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    Les éboueurs du ciel  
    Stefan Barensky - Air & Cosmos, no. 2357 - 2013-05-03      
    La menace posée par les débris spatiaux ne cesse de croître malgré les efforts pour limiter leur multiplication. l'ESA, le Cnes et le DLR étudient désormais l'élimination des plus dangereux.  
    Le 8 avril 2012, l'ESA perdait le contrôle d'Envisat, le plus gros satellite d'observation de la Terre en opération. Fortement décrié pour sa taille lors de son lancement en 2002, il avait été initialement conçu il la fin des années 1980, dans le cadre du programme Columbus, comme une plateforme visitable, complémentaire de l'ISS. Le programme a pris son autonomie en 1992, mais son architecture modulaire est restée avec une grande plateforme porte-instruments de 10 m de long, flanquée d'un panneau solaire de 16 m, et une réserve d'ergols insuffisante pour assurer une désorbitation autonome. Aujourd'hui, l'Europe se retrouve donc responsable d'une épave de huit tonnes, de la taille d'un autobus à impériale, dotée d'un panneau solaire grand comme un terrain de tennis, l'ensemble tournant sur lui-même à 4 tr/min et fonçant sans contrôle au coeur du secteur le plus fréquenté de l'espace circumterrestre : l'orbite héliosynchrone, à 800 km d'altitude.  
    En dépit de sa taille, Envisat a peu de risques de retomber rapidement car le frottement atmosphérique résiduel est quasiment négligeable au-delà de 600 km. Il faut donc songer à le désorbiter par d'autres moyens, d'autant plus qu'il n'est plus en état de manoeuvrer pour échapper aux autres débris - en dix ans, il a dû en esquiver neuf, dont trois pour la seule année 2011 - et qu'il n'a pas été «passivé» dans les règles, ce qui pose le risque d'une explosion de réservoir ou de batterie.  
   

Les premiers objectifs des futurs chasseurs de débris

 
   
 
   

Envisat n'est pas la seule épave de grande taille à circuler sur orbite basse. On compte aussi 22 étages supérieurs de lanceurs Zenit 2 et 295 de Kosmos 3M, dont 156 sur des orbites inclinées à 82° qui les font circuler sur la même trajectoire que les satellites héliosynchrones, mais en sens inverse.

 
Symposium   Avec le dossier Envisat, la sixième édition du Symposium international de l'E5A sur les débris spatiaux, qui s'est déroulée la semaine dernière à Darmstadt, près de Francfort, a pris un relief particulier avec une importante participation internationale - plus de 350 délégués venant de plus de 20 pays - et un dossier brûlant : le retrait actif des débris (en anglais ADR, pour Active Debris Removal). Si l'étude des moyens de «nettoyer» les orbites de leur pollution a souvent été évoquée, la grande différence de cette année est le déblocage de budgets pour en faire une réalité dans un avenir prévisible. Le 25 avril, à la clôture du symposium, les organisateurs se sont même fendus d'un communiqué appelant il faire de l'ADR une priorité.  
février 2013  

Chiffres clés

 
   
  • 300'000 débris de 1 à 10 cm
  • 17'000 objets suivis de plus de 10 cm, dont :
    • 1'000 satellites actifs
    • 2'500 épaves de satellites
    • 2'000 épaves d'étages de lanceurs
 
    L'IADC (lnter-Agency Space Debris Coordination Committee) a défini en 2007 deux zones qui doivent être protégées en priorité : d'une part, toutes les orbites situées à moins de 2'000 km d'altitude, d'autre part, celles situées à moins de 200 km en altitude et de 15° en inclinaison de l'anneau géostationnaire. Dans ces zones, la recommandation de l'IADC est le retrait de tous les satellites en fin de vie, soit en les transférant vers des «orbites cimetières» et en s'assurant qu'ils ne dériveront pas vers les zones protégées pendant plusieurs siècles, ou vers une orbite qui permettra leur rentrée naturelle dans l'atmosphère en moins de vingt-cinq ans. Pour les satellites lancés d'Europe, ces recommandations ont été reprises par Loi sur les opérations spatiales (LOS), entrée en vigueur fin 2010.  
    En novembre dernier, lors de la ministérielle de Naples, l'ESA a donc décidé de lancer l'initiative Clean Space - dans ses carrons depuis plusieurs années -, en développant ou redirigeant plusieurs activités de R&D financées via des lignes budgétaires préexistantes : TRP (Technology Rescarch Programme), GSTP (General Technology Support Programme) et GSP (General Studies Programme). Quelque 60 M€ ont ainsi été débloqués jusqu'en 2016. Un tiers de cette somme ira aux technologies «vertes», un autre tiers servira à soutenir la lutte contre la prolifération des débris, et le dernier tiers, aux études sur l'ADR.  
   

