est au final un compromis acceptable entre les défauts et les qualités de chaque zone : Energie nécessaire : Emettre dans les fréquences élevées nécessite beaucoup d énergie Dangerosité : Les fréquences très élevées sont dangereuses une fois émises Emission naturelle : Pour éviter toute perturbation, il vaut mieux éviter les bandes de fréquence émises naturellement par notre environnement. Par exemple l infrarouge qui est émis par tous les êtres vivants et par réflexion des rayons du soleil sur le sol. Absorption par l environnement : A éviter également, les longueurs d ondes qui sont massivement absorbées par notre environnement, que ce soit au niveau moléculaire ou au niveau macroscopique (ondes radios très sensibles aux objets de grande taille comme les arbres, les immeubles, etc.) Perturbation par l environnement : Les ondes devant traverser l atmosphère, elles ne doivent pas être trop sensibles aux variations électriques des différentes couches pour que le signal émis ne soit pas perturbé. Les ondes radios sont très sensibles aux orages et à l électricité contenue dans les nuages. Taille de la plage de fréquence : La plage de fréquence doit être suffisamment large pour héberger les services actuels et les services futurs Le choix de la zone micro-onde n est pas non plus sans risque. De nombreuses études ont été réalisées mais sans pouvoir trancher définitivement sur la dangerosité ou non de l utilisation de ces ondes. Ce sont les mêmes qui dans votre cuisine réchauffent les aliments dans le four micro-onde : leur utilisation pour les téléphones portables et les communications satellites entraîne une augmentation importante de la densité de ces ondes à proximité des corps humains. 7.3.2 Répartition dans la zone micro-onde La bande micro-onde est tellement large que les différentes fréquences ne possèdent pas exactement les mêmes caractéristiques : certaines seront plus proches des ondes radio et d autres plus proches de l infrarouge. Historiquement les bandes proches du domaine radio ont été les premières utilisées dans le domaine spatial car elles étaient plus simples à maîtriser avec la technologie de l époque. Les micro-ondes de hautes fréquences étaient utilisées surtout par les radars. Cela explique l utilisation variée de ces bandes (à la fois pour des domaines terrestres et spatiaux) alors que les fréquences récemment organisées sont très spécialisées. Ces bandes se sont rapidement avérées trop minces pour supporter les besoins croissants de communication.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 249 Figure 276 Découpage de la plage micro-onde L ITU a découpé la zone micro-onde en plusieurs parties correspondant à des bandes utilisables par les différents services de communication. Cette répartition tient compte de deux paramètres principaux : L adéquation de la fréquence à l utilisation : les caractéristiques propres des ondes (atténuation, perturbation, longueur, etc.) doivent correspondre aux conditions cibles de l utilisation du service La plage de fréquence nécessaire : certains services sont plus consommateurs que d autres et ont besoin de plus de réservation de bande L autre norme utilisée est celle de l IEEE, qui propose un découpage historiquement légèrement différent de celui de l ITU. La bande L est utilisée par les systèmes de positionnement par satellite ainsi que certains services de diffusion radio. Les services de communication mobiles (MSS) utilisent aussi la bande L car les grandes longueurs d onde sont plus tolérantes aux variations de l atmosphère et supportent un pointage des antennes moins précis, ce qui facilite l utilisation. La bande S a des utilisations différentes par pays ce qui l a rapidement rendu ingérable dans le cadre d une maîtrise globale des communications terrestres et par satellite. Cette bande sert sur Terre aux réseaux Wifi et WiMax, mais aussi aux fours à micro-ondes qui opèrent aux alentours de 2,45 GHz. La NASA utilise une partie de cette bande pour les communications avec la navette spatiale et la station spatiale internationale (ISS). La bande C (C-BAND) est utilisée par les services fixes (FSS) mais peu par les services de diffusion (BSS) car la longueur d onde est plus proche des ondes radio et par conséquence plus longue. Pour être captée, les antennes doivent être plus grandes (plusieurs mètres) ce qui est bien adapté à de grosses sociétés mais peu réaliste pour une utilisation à grande échelle. Les services de diffusion BSS utilisent la bande KU (KU-BAND) de plus petite longueur d onde et permettant d utiliser des paraboles de plus petites tailles.

