Colloque « Espace et éducation »

Vie et mort d'un satellite

Claire Fremeaux,, sous-direction des opérations, service de mécanique spatiale opérationnelle, Cnes, Toulouse

Je suis responsable du contrôle d'orbite des satellites Télécom 2 maintenus à poste pour le compte de France Télécom et du ministère de la Défense. Leur orbite est géostationnaire, leur altitude est élevée et leur période de révolution est d'environ un jour. Cette présentation s'appuiera également sur les satellites Spot, d'orbite basse, à 800 kilomètres d'altitude. Leur orbite est polaire, soit quasiment perpendiculaire à l'équateur, et héliosynchrone.

Vie d'un satellite

Fonctions de bord vitales

Un satellite est conçu pour remplir des missions très diverses. Le satellite se compose de deux parties. La "charge utile" désigne les équipements qui remplissent la mission : télescopes, caméras, instruments de mesure de l'environnement, radars, etc. La "plateforme" désigne le camion dans lequel cette charge utile est située. Elle assure des fonctions de base.

Protection

L'environnement spatial est extrêmement hostile. Sur Terre, nous en sommes protégés par l'atmosphère. Les satellites évoluent dans le vide, soit sans pression atmosphérique. Un certain nombre de matériaux ne sont donc pas stables. Ils s'effritent et émettent un certain nombre de petites particules, il s'agit du dégazage. Ces particules peuvent avoir des conséquences imprévues sur le satellite.

Tous les équipements du satellite sont soumis à des fluctuations thermiques très importantes. Il peut y avoir facilement 200 degrés Celsius de différence entre la face à l'ombre et celle exposée au Soleil. Les équipements électriques ne sont pas prévus pour fonctionner dans de telles gammes de température qui occasionnent également des déformations thermoélastiques sur de nombreux matériaux. Les équipements soumis à des cyclages de température très importants vieillissent prématurément. Le Soleil "bombarde" l'espace de rayonnements dans toutes les gammes du visible, infrarouges, ultraviolets... et de nombreuses particules plus ou moins énergétiques et à plus ou moins grande vitesse. Ces dernières abîment les matériaux et provoquent des dégradations sur tous les éléments numériques, ceux liés à la mémoire, les semiconducteurs, etc. Pour les satellites en orbite basse, l'atmosphère résiduelle est extrêmement riche en oxygène atomique, qui est très corrosif pour les matériaux. Les micrométéorites, enfin, peuvent provoquer des perforations. Il s'agit de petits éléments qui se détachent du noyau d'une comète quand elle passe près du Soleil. Ils augmentent et se disséminent le long de la trajectoire de la comète au fil du temps. Tous les ans, à certaines périodes, la Terre passe dans les trajectoires de plusieurs comètes, c'est ce qui donne les pluies d'étoiles filantes du mois d'août ou les pluies de météorites.

Toutes les attaques, rayonnements, protons, électrons, etc. obligent à faire de très nombreux tests car il n'est pas possible d'effectuer dans l'espace des réparations de matériaux électroniques standards. Il s'agit donc de matériaux développés spécifiquement pour le spatial.

Régulation thermique

Les équipements à bord du satellite subissent de grandes variations alors qu'ils sont généralement qualifiés au sol pour fonctionner entre -10 et 50 degrés Celsius. Nous utilisons donc des revêtements spéciaux pour "carapacer" le satellite. Ses faces sont généralement métalliques, argentées ou dorées à l'extérieur et un revêtement noir est mis en place à l'intérieur pour limiter les accumulations et les déperditions de chaleur. Par rapport aux endroits froids, nous installons des petites résistances chauffantes partout dans le satellite. Le refroidissement est plus difficile. Des systèmes appelés "caloducs" ou "boucles fluides" fonctionnent avec des fluides biphasiques, comportant une phase liquide et une phase vapeur. La vaporisation puis la condensation de ces produits dissipe de l'énergie thermique, la vapeur occupe plus de place et se déplace vers les points froids où elle se condense. Nous utilisons aussi des radiateurs qui sont des surfaces très dissipatives pour évacuer la chaleur excédentaire à l'extérieur du corps du satellite.

Énergie électrique

Elle est indispensable car le satellite meurt s'il n'en a plus. Un sous-système est chargé de la récupérer, la stocker et la distribuer. Il s'agit entièrement d'énergie solaire, soit une énergie a priori inépuisable. Elle vient de grands panneaux solaires constitués de milliers de petites cellules qui doivent être orientés vers le Soleil en permanence pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique. Ces panneaux font plusieurs mètres carrés et ne logent pas sous la coiffe du lanceur. Ils sont souvent pliés le long du satellite lors du lancement puis dépliés pendant les opérations de mise à poste. Ils sont très sensibles aux perforations provoquées par les micrométéorites et les divers impacts. Il convient donc de veiller à ce qu'une cellule abîmée et en court-circuit ne mette pas en jeu une surface trop importante du panneau solaire.