Le petit remorqueur du DLR

 
   
 
    En septembre dernier, le DLR a confié à Astrium GmbH un contrat de 13 M€ pour la définition du projet Deos (Deutsche Orbitale Servicing) qui verra le lancement à partir de 2018 de deux satellites, un «chasseur» équipé d'un bras robotique et une «cible», afin de démontrer des opérations d'approche, de capture et de stabilisation d'objets non coopératifs avec un degré grandissant de complexité.  
Savoir-faire   Dans un premier temps, il va surtout s'agir de faire mûrir les technologies pour le rendez-vous avec une cible «non coopérative», pour sa capture et sa stabilisation, ainsi que pour son transfert vers une autre orbite. «Nous pourrions utiliser le savoir-faire acquis avec des programmes connue l'AlV» estime Luisa Innocenti, à la tête de l'initiative Clean Space à l'ESA. Des synergies avec les initiatives déjà engagées par les partenaires européens seront recherchées; «si Deos et Clean Space One volent, ils démontreront de nombreux aspects qui n'auront pas à être redémontrés.» Toutefois, le programme doit rapidement donner naissance à un concept de système qui pourrait être proposé aux ministres européens lors du Conseil de l'ESA de 2015 (qui suivra celui de 2014 sur les lanceurs) afin de procéder à la désorbitation d'un gros satellite que l'ESA refuse pour le moment d'identifier avec Envisat afin de ne pas embarrasser sa direction de l'observation de la Terre.  
    L'objectif étant d'effectuer une rentrée contrôlée d'Envisat dans l'atmosphère à l'horizon 2021, le remorqueur envisagé par l'ESA devrait être un véhicule à propulsion chimique, avec une réserve de 600 kg d'ergols, lancé par Vega. Coût de la mission : 100 M€. Les technologies démontrées pourront ensuite servir à la désorbitation d'autres satellites ou étages de lanceurs, plus susceptibles d'être percutés et de générer un grand nombre de nouveaux débris.  
Deux équipes   De son côté, le Cnes travaille également sur le sujet et vient de confier deux contrats d'études OTV-2 (Orbit TransferVehicJe) à des équipes industrielles menées par Astrium et Thales Alenia Space, qui font suite aux études OTV-l de 2011-2012. Ces études de maturation de concepts et de technologies doivent aboutir à la proposition d'une logique de développement d'un démonstrateur technologique (OTV-Demo/X), puis d'un démonstrateur système (OTV-Demo/Y). L'équipe d'Astrium comprend Bertin Technologies, Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) et l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), ainsi que l'américain Oceaneering Space Systems. De son côté, Thales Alenia Space (TAS) s'est associé à l'espagnol GMV et au canadien MDA. Le concept avancé par l'industriel franco-italien fait appel à la nouvelle plateforme Elitebus, taillée pour permettre le lancement «en grappes» de chasseurs d'épaves.  
    Derrière ces études, on retrouve l'estimation du Cnes selon laquelle il suffirait chaque année de désorbiter 5 à 10 des débris les plus imposants - principalement des étages supérieurs - pour au moins stabiliser leur nombre. Parmi les avantages avancés, cela permettrait de trouver des solutions génériques pour certains modèles et, surtout, on disposerait, pour ceux-ci, d'une connaissance détaillée de leur structure. Ainsi le Cnes s'est rapproché des concepteurs de l'étage supérieur des lanceurs Kosmos 3M, dont plusieurs centaines d'exemplaires gravitent entre 800 et 1'200 km d'altitude, et qui représenteraient un objectif de choix pour les futurs OTV.  
    La question du rendez-vous orbital ayant été largement maîtrisée par les Européens, l'une des technologies clés pour l'ADR reste la capacité de prendre contact avec un objet spatial «non coopératif», c'est-à-dire dépourvu de point d'accroche étudié pour l'amarrage, afin de le stabiliser et de le remorquer.  
   