250 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités La bande X est utilisée par les satellites militaires et par les sondes spatiales envoyées dans le système solaire. La bande Ka (KA-BAND) sert principalement aux services Internet car elle est au plus proche de la zone infrarouge et par conséquence très sensible aux perturbations atmosphériques. Les protocoles utilisés pour Internet peuvent parfaitement s accommoder de ces erreurs de transmission en redemandant l envoi des paquets perdus. Le transfert des informations prendra alors un peu plus de temps mais finira par aboutir. Ce processus n est pas du tout adapté aux diffusions télévisuelles qui sont sous la forme d un flux continu, sans possibilité de réémission. Les paraboles utilisées avec la bande Ka peuvent être réduites à des tailles de 20 cm. Cette bande est la dernière à avoir été utilisée par les applications satellites car la surcharge des autres bandes impose de trouver de nouvelles plages de fréquences. Elle est également utilisée par les radars terrestres. 7.4 LES ANTENNES 7.4.1 Qu est-ce qu une antenne? Une antenne est l interface entre : Le signal qui se trouve dans l air sous forme d une onde électromagnétique (on parle de propagation libre du signal) Et le câble qui va amener ce signal aux appareils qui vont l utiliser (ordinateur, téléviseur, etc.) (on parle de propagation guidée du signal) Et inversement puisque une antenne peut à la fois recevoir et émettre Tout élément qui conduit l électricité est une antenne de plus ou moins bonne qualité: un simple fil de fer, un poteau électrique, et même un être humain. Une antenne est dans la majorité des cas un instrument passif, notamment en émission : elle ne change pas le contenu du signal. Elle se contente de le diffuser dans une direction donnée, c'est-à-dire vers la propagation libre ou la propagation guidée. Figure 277 Qu est-ce qu une antenne? 7.4.2 Conservation de l énergie du signal La transmission d un signal à travers une antenne correspond à un changement de la forme dont l énergie est transportée, tout en conservant cette énergie :

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 251 En émission : le courant électrique transmis par le câble de connexion à l antenne est transformé en onde électromagnétique En réception : la composante électrique du champ électromagnétique génère un courant électrique dans le câble qui sort de l antenne L énergie est conservée, même si l énergie entrante n est jamais égale à l énergie sortante à cause des pertes plus ou moins importantes liées aux interfaces entre les deux milieux : Interférences électromagnétiques Transformation en chaleur Atténuation liée au câble et aux connecteurs etc. 7.4.3 Les différents types d antennes S il existe plusieurs types d antennes ce n est pas pour des raisons esthétiques mais bien parce qu il existe des utilisations différentes. Les caractéristiques d une antenne : La bande de fréquence dans laquelle elle va capter les ondes et les transformer en signaux électriques (Une antenne est dite pointue si sa bande de fréquence en réception est très mince). La zone autour d elle dans laquelle elle est capable de capter ces ondes (diagramme de rayonnement). Plus cette zone est importante, plus l antenne pourra capter de signaux, mais en même temps ce ne sont pas forcément tous des signaux que l on souhaite capter Sa capacité à concentrer un signal pour en augmenter la puissance : la directivité et le gain La taille et la forme de l antenne ne sont donc que la conséquence de l objectif visé en utilisant cette antenne. Théoriquement toutes les formes d antennes pourraient être utilisées pour capter n importe quel signal, mais suivant les types d antennes, de nombreuses contraintes peuvent apparaître pour atteindre les objectifs visés : Taille trop grande de l antenne qui la rend irréalisable ou impossible à gérer (antenne râteau de plusieurs mètres par exemple) Coût trop important par rapport au service à rendre Système de pointage trop onéreux si l on souhaite réaliser un alignement précis Signal de mauvaise qualité Il y a deux types d antennes parmi les plus courants : Les antennes Yagi, dites râteau : elles sont surtout utilisées pour les communications terrestres télé (VHF, UHF) et radio. On ne les décrira ici que par comparaison avec les antennes paraboliques pour mieux comprendre les avantages de ces dernières dans les communications avec les satellites Les antennes paraboliques : ce sont elles qui vont nous intéresser ici car elles sont utilisées pour la communication avec les satellites

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 295 Chapitre 8 TECHNOLOGIE DES SATELLITES 8.1 PLATES-FORMES DE SATELLITE Recréer totalement un satellite pour chaque mission ne serait pas rentable, d autant qu au-delà du matériel embarqué lié à la mission elle-même, il existe quelques fonctions communes à tous les satellites : Alimentation électrique : chaque satellite nécessite de disposer d électricité. Ce qui varie, c est la quantité d électricité dont doit disposer le satellite, et s il doit garder une totale autonomie pendant les phases d éclipses Contrôle de l attitude et positionnement : tout satellite doit savoir comment il se positionne sur son orbite et pouvoir la corriger si besoin Système de propulsion : Il permet au satellite de se positionner sur son orbite définitive, notamment pour l insertion en orbite géostationnaire Contrôle de température du satellite : exposé aux rayonnements solaires sur une partie de sa surface extérieure, et réchauffé à l intérieur par ses différents composants électroniques (la puissance électrique est en grande majorité diffusée sous forme de chaleur), le satellite peut voir ses fonctionnalités réduites. Il faut donc contrôler la température interne et externe Communication de contrôle avec le sol : que ce soit pour recevoir des ordres ou envoyer les informations sur son état de santé, le satellite doit pourvoir communiquer avec les stations de contrôle au sol Collecte des informations de fonctionnement : tous les indicateurs issus des différents composants doivent pouvoir être centralisés afin d être envoyés vers les stations de contrôle au sol Antennes et système de communication : les satellites de communication ou de diffusion audiovisuelle fonctionnent tous sur le même principe, et seules les fréquences et le nombre de transpondeurs varient de façon importante Interface avec le lanceur : Le satellite n est pas un simple paquet embarqué par le lanceur. Il interagit avec lui sur la plate-forme de lancement et tout au long du vol, par exemple pour le transfert d indicateurs