Perforation résultant d'un impact avec un débris (agrandissement). © Cnes.

La Terre passe très souvent entre le Soleil et les satellites : à chaque révolution pour un satellite d'orbite basse et deux fois par an, autour des équinoxes, pour les satellites géostationnaires (les éclipses de ces saisons durent entre 1 h et 1 h 30 et surviennent toutes les nuits). Pendant les éclipses, les rayons du Soleil n'atteignent pas les panneaux solaires. L'énergie électrique est alors distribuée par des batteries, lesquelles sont reconnectées aux panneaux solaires après les éclipses afin d'être rechargées. Le fonctionnement des batteries fait l'objet d'une surveillance rapprochée car un satellite ne peut pas survivre à une éclipse sans batterie.

Mouvement

Ce sous-système est très complexe. Il comporte deux parties : l'orientation (ou attitude) du satellite et la trajectoire (position et vitesse du satellite), on utilise des senseurs pour mesurer l'orientation et la trajectoire et des actuateurs pour les modifier.

Les senseurs d'attitude sont essentiellement terrestres, solaires, stellaires ou gyroscopiques. Ils donnent des informations d'angle par rapport à certains corps. Les actuateurs peuvent être, par exemple, des roues à inertie. Elles ont un mouvement cinétique important qui permet de donner une rigidité gyroscopique au satellite et, en faisant varier leur vitesse, d'absorber les perturbations extérieures.

La voile solaire est un procédé relativement récent qui permet de ne pas utiliser de carburant pour appliquer des couples. Elle utilise la force issue des particules venant des vents solaires : en orientant différemment les panneaux solaires du satellite, elle crée une dissymétrie de la force du vent solaire, ce qui permet de créer des couples pour piloter l'orientation du satellite. Les senseurs terrestres et la voile solaire sont utilisés uniquement en phase stabilisée de façon routinière. Les senseurs solaires sont principalement utilisés pour les autres phases : la mise à poste et en mode survie.

Les senseurs de trajectoire embarqués sont du type GPS ou Doris. La plupart d'entre eux sont cependant à terre. Les stations mesurent l'orbite du satellite. Les actuateurs sont des tuyères consommant du carburant ou de l'ergol pour délivrer des poussées ou forces. On ne peut pas modifier la vitesse d'un corps en orbite dans le vide sans éjection de matière.

Communication

Le satellite émet de la télémesure. Elle peut être de deux types. La télémesure "servitude" indique l'état du satellite lors de la mise à poste. La télémesure "charge


Senseurs terrestres d'un satellite. © Cnes.

utile" transmet le cœur de la mission du satellite. Il peut s'agir d'images, lesquelles sont très volumineuses et nécessitent de grandes bandes passantes.

Le satellite reçoit des ordres par télécommande. La liaison est souvent cryptée pour éviter les erreurs de transmission mais également pour que des entités externes ne puissent pas commander le satellite.

Autonomie

Le logiciel de bord a de plus en plus d'importance. Un satellite en orbite basse n'est pas toujours visible depuis les stations. Il est donc nécessaire qu'il puisse stocker les images qu'il prend et de pouvoir lui envoyer des ordres qui seront exécutés plus tard. Le satellite peut mesurer lui-même l'état de certains de ses équipements et décider des mesures adéquates à prendre. Il gère ainsi le contrôle de son attitude, une grande partie du contrôle thermique, les batteries par rapport au passage des éclipses. À terme, il pourrait également contrôler son orbite.

Le satellite gère les pannes au premier niveau. Il les détecte, procède aux reconfigurations adéquates et passe alors tous ses équipements sur la branche redondante. Il appartient à l'homme d'analyser ce qui s'est passé, de trouver l'équipement fautif puis de repasser tous les équipements sur leur branche nominale. Si les reconfigurations opérées par le satellite ne suffisent pas, il passe en mode survie. Il s'agit d'un mode minimal qui, généralement, provoque la perte temporaire de la mission. Ce processus consiste à chercher le Soleil avec les cellules des panneaux solaires. De cette façon le satellite conserve de l'énergie.