La Suisse nettoie derrière elle

 
   
 
    Annoncé en février 2012 par l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, le projet Clean Space One utilisera un nanosatellite basé sur une structure de cubesat triple, dotée d'un système de préhension et d'une propulsion ionique. Il sera lancé vers 2015 ou 2016, pour tenter la récupération d'un des deux cubesats suisses déjà sur orbite : SwissCube (lancé en 2009) ou Tisat (lancé en 2010). Après rendez-vous, capture et stabilisation, Clean Space One utilisera sa propulsion pour rentrer dans l'atmosphère avec sa prise.  
    Le bras télérobotique rigide a longtemps été la solution de référence. Aujourd'hui, elle est principalement étudiée par le DLR, dans le cadre du projet Deos, mais elle nécessite un outil de préhension adapté. Celui-ci peut se présenter comme un système de type «pince à sucre» étudié notamment par SSTL ou l'EPFL. Une pince de grande taille, sans bras, peut enserrer l'ensemble de la structure du satellite-cible, ce qui permet une liaison rigide, ou juste d'agripper un élément structurel (comme une attache de panneau solaire) afin de dérouler un câble de remorquage. Astriurn Les Mureaux étudie son propre concept de «pince Soyouz» inspirée du système Tyulpan, qui maintient le lanceur russe avant son lancement.  
   

Un OTV «harponneur» d'épaves spatiales

 
   
 
    Ce concept étudié par Thales Alenia Space pour le Cnes est basé sur un satellite chasseur, capable d'approcher sa cible (1), de la harponner à distance de sécurité (2), de la stabiliser (3) puis de la remorquer (4).  
    Le concept du harpon spatial est étudié activement par Astrium UK à Stevenage, qui l'a testé sur des échantillons de parois de réservoir d'ergols d'étages supérieurs, mais aussi sur différents types de panneaux composites en nida. Les parois métalliques ont parfois nécessité plusieurs coups au but pour que le harpon puisse les traverser, mais la précision du tir est suffisante pour pouvoir effectuer plusieurs tentatives sur un même point. Une fois la paroi traversée, des barbes s'ouvrent qui permettent de soutenir une traction importance. Par sa violence, cette méthode peut créer des débris, mais les études montrent que ceux-ci ne sont générés qu'à l'intérieur de la structure et sont donc sans danger. La capture par filet lancé sur la cible a été testée en microgravité par Astrium Brême. Un concept de capture par filet tracté (filet à papillon) est également à l'étude chez Aviospace à Turin.  
    Les universités italiennes privilégient pour leur part des solutions plus originales; ainsi l'université de Rome étudie un concept de mousse polyuréthane adhésive pour créer des points d'ancrage sur les débris afin de les remorquer, tandis que celle de Padoue propose pour sa part un système de polymères électro-actifs utilisant le même principe d'adhésion au niveau atomique que les pattes des geckos pour agripper toutes les surfaces.  
Rayon tracteur   Pour les rentrées non contrôlées ou le transfert de satellites géostationnaires en panne vers les orbites cimetières, des concepts sans contact sont même envisagés comme le «souffleur», qui utilise le flux de xénon d'un propulseur plasmique pour repousser le satellite, ou encore le «tracteur électrodynamique», qui fait appel à un canon à électrons pour bombarder le satellite-cible et le charger électriquement afin de pouvoir l'attirer par le seul jeu des forces électromagnétiques.  
    Pour l'ESA comme pour le Cnes, il n'est pas question, pour l'Europe ou la France.d'assumer seules la désorbitation des débris dangereux. Celle-ci doit se faire dans un cadre international réglementé, ne serait-ce que parce que le statut juridique des épaves ne permet pas à n'importe qui de décider de leur sort. La question du financement de ces opérations va être également cruciale. D'une part, parce qu'il faudra réduire significativement le coût de l'élimination des débris, cc qui passera probablement par la mise au point de systèmes capables de désorbiter plusieurs débris par mission, soit en utilisant des kits de désorbitation, soit en disposant de ressources en ergols suffisantes pour remonter sur orbite après avoir propulsé les débris sur des trajectoires de rentrée.  
    Quant à savoir qui payera, les études statistiques montrent ce qu'il en coûterait de ne rien faire : pour Spot 5 (donc vraisemblablement pour les Helios 2), la probabilité de perdre la mission est de 0,3 % chaque année. Pour Sentinel 1, elle sera de 3,2 % sur toute la durée de vie. L'ESA estime entre 7,5 et 11 % le risque qu'un de ses satellites soit détruit par collision au cours des 50 prochaines années. Cela suffira-t-il à convaincre les grands opérateurs, notamment institutionnels, de mettre la main à la poche ?  
       
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