296 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités sur son état. Les interfaces satellites / lanceurs sont normalisées et complexes pour garantir une parfaite homogénéité de l ensemble Déploiement du satellite en orbite : Replié sur lui-même sous la coiffe du lanceur, le satellite doit se déployer en vol. Cette opération augmente en complexité au fil des années car les panneaux solaires ont des surfaces de plus en plus grandes, et de nombreux modèles d antennes souples de très grandes surfaces apparaissent Plutôt que de réinventer la roue à chaque nouvelle mission, les constructeurs s appuient sur des plates-formes types qui disposent de toutes ces fonctionnalités, et qui permettent en plus d héberger une charge utile propre à chaque satellite. En spécialisant les missions de chacun, les satellites sont plus fiables et moins coûteux : Fournisseur de la plate-forme satellite : il rentabilise un développement avec de nombreuses utilisations de sa plate-forme et en améliore sans cesse la qualité, par exemple en utilisant des batteries ou des panneaux solaires plus efficaces Développeur de la mission spécifique : il bénéficie de l expérience de la plate-forme et peut se concentrer sur la partie spécifique de sa mission Chaque plate-forme a ses limites, et en fonction de la mission, seules quelques plates-formes types peuvent être utilisées, notamment en fonction de la puissance électrique nécessaire, de la taille de la mission embarquée, de l orbite cible du satellite, de sa durée de vie, etc. Les plates-formes de satellites sont globalement spécialisées par types de mission (scientifique, communication, observation radar, etc.) car chacune de ces missions possèdent ses propres contraintes tant en terme de protection des composants internes, de capacité électrique, de puissance de communication, etc. Figure 337 Quelques plates-formes de satellite

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 297 8.2 ALIMENTATION ELECTRIQUE L alimentation est au cœur du bon fonctionnement du satellite. Sans électricité, le satellite n est plus qu un objet immobile, incapable de communiquer, de se positionner, de déterminer et de modifier son attitude, etc. Les besoins en électricité varient d un type de satellite à l autre. Les plus consommateurs sont certainement : les satellites de communication qui doivent diffuser des flux importants vers la Terre, les satellites d observation radar qui nécessitent d émettre des flux puissants d ondes vers la Terre pour les recevoir ensuite et les analyser, avant de retourner les résultats vers le sol les satellites d observation infrarouge qui ont besoin de maintenir la température de leurs appareils électroniques proches du zéro absolu La capacité électrique nécessaire est déterminée dès la phase de conception du satellite, et va déterminer le choix de la plate-forme qui saura fournir cette puissance à partir de ses panneaux solaires, et si besoin à partir de ses batteries quand les phases d éclipse sont contraignantes pour la mission. Avec une durée de vie espérée du satellite d une quinzaine d années, le processus d alimentation électrique doit permettre de fournir la puissance nécessaire durant toute cette période. La première solution est d utiliser une source interne. L énergie peut être fournie par une source d énergie fonctionnant sur le long terme comme des piles nucléaires. Cette solution est viable pour des sondes lancées loin du Soleil car le rayonnement solaire est trop faible et ne permet pas d utiliser des panneaux solaires. Elle est par contre risquée pour les satellites autour de la Terre, car ils finissent toujours par retomber sur notre planète et pourraient être sources de pollution La seconde solution est de profiter d énergie externe arrivant en permanence sur le satellite comme le Soleil qui est une source d énergie inépuisable, du moins sur la durée de vie du satellite. Il fournit un peu plus de 1 200 Watts par mètre carré aux voisinages de la Terre. Les technologies actuelles des panneaux solaires ne permettent pas de capter plus de 20% de cette énergie, soit 240 Watts par mètre carré. Si l alimentation du satellite nécessite 15 kilowatts, il faudra compter sur un minimum de 63 m 2 de surface de panneaux. Elle peut être réalisée par deux panneaux de 32 m 2, soit 3 mètre de large par 11 mètre de long. Il faut tenir compte lors de la conception du facteur vieillissement des panneaux solaires et de leur efficacité qui diminue en cours de vie. La taille nécessaire est alors celle qui permet de fournir la puissance nécessaire en fin de vie du satellite, en tenant compte de cette baisse d efficacité, soit des panneaux beaucoup plus grands que nécessaire en début de mission. A noter également que toutes les puissances ne sont pas disponibles car la taille des panneaux solaires est limitée par plusieurs contraintes : Complexité du déploiement : Les panneaux solaires sont des organes mécaniques qui doivent être repliés au lancement quand le satellite se trouve sous la coiffe de la fusée. Ils doivent ensuite être déployés mécaniquement une fois en orbite et tout blocage durant cette phase met en péril l ensemble de la mission Masse par rapport à l ensemble du satellite : Les panneaux solaires sont des composants dont la masse est grande. Multiplier leur surface entraîne tout de suite une masse importante de ce composant par rapport à la masse du satellite, et notamment celle qui est réellement efficace, c'est-à-dire celle qui sert à la mission elle-même C est pourquoi des intégrateurs commencent à proposer des panneaux solaires souples, permettant de lever ces deux contraintes.

