Microscope, lancé en avril 2016, sera désorbité à la fin de sa mission, prévue dans deux ans. Pour cela, il utilisera une astucieuse structure gonflable à deux mâts et quatre voiles. © Cnes / Illustration D. Ducros, 2016

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Le satellite Microscope rentrera sur Terre à la voile

ActualitéClassé sous :satellite Microscope , CNES , débris spatiaux

Pour désorbiter le satellite Microscope lorsqu'il aura confirmé - ou infirmé - la théorie de la relativité générale, le Cnes a imaginé une solution novatrice : un aérofreinage à l'aide de voiles qui, lentement, le ralentiront. Les contraintes très particulières imposées par l'expérience menée à bord, d'une précision inédite, rendaient en effet impossible le procédé classique, comme nous l'explique Jean-Bernard Dubois, chef de projet de Microscope pendant la phase de conception.

Le satellite Microscope, que vient de lancer une fusée Soyouz, doit tester le principe d'équivalence, énoncé par la théorie de la relativité générale, une expérience jusqu'ici totalement inédite dans l'espace. Cette mission est inscrite dans son nom : Microscope, pour MICRO-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Équivalence. L'engin doit aussi « se conformer à la règle dite des 25 ans qui impose que tout satellite en orbite basse soit rentré dans l'atmosphère avant un quart de siècle après la fin de sa mission », nous explique Jean-Bernard Dubois, chef de projet de Microscope pendant la phase de conception.

Alors que pour tout autre satellite, le système de propulsion aurait amplement suffi, « Microscope n'est pas équipé d'un système de propulsion classique qui lui permettrait de se déplacer sur son orbite ni réaliser toutes les corrections de trajectoires voulues ». À la place, il embarque « huit micropropulseurs à gaz froid produisant les poussées de l'ordre de quelques dizaines de micronewtons dont le satellite aura besoin ».

En effet, pour les besoins de l'expérience, le satellite doit rester très précisément sur son orbite. Pour s'opposer au freinage exercé par l'atmosphère, très peu dense à l'altitude de Microscope (707 km) et compenser les plus infimes perturbations d'attitude et d'accélération du satellite, seuls ces micropropulseurs sont capables de réaliser les infimes corrections de trajectoires nécessaires.

Deux vues CAO du satellite Microscope avec le système désorbitation IDEAS plié (à gauche) et déployé (à droite). © Cnes

Deux vues CAO du satellite Microscope avec le système désorbitation IDEAS plié (à gauche) et déployé (à droite). © Cnes

Une structure gonflable et une voile

Ces minuscules propulseurs seront insuffisants pour désorbiter le satellite à l'issue de sa mission, prévue dans deux ans. C'est pourquoi Microscope embarque « un sous-système de désorbitation passif basé sur deux voiles déployées à la fin de la mission par deux mâts ». De cette manière, le rapport surface/masse est augmenté et l'altitude de l'orbite est naturellement réduite par la traînée atmosphérique. Dès le début du programme, le Cnes a mené « une réflexion sur la définition d'un système capable de freiner le satellite de façon à accélérer sa désorbitation du satellite le moment voulu ». Trois concepts ont été passés en revue :

  • un propulseur à poudre qui produit une poussée unique ;
  • l'emport de panneaux de type solaire (sans cellule) qui, en se déployant le moment venu, formeront une surface d'environ 10 m2 ;
  • un système de type airbag gonflable et restant rigide une fois gonflé.

Le Cnes retiendra le dispositif IDEAS (Dispositif de désorbitation par aérofreinage du satellite Microscope). D'une masse de 17 kg, il se compose de deux mâts déployables de 4,60 mètres. « En se gonflant en moins d'une minute, ils déploieront chacun une voile produisant une surface totale de 9 m2 ». Pour augmenter la surface de freinage du satellite quelle que soit son orientation, elles seront installées « selon deux directions divergentes et différentes de celle des panneaux solaires ». Avec ce dispositif, le Cnes prédit que le satellite « retombera dans l'atmosphère en 27 ans au plus ». Sans voile, quelque 75 années auraient été nécessaires pour qu'il redescende sur Terre.

Le choix de la technologie de structure gonflable s'est imposé du fait de sa masse surfacique faible et de sa grande compacité lorsque les ailes sont pliées. En effet, « le mât, d'une longueur de 4,6 mètres, mesure seulement 17 centimètres de hauteur lorsqu'il est plié », précise Christian Dupuy, le chef du service des Mécanismes Spatiaux & équipements SCAO au Cnes (Système de Contrôle d'Attitude et d'Orbite). On notera que les matériaux qui composent les mâts et les voiles sont conçus pour résister à la fois à la chaleur, aux fortes variations de température, aux sollicitations mécaniques, aux perforations et aux déchirements dus aux micro-débris en orbite, aux agressions des divers rayonnements et à l'érosion générée par l'oxygène atomique présent à l'altitude du satellite.

À gauche, une maquette réduite d'IDEAS testée lors d'un vol à bord d'un Airbus Zéro G, en juin 2007, pour un essai de déploiement en apesanteur de la voile (la membrane, pliée comme un store). À droite, un mât IDEAS en essai de caractérisation mécanique dans les locaux d’Airbus DS Aquitaine © Rémy Decourt (image de gauche), Airbus Defence and Space (image de droite)

À gauche, une maquette réduite d'IDEAS testée lors d'un vol à bord d'un Airbus Zéro G, en juin 2007, pour un essai de déploiement en apesanteur de la voile (la membrane, pliée comme un store). À droite, un mât IDEAS en essai de caractérisation mécanique dans les locaux d’Airbus DS Aquitaine © Rémy Decourt (image de gauche), Airbus Defence and Space (image de droite)

Le déploiement sera suivi depuis le sol

Cependant, en raison de l'absence de télémesures à ce stade ultime de la mission, « il ne