Position et trajectoire

Les contraintes sont absolues ou relatives à d'autres satellites. Une même petite boîte de stationnement peut contenir de nombreux satellites. Ce procédé, le "copositionnement", est de plus en plus utilisé. De même, en orbite basse, des satellites se suivent ou gardent une configuration géométrique particulière.

Les contrôles d'orbite sont similaires aux actions réalisées lors de la mise à poste : mesure de l'orbite, calcul, réalisation et suivi de manœuvre, notamment en termes de consommation de carburant et d'évaluation de durée de vie. Leur fréquence varie selon les missions. Ils sont généralement hebdomadaires pour les satellites géostationnaires.

Rôle de l'homme

Les stations sol communiquent avec le satellite. Le centre de mission exploite, gère, planifie et organise la mission. Le centre de contrôle effectue le maintien à poste. Ce travail est effectué par des contrôleurs de satellite qui se relaient pour surveiller les écrans, reconfigurer les équipements sol si nécessaire, observer toutes les télémesures et mettre en œuvre des procédures en cas de problème. Il existe également des spécialistes bord, sol, orbite et mission. Ils ont pour rôle d'intervenir le plus vite possible en cas d'urgence.


Antenne de télémesure, télécommande et localisation. © Cnes.

Ces personnes surveillent et analysent le comportement en orbite, en temps réel ou différé. Les tendances sont examinées pour détecter d'éventuels fléchissements de fonctionnement des équipements. Quand ils vieillissent prématurément et menacent de tomber en panne, des systèmes ou des modes d'exploitation qui permettent de les économiser sont mis en œuvre. Ces spécialistes gèrent également les ressources bord, planifient, préparent et réalisent les très nombreuses opérations satellite. Elles maintiennent et font évoluer le système sol, les compétences et la mémoire technique. Ceci est essentiel du fait que les missions durent souvent plus de 10 ans. Enfin, ces personnes adaptent ou prolongent la mission.

Maladies et défaillances

Les équipements pouvant vieillir ou subir des pannes brutales, des mesures préventives sont mises en place pour éviter que cela ne provoque la perte de la mission. De nombreux tests sont effectués avant le lancement. Tous les équipements sont redondés. La surveillance est très intense.

Lors des risques de claquage électrostatique liés aux pluies de météorites, les équipements électriques non indispensables sont éteints, les manœuvres sont interdites et les panneaux solaires sont positionnés parallèlement aux flux des micrométéorites pour éviter leurs impacts.

En cas de panne, l'équipement redondant est utilisé. Seules les fonctions logicielles peuvent être corrigées par téléchargement de logiciels pour réparer le bug et fournir un nouveau programme. Il existe également des mesures palliatives : la mission est exploitée en mode dégradé ou avec des performances moindres.

Mort d'un satellite

La durée de vie d'un satellite est décidée initialement par la mission. Tout le satellite est donc construit afin de la respecter. Quand le lancement échoue, le satellite est " mort-né ", ce qui est toujours une grande déception pour tous ceux qui y ont travaillé pendant plusieurs années.


Centre de contrôle satellite au Cnes. © Cnes.

La "mort subite" est la perte d'un "organe" essentiel alors qu'il s'agissait déjà de l'équipement redondant. Il n'est alors plus possible de commander le satellite.

La "mort anticipée" survient lorsque le satellite continue à fonctionner mais ne peut plus assurer sa mission. Sa vie est alors abrégée car il est devenu inutile.

La "mort programmée" correspond au cas standard. Le suivi de l'état des ressources du satellite montre qu'elles vont être épuisées de façon anticipée. Le retrait de service du satellite est alors programmé.

La "mort retardée" ou prolongation de la durée de vie du satellite est plus fréquente. Lorsqu'un satellite fonctionne bien, tous les moyens possibles pour qu'il perdure sont recherchés. Spot 1, par exemple, devait durer 2 ou 3 ans et il a, en réalité, duré 18 ans. À la fin de vie de tous les satellites de télécommunication géostationnaires qui fonctionnent bien, le contrôle de l'inclinaison, qui coûte très cher en carburant, est interrompu pour gagner plusieurs années en opérant le satellite en orbite inclinée. Il ne s'agit alors plus des mêmes missions.