298 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 338 La taille des panneaux solaires détermine la puissance directe du satellite Pour fonctionner le plus efficacement possible, les panneaux solaires doivent être tournés précisément en direction du Soleil. Dans le cas contraire, la surface face au Soleil est réduite et la puissance fournie diminuée d autant. Les panneaux sont liés au satellite via des raccords qui permettent au système de contrôle d orienter les panneaux vers le Soleil. Malgré cela, le satellite peut se trouver parfois dans l ombre de la Terre, incapable alors d utiliser ses panneaux solaires : Orbite basse : Avec une période d environ 90 minutes, un satellite en orbite basse passe seize fois par jour dans l ombre de la Terre, qui représente environ un tiers de son orbite. Il ne pourra pas utiliser ses panneaux solaires pendant souvent plus de huit heures par jour. Ces valeurs varient ensuite suivant l inclinaison de l orbite Orbite géostationnaire : Les phases d éclipses sont plus rares car elles ne se produisent qu autour des équinoxes, deux fois par an, quand le plan équatorial de la Terre dans lequel orbitent les satellites géostationnaires, se trouve sur le plan de l orbite de la Terre autour du Soleil (plan de l écliptique). Elles se produisent alors la nuit pour la zone couverte par le satellite, et durent 70 minutes au maximum. A noter que pendant ces périodes d équinoxe, la position opposée en plein jour (satellite placé directement entre la Terre et le Soleil) peut créer des interférences suffisantes pour perturber les liaisons avec le satellite. Pendant les phases d éclipses, la puissance électrique est fournie par des batteries internes. Elles sont rechargées entre deux éclipses, en prélevant une partie de l énergie produite par les panneaux solaires. Le bilan total des besoins électriques du satellite doit prendre en compte ce chargement plus ou moins fréquent des batteries, qui s ajoute à la puissance instantanée demandée par les différents équipements. Il arrive toutefois, notamment pour les satellites très consommateurs en énergie, qu il faille arrêter une partie des composants les plus énergivores pendant ces périodes (transpondeurs sur les satellites de communication et audiovisuels, arrêt des mesures radar, etc.) si les batteries ne suffisent pas (ou ne suffisent plus avec le temps) à couvrir les besoins.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 299 Le point faible des batteries est leur incapacité à réaliser des cycles fréquents de charge et de décharge sans perdre en efficacité. En orbite basse, ce sont plus de 5 000 cycles annuels qui sont réalisés, limitant la durée de vie des batteries actuelles à un peu plus de 5 ans. Figure 339 Phases d éclipse et nécessité d utiliser les batteries 8.3 PROTECTION CONTRE LES VARIATIONS DE TEMPERATURE Un satellite est soumis à deux sources de chaleur : Le flux solaire : Une côté du satellite est toujours face au Soleil alors que le côté opposé est à l ombre, et qu un autre côté peut être légèrement éclairé par le rayonnement solaire réfléchi par la Terre. Ces différences génèrent des variations de -100 C à +10 0 C entre deux faces du satellite L électronique interne : la quasi-totalité de la puissance électrique est dissipée sous forme de chaleur

