Avec le démonstrateur RemoveDEBRIS, l'Europe veut se doter d'outils capables d'aller désorbiter les débris spatiaux les plus menaçants pour ses satellites. © Surrey Satellite Technology

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RemoveDebris, une démonstration de technologies spatiales pour désorbiter des débris

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Pragmatique, l'Union européenne finance une mission de démonstration de technologies de désorbitation. Pour aller faire le ménage dans le ciel, surtout à proximité des satellites ou d'infrastructures spatiales, l'Europe veut un satellite capable d'aller désorbiter un débris présentant une menace. Pour cela, elle finance la mission RemoveDEBRIS qui doit tester en orbite plusieurs scénarios et technologies capables de désorbiter des débris spatiaux. Alexandre Pollini, concepteur d'un de ces outils nous explique l'intérêt de cette mission et ce que l'on attend d'elle.

Les débris spatiaux constituent aujourd'hui un sujet de préoccupation majeure au sein des agences spatiales et de l'Union européenne. Afin de protéger les infrastructures spatiales, tant le rôle des services spatiaux dans la vie quotidienne est important, il est nécessaire d'agir pour limiter l'impact des débris spatiaux. Tandis que les opérateurs commencent à travailler sur des solutions pour contrôler la quantité de ces débris spatiaux, les agences spatiales réfléchissent à des systèmes pour se débarrasser de ceux existants. Et il existe de nombreux projets, parfois originaux. Une voie possible d'action serait d'organiser des missions de retrait de débris spatiaux (ADR, Active Debris Removal).

Avant de préparer ces futures missions, faut-il encore savoir quelles technologies utiliser et ensuite les maitriser. C'est dans ce contexte que l'Union européenne, dans le cadre du septième Programme-cadre européen de recherche et de développement technologique (FP7), principal instrument financier européen de soutien à la recherche, subventionne la mission RemoveDEBRIS.

Scénario de capture d'un petit satellite à l'aide d'un filet lancé par un satellite chasseur. © SST

Il s'agit d'une mission inédite qui vise à tester en orbite plusieurs scénarios et technologies capables de désorbiter des débris spatiaux. Elle se compose d'un satellite d'une centaine de kilogrammes (construit par Surrey Satellite Technology) et de deux CubeSats de trois unités. L'idée est d'éjecter depuis le satellite ces deux CubeSats puis d'en capturer et désorbiter un à l'aide d'un filet et de tester l'argon sur une cible. Quant au deuxième CubeSats, il sera utilisé pour une expérience de vision-based navigation (VBN) qui doit démontrer le bon fonctionnement d'un nouveau type d'instrument, le 3D flash imaging LIDAR. À la fin de la mission, le satellite RemoveDEBRIS se désorbitera par lui-même en utilisant une voile solaire.

Chaque CubeSat disposera de moyens de communication avec le satellite et de localisation pour connaître leur position. Ils seront actifs mais n'émettront aucun signal utile à leur capture. Au satellite chasseur de déterminer leur position dans l'espace à l'aide de caméras, de GPS et du Lidar. Apporté à bord de la Station spatiale internationale par un container Nanorack placé dans une capsule Dragon, ce satellite sera lancé depuis le complexe orbital au printemps 2017. La mission est prévue pour durer quelques mois et se terminera à la fin de l'année de 2017.

Être capable d'identifier les débris auxquels on a affaire

« Ce sera la première fois en Europe que sera testé en conditions réelles un flash imagine Lidar » nous explique Alexandre Pollini, chef de projet au Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM) et concepteur du Lidar. Il s'agit d'une technologie récente qui « à l'origine a été développée pour fournir des images du sol en 3D et en temps réel lors d'atterrissages de précision ». Il était prévu qu'elle soit utilisée pour la « mission de retour d'échantillons d'un astéroïde géocroiseur primitif MarcoPolo-R pour la future mission M3 du programme Cosmique Vision de l'Esa mais cette mission n'a pas été sélectionnée par l'Esa, lui préférant Plato, une mission pour découvrir des exoplanètes similaires à la Terre ».Pour les besoins de la mission RemoveDEBRIS, « nous avons donc adapté notre instrument à cette expérience inédite en orbite. Il devra démontrer qu'il est capable de faire des images d'une cible permettant d'obtenir des informations utiles à sa capture et sa désorbitation future ».

Aux États-Unis, cette technologie est développée depuis plus longtemps et profite de budgets du domaine militaire. Cela dit, si dans ce domaine « l'Europe accuse un certain retard par rapport aux États-Unis », lorsque cet instrument sera opérationnel, il sera « meilleur dans le sens qu'il utilisera pour ses détecteurs une technologie très récente de type SPAD (single-photon avalanche diode), plus sensible que les capteurs américains qui sont de conception plus ancienne ». À ces capteurs bien meilleurs s'ajoute une « approche avec plusieurs modes d'illumination de la cible à la différence des Américains qui en utilise un seul  » :

  • le mode altimètre « avec un faisceau laser très étroit qui ne permet pas d'acquérir d'images mais de seulement de déterminer la distance de la cible dans les conditions de propagation de la lumière les moins favorables » ;
  • le mode attitude avec plusieurs faisceaux laser étroits « capables de mesurer une distance en différents points de la cible ce qui permet de faire un positionnement relatif » ; 
  • le mode standard avec un « faisceau relativement large qui éclaire la cible dans son ensemble, ce qui permet de l'imager entièrement ».

Cette vidéo résume la mission RemoveDEBRIS avec la capture à l’aide d’un filet d’un CubeSat, le test d’un Harpon et la démonstration inédite en orbite d’un 3D flash imaging Lidar. © Surrey Space Centre, University of Surrey

Cet instrument couvre un champ de vue de l'ordre de 16 degrés avec une résolution de 160 x 120 pixels pour le Lidar, et de 2048 x 1536 pixels pour la caméra couleur. Avec la caméra, il acquiert des images de la cible mais « doit composer avec des conditions d'éclairage qui peuvent ne pas être optimales en lien par exemple avec l'axe de rotation principal du débris par rapport à la position du Soleil ». Avec son éclairage propre, le Lidar « éclaire la cible et se prémunit donc de ces changements d'éclairage ». Il est capable de fournir des « images en 3D et en temps réel de la cible que l'on veut capturer ». Ces images en trois dimensions fournissent bien plus d'informations que des images en une ou deux dimensions. Par exemple, à partir d'une de ces vues en 3D, il est « possible d'extraire des informations sur la forme de la cible qui n'est pas forcément connue a priori en fonction des dommages subis par le débris, sa vitesse de rotation et sa distance ». Ces données sont essentielles pour réussir la phase de capture.

À l'avenir, cette technologie pourrait être utilisée pour des missions d’atterrissage sur Mars, la Lune ou sur un astéroïde, de façon à poser tout type d'engin de surface en sécurité et beaucoup plus précisément qu'aujourd'hui. Actuellement, « l'équipe travaille sur des Lidars dont le cahier des charges est dérivé du scénario de la mission Mars Precision Landing ou Mars Sample Return » qui pourraient voir le jour dans la seconde partie de la décennie 2020.