Les débris spatiaux sont principalement générés par les hommes. Ils sont suivis par un organisme américain, le Norad, qui les recense et évalue leur position. Les débris spatiaux augmentent le risque de collision et donc de mort du satellite. Ils encombrent les régions opérationnelles. L'Onu a récemment pris en compte cette question de la protection de l'espace : elle a ainsi décrété que l'espace est une région universelle unique et protégée. Un organisme spécialisé, l'IADC, s'occupe de cette question. Il a émis des recommandations pour protéger l'orbite basse et la zone géostationnaire, et indique que les satellites en orbite basse doivent, en fin de vie, être descendus afin que leur rentrée naturelle dans l'atmosphère s'effectue en moins de 25 ans. Il n'est matériellement pas possible de faire redescendre sur Terre les satellites en orbite géostationnaire. Ils doivent être éjectés à plus de 300 kilomètres au-delà de leur orbite. Ces opérations coûtent du carburant, il est donc nécessaire d'estimer le moment où il reste suffisamment de carburant pour les réaliser. Cela est très difficile car il n'y a pas de jauge.

Lors d'une mort programmée, qui implique une planification des opérations, une date d'arrêt de mission est déterminée, ce qui n'est pas aisé. Une petite analyse de mission est ensuite effectuée pour évaluer les moyens sol et humains nécessaires. Après l'arrêt de la mission, le satellite est préparé. Les manœuvres de retrait des zones protégées de l'espace sont effectuées, la totalité des carburants restants est vidée et l'on essaie de dépressuriser les réservoirs afin de diminuer les risques d'explosion. Les batteries, enfin, sont déchargées et les émetteurs sont éteints.


Population des débris spatiaux au voisinage de la Terre. © Cnes.

Échanges avec la salle

De la salle : Lorsque vous décidez d'effectuer une manœuvre, quelles sont les procédures appliquées au sein du Cnes compte tenu du fait que le maillon faible peut être l'humain ?

Claire Fremeaux : Il s'agit d'un travail collectif. Le risque humain représente, en effet, une problématique importante car l'erreur humaine peut causer des pannes et la perte définitive d'un satellite. De nombreuses procédures sont donc en place. Une opération n'est jamais réalisée par une seule personne, un ingénieur ou un spécialiste est toujours présent lors des manœuvres, il existe des check-lists impératives pour toutes les étapes, des réunions de coordination sur les opérations concrètes sont organisées au minimum une fois par semaine... Les erreurs humaines n'ont pas toujours des conséquences catastrophiques. Il peut s'agir de "simples" oublis. L'important est de ne pas cacher l'erreur pour identifier les moyens d'éviter qu'elle se reproduise.

Sébastien Fourest : Pendant l'été 2001, un vol d'Ariane 5 a donné lieu à une mise en orbite très dégradée. Le satellite à bord, Artémis, était doté de propulsions plasmiques en plus des propulsions classiques. Les ingénieurs se sont penchés sur le problème et ont appliqué une procédure jusque-là très théorique : une mise à poste à partir des propulsions plasmiques. Elle a été très efficace alors que la force de la poussée a été très faible. Les ingénieurs sont néanmoins parvenus à faire la mise à poste.

De la salle : À terme, ne pourrait-on pas envisager de limiter l'occupation de l'espace par les satellites ?

Claire Fremeaux : Pour l'instant, les opérateurs considèrent qu'ils sont petits et donc que l'espace peut continuer à les accueillir.

De la salle : Le problème n'est pas géométrique mais radioélectrique.

Claire Fremeaux : Sur l'orbite géostationnaire, il existe un nombre croissant de satellites abandonnés : tous les satellites en panne et tous ceux dont tout le carburant a été utilisé pendant la mission. Ils représentent un danger pour les satellites à venir.

Sébastien Fourest : En fin de mise à poste, nous tenons compte de la position des satellites à proximité pour les éviter à l'aide de manœuvres.

De la salle : N'est-il pas possible d'envisager de nettoyer l'espace ?

Jacques Foliard : C'est une question d'argent : cela coûte très cher, pour les satellites en orbite géostationnaire, 1 tonne de carburant serait nécessaire pour les faire revenir, il ne resterait alors plus rien pour la mission.

Claire Fremeaux : De plus, il faut savoir que les opérateurs de ces satellites sont essentiellement commerciaux.

Sébastien Fourest : Des lois ont été faites non pour nettoyer l'espace mais pour éviter de le polluer. Lors de la constitution de l'engin, nous faisons en sorte qu'il n'y ait pas d'équipements trop denses. Le but est d'essayer de laisser les morceaux ensemble. Les plus grands débris sont issus des fusées russes lancées il y a 20 ans car les Russes avaient décidé de faire exploser les troisièmes étages pour qu'ils ne gênent pas. Ces débris représentent autant d'impacts possibles qui se déplacent à la vitesse de 8 kilomètres par seconde.

Actes du séminaire national - Les sciences de la vie et de la Terre au XXIème siècle : enjeux et implications 15 et 16 décembre 2004

Mis à jour le 15 avril 2011
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