300 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 340 Bilan des flux thermiques du satellite Il est important de maîtriser ces températures pour deux raisons principales : Déformation de la structure : La structure se dilate et se contracte en passant de +100 C à 100 C, dans des délais relativement courts pour les orbites basses. Ces déformations peuvent fragiliser la structure et rompre des connexions internes et externes, entraînant la perte du satellite Température limite de fonctionnement des appareils électroniques : Les appareils ont été testés et validés en laboratoire par rapport à une température de fonctionnement donnée. Respecter cette température dans le satellite va garantir la durée de vie prévue du composant. Cela complique également le choix des composants à utiliser puisqu ils doivent tous être efficaces dans la même plage de température, sans quoi plusieurs zones de température différentes devraient être gérées, compliquant encore la situation Sur Terre, ces températures seraient facilement gérées, voire naturellement maîtrisées par les courants de convection créés par la chaleur. Dans le vide spatial, ce n est pas le cas, la convection étant créée sur Terre par le déplacement des molécules d air, absentes dans le vide spatial. Le transport de la chaleur ne peut donc se faire que par conduction ou rayonnement. La stratégie de gestion de la température est au final assez simple, et la plupart du temps basée sur des composants totalement passifs : Empêcher les échanges de chaleur issus de l extérieur : Les satellites sont recouverts de matériaux souples et brillants qui ne sont rien d autre que des isolants. Ils empêchent à la fois le rayonnement solaire d atteindre la structure en le réfléchissant, mais également empêche le froid du vide spatial de pomper la chaleur du satellite. Ces couches sont souples et se déforment légèrement en fonction de leur position éclairée ou à l ombre du Soleil, sans que la structure propre du satellite ne subisse de déformation Evacuer la chaleur interne : Pour la chaleur produite à l intérieur, une seule solution, l évacuer par conduction, c'est-à-dire en laissant la chaleur se propager de l intérieur à travers des pièces de métal fortement conducteur, jusqu à l extérieur où elle s évacue sous forme de rayonnement infrarouge Dans les cas extrêmes où des températures élevées ne peuvent pas être évacuées par des systèmes passifs, des solutions actives peuvent être utilisées (transport de la chaleur à travers des gaz vers l extérieur). C est souvent le cas pour les satellites de communication dont les transpondeurs sont très consommateurs d électricité, et par conséquence, émettent une forte chaleur. L intérieur d un satellite est un système en équilibre qui doit garantir la température cible constante de fonctionnement des composants. Lors des éclipses ou des opérations de maintenance, quand il est nécessaire d arrêter certains composants, la chaleur interne produite va baisser. Si le système d évacuation de la chaleur est passif, il risque de faire baisser la température interne plus bas que la plage supportée par les composants.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 319 9.1 PREPARATION DU VOL 9.1.1 Acheminement des composants du lanceur Les différentes parties du lanceur sont rarement construites sur le lieu du lancement. Il faut donc prévoir leur acheminement sur le site d assemblage. Ceci est d autant plus vrai aujourd hui que les compétences techniques et les infrastructures nécessaires à la réalisation de certaines parties sont souvent limitées dans le monde et impose d utiliser des usines très éloignées du site de tir. Pour Ariane 5, s ajoute à ces contraintes la répartition de la charge industrielle de réalisation des différentes parties du lanceur entre les pays collaborateurs, pour la plupart Européens. C est aussi le cas pour les autres lanceurs utilisés depuis Kourou, le VEGA Italien et le Soyouz Russe. Le transport nécessite l utilisation d engins de tailles considérables, souvent créés pour cette seule mission, et répondant aux critères de sécurité et fiabilité qu imposent de telles charges. Figure 355 Acheminement des composants du lanceur 9.1.2 Assemblage du lanceur Deux méthodes s opposent depuis les tous débuts de l ère spatiale pour ce qui est de l assemblage du lanceur et par conséquent de la façon dont il sera transporté sur l ère de lancement : l assemblage vertical ou l assemblage horizontal. La première méthode, historiquement utilisée par les américains et les européens, est d assembler la fusée verticalement. Avantages : Le lanceur est déjà dans sa position de tir, ce qui évite d avoir à le relever ensuite (moins de contraintes physiques imposées au lanceur, donc moins de risques) Validation technique plus efficace car tous les éléments sont déjà dans la position du lancement. Il y a moins de risque de s apercevoir d un défaut d assemblage une fois sur la table de lancement

320 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Inconvénients : Nécessite des bâtiments très hauts avec une infrastructure spécifique à chaque lanceur car il est nécessaire de disposer de plan d accès pour chaque étage de la fusée (chaque lanceur dispose de caractéristiques spécifiques de hauteur et d étage) Nécessite un système de transport à la fois puissant (la fusée verticale repose sur une très petite surface au sol) et très fiable pour éviter tout risque (la fusée ne repose que par son propre poids sur la table) Impose des systèmes de levage puissants et précis pour manipuler à des hauteurs élevées les différents composants du lanceur Figure 356 Assemblage vertical du lanceur La seconde méthode est d assembler le lanceur horizontalement, et est utilisée historiquement par les lanceurs soviétiques, mais aussi par tous ceux qui dérivent de cette technologie. Avantages : Facilité de manutention des éléments car il n est pas nécessaire de les élever très haut Bâtiments d assemblage moins contraignants car moins hauts et poids de la fusée réparti sur une plus grande surface Plus adapté à une production industrielle en masse car les contraintes techniques d assemblage facilitent les montages à la chaîne Transport plus facile et moins risqué Inconvénients : La validation technique de l assemblage ne peut être que partielle car elle n est pas représentative de la position finale du lanceur sur son pas de tir Nécessite d utiliser un système de relevage pour placer la fusée en position verticale sur la table de lancement

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 321 Risques de détérioration ou de mouvement de pièce lorsque que le lanceur est relevé La grande taille de certaines fusées favorise aujourd hui l assemblage horizontal, comme pour le lanceur FALCON 9 de SPACE X. Figure 357 Assemblage horizontal du lanceur 9.1.3 Comment la fusée est-elle amenée sur le pas de tir? De la méthode d assemblage va dépendre le moyen de transport du lanceur, horizontal ou vertical. Mais dans tous les cas le transport impose de ne pas endommager le lanceur. Il faut se déplacer lentement, sûrement, à un rythme régulier pour limiter les vibrations et réduire les risques de mouvement des composants assemblés.

322 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 358 Transport vertical du lanceur Transporter horizontalement la fusée est plus simple mais impose ensuite une manœuvre complexe et risquée de redressement du lanceur sur son pas de tir.

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 335 Chapitre 10 MISSIONS DANS LE SYSTEME SOLAIRE 10.1 PROBLEMATIQUE DE CE TYPE DE VOL Organiser des missions en dehors de l influence gravitationnelle de la Terre impose de prendre en compte des paramètres bien plus complexes que les simples mises sur orbite proche : Augmentation des délais : Si une mise en orbite proche se fait en quelques heures et quelques jours ou semaines pour une orbite géostationnaire, une mission vers les autres planètes dure des mois pour les objets les plus proches et des années pour les corps les plus lointains. La durée de vie du satellite et des composants doit prendre en compte ces durées Influence des autres corps : Si la Terre domine largement, sur le plan gravitationnel, les 30 000 kilomètres qui l entourent, ce n est plus le cas au-delà. Même les satellites géostationnaires commencent à ressentir suffisamment l influence de la Lune pour subir des dérives le long de leur orbite. Passée la Lune, l influence du Soleil domine l espace entre les planètes. Aux abords de ces corps massifs, la gravité des planètes domine localement. La trajectoire suivie par une sonde est issue d un calcul complexe qui cherche à tenir compte au mieux de ces changements d influence Alimentation en énergie réduite : S éloigner du Soleil pour visiter les planètes externes implique moins d ensoleillement des panneaux photovoltaïques. L alimentation des sondes est plus efficace dans le sens où chaque opération est strictement évaluée et conçue pour être la moins énergivore possible. Mais comme l alimentation reste nécessaire, des solutions alternatives, souvent nucléaires, sont utilisées Communication réduite : Les délais de communication augmentent alors que le corps s éloigne. Les sondes doivent être encore plus autonomes que les satellites proches car elles doivent prendre la plupart des décisions urgentes sans attendre une validation de la terre qui peut nécessite plusieurs heures entre l envoi de la question et la réception de la réponse. La proximité d astres massifs comme les planètes externes ou le Soleil pour les missions internes perturbent aussi les communications.

336 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités En tenant compte de ces contraintes, chaque mission reprend les grandes lignes des opérations de lancement, navigation et mise à poste décrites précédemment. Elles sont simplement étalées dans le temps, plus complexes ou réalisées de nombreuses fois sur la trajectoire souhaitée. Les types de mission peuvent aujourd hui être résumés à : Mise en orbite autour d un corps : C est la mission la plus classique d exploration. La sonde est lancée depuis la Terre afin d atteindre la zone d influence gravitationnelle d un corps et de s y insérer. Ce type de mission se décline ensuite en fonction de la présence ou non d un atterrisseur, des instruments embarqués, de la durée de vie de la mission, etc. Ce type de mission ne concerne pas que les planètes et des missions autour d astéroïdes et de comètes sont fréquentes. Ces missions sont dédiées à l analyse sur le long terme de l activité de l objet étudié Visite de plusieurs objets : Au lieu de se placer en orbite autour d un corps, la sonde suit une trajectoire permettant le survol de plusieurs objets consécutivement, sans se placer en orbite autour d un des corps. Très en vogue au début de l ère spatiale, ces missions permettaient à moindre coût d obtenir un panorama global du système solaire en quelques missions (Pioneer, Voyager, etc.) Positionnement sur une orbite précise dans l espace : certaines positions dans l espace sont idéales car l influence gravitationnelle de quelques corps stabilise les sondes qui sont positionnées. Ces points particuliers, nommés points de Lagrange, permettent de maintenir une station d observation dans une position fixe par rapport à la terre, avec une consommation très réduite d ergols Retour d échantillons : Si pour l instant seules quelques missions de ce type ont été tentées (et très peu avec succès), ce pourraient certainement être les missions les plus courantes dans quelques dizaines années. Bien que plus complexes à mettre en œuvre elles évitent toutefois de mettre en danger des équipes humaines pour collecter des échantillons, même si la présence d un géologue confirmé sur place permet de garantir la diversité et la qualité des roches collectées Figure 371 Diversité des missions hors de l influence de la terre

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 337 10.2 ASSISTANCE GRAVITATIONNELLE POUR AUGMENTER LA VITESSE La trajectoire qui semble à première vue la plus simple pour envoyer une sonde à proximité d une planète du système solaire est l orbite de transfert (Périgée en orbite basse de la terre, au point d injection, et apogée aux alentours de l orbite de la planète visée) car elle minimise le trajet à parcourir. L énergie nécessaire est toutefois trop importante et imposerait de privilégier les ergols emportés au détriment du matériel nécessaire à la mission elle-même. Prenons l exemple d une sonde envoyée vers Jupiter : le delta V nécessaire pour passer de l orbite terrestre à Jupiter est de 9 km/s, soit à peu près l équivalent du delta V qui est nécessaire pour atteindre l orbite basse de la Terre. Pour atteindre les planètes encore plus éloignées ce delta V doit être encore plus grand. Une première solution est d utiliser des moteurs à grand ISP, capable de fournir une faible impulsion mais sur une grande période. Le trajet sera plus long en temps et en distance car il faudra faire de nombreuses boucles d accélération pour atteindre la vitesse nécessaire. La seconde solution, celle qui est la plus utilisée, utilise l assistance gravitationnelle (parfois appelé effet de fronde) des planètes pour accélérer la sonde. Le trajet sera plus long car il nécessitera plusieurs survols de planètes pour atteindre la vitesse requise. En contrepartie, l énergie nécessaire à l accélération n étant pas fournie par la sonde, la quantité d ergols à embarquer est plus faible. Pour un trajet Terre / Jupiter, cela représente une masse d ergols seize fois moins importante si l on utilise l assistance gravitationnelle plutôt que de laisser la sonde chercher à rejoindre la planète par ses propres moyens. D où vient cette accélération? Tout simplement de la planète et du fait qu elle se déplace elle aussi dans l espace autour du Soleil. Que se passe-t-il? La sonde s approche de la planète par l arrière, c'est-à-dire dans la même direction de mouvement que la planète et entre dans sa sphère d influence gravitationnelle (la trajectoire de la sonde est toutefois suffisamment éloignée pour pénétrer dans la sphère d influence, mais sans toutefois être capturée totalement et s écraser sur la planète) L influence gravitationnelle de la planète s exerce sur la sonde qui voit sa trajectoire se courber et sa vitesse accélérer, mais non pas dans la direction de sa trajectoire mais dans la direction de la composée de sa vitesse et de celle de la planète La sonde dépasse la planète car sa vitesse est plus grande que la vitesse d évasion. Elle ralentit en s éloignant car l effet de l influence gravitationnelle s inverse et attire la sonde dans la direction opposée. En quittant la sphère d influence, elle a alors perdu la vitesse quelle a gagné en s approchant de la planète Bien que la sonde ait perdu en s éloignant la vitesse gagnée en s approchant de la planète, l opération n est pas nulle. La vitesse de la sonde a totalement changé : sa direction a été modifiée et la trajectoire courbée, et sa vitesse dans le référentiel du Soleil est beaucoup plus importante qu avant car la planète lui a communiqué une partie de sa vitesse

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 361 Chapitre 11 TOUT NE FONCTIONNE PAS TOUJOURS COMME PREVU 11.1 PANNE D UN DES SOUS-SYSTEMES D UN SATELLITE Une fois en orbite, la durée de vie des satellites dépend de la durée de vie de ses sous-systèmes. Certains sont plus critiques que d autres sur le court terme, mais à moyen terme, la défaillance d un composant réduira drastiquement la durée de vie réelle de l engin. Par durée de vie, on entend ici la durée pendant laquelle ce satellite rend le service pour lequel il a été conçu et placé en orbite. Même totalement arrêté, le satellite continue d exister, et s il n a pu être dégagé (avant qu il ne réponde plus) de sa position orbitale vers une position sans danger pour les autres engins, il continuera d occuper cette position ou dérivera dangereusement vers d autres positions.

362 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 396 Quelques exemples de panne d un sous-système 11.2 APOLLO XIII : REVENIR RAPIDEMENT OU TOURNER AUTOUR DE LA LUNE? En avril 1970, Apollo 13 est la troisième mission de la NASA avec pour objectif de poser un engin habité sur la Lune. Ce type de mission est plus complexe que le lancement d un satellite : Masse bien supérieure à placer en orbite de transfert Trajectoire complexe d une orbite permettant d aller rejoindre la Lune et de se mettre en orbite Plusieurs jours de voyage Variation de l influence gravitationnelle au cours du voyage, passant de celle de la Terre à celle de la Lune à l aller, pour revenir à celle de la terre au retour Presque 56 heures après le décollage, alors que le module se trouve à 320 000 km de la Terre, un incident provoque la détérioration du module et une fuite importante d oxygène. S il semble alors rapidement évident au vu des dégâts que la mission ne pourra pas se poursuivre avec les objectifs prévus, de nombreuses interrogations se font sur la façon de ramener sur Terre le module et ses occupants sains et saufs. C est tout l intérêt de cet exemple qui démontre l importance de la maitrise des lois régissant les orbites et les trajectoires pour prendre la bonne décision, le plus rapidement possible. Quelle est la situation au moment de l incident? Quantité d oxygène disponible relativement faible car une grande partie a été perdue dans l espace Electricité disponible faible également, une grande partie étant produite par des systèmes utilisant oxygène et hydrogène Protection externe du vaisseau endommagée Etat général des moteurs et des réservoirs inconnus, sans capacité d évaluer les risques de les utiliser Le vaisseau se trouve alors sous l influence gravitationnelle de la Lune Il faut alors réagir rapidement et faire un choix parmi les différentes options disponibles. Le temps compte car le vaisseau continue de s éloigner de la Terre. Si une décision de retour doit être prise, chaque millier de kilomètres parcouru en direction de la Lune le temps de prendre cette décision devra être parcouru en sens inverse. Quelles sont alors les options disponibles?

Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 363 La première qui vient en tête est le demi-tour immédiat et retour vers la Terre, mais ce qui est simple à faire avec une voiture ne l est pas dans les conditions du vol spatial. Sous l influence gravitationnelle de la Lune, l énergie nécessaire pour transformer l orbite actuelle en une nouvelle orbite ramenant le vaisseau à proximité de la Terre est trop importante. Il faut en effet tenir compte des ressources nécessaires, de l état inconnu du matériel qui pourrait limiter la puissance théorique des moteurs, et en plus intégrer les phases finales qui seraient nécessaires pour la rentrée dans l atmosphère terrestre, coûteuse en énergie également Figure 397 Solution 1 : Demi-tour et retour vers la terre La seconde solution, celle qui a été retenue, cherche à utiliser au minimum les moteurs et les ergols disponibles afin de les conserver au maximum pour garantir la phase de retour dans l atmosphère, tout en limitant au maximum le temps passé en vol à cause du manque d oxygène. Pour cela, les ingénieurs se basent sur une orbite permettant de s approcher suffisamment près de la Lune pour en subir l attraction, sans toutefois être capturé (free return trajectory). La trajectoire initiale est courbée et accélérée, formant un HUIT caractéristique, et la trajectoire de sortie se trouve alors vers la Terre. Il faut noter que l intérêt de cette orbite est de raccourcir à peu de frais la trajectoire de retour. L orbite elliptique sur laquelle était le vaisseau au départ de la terre reviendrait de toute façon sur Terre, mais en parcourant une distance beaucoup plus grande en un délai beaucoup plus long. Cette orbite est celle sur laquelle étaient placés en début de vol les vaisseaux Apollo et permet de s approcher suffisamment de la Lune sans toutefois être capturé par son attraction gravitationnelle. L intérêt de cette trajectoire est de permettre en cas de problème un retour sur Terre sans avoir à intervenir sur les orbites, notamment en cas de panne des moteurs d insertion en orbite lunaire. Afin d optimiser les ressources, à partir de la mission Apollo 12, la trajectoire de retour libre initiale était modifiée après quelques dizaines d heures en cours de vol vers une orbite permettant l injection en orbite lunaire. Auparavant, cette modification de trajectoire était faite de façon moins efficace en fin d approche, au plus près de la Lune. Au moment de l accident, Apollo 13 avait déjà réalisé cette modification d orbite et ne se trouvait déjà plus sur la trajectoire de retour libre. La première opération a donc consisté à regagner cette orbite. Ce sont les moteurs du module de descente lunaire (LEM) qui ont été utilisés pour réaliser cette correction de trajectoire ainsi que sur les quelques corrections de trajectoire qui ont été réalisées par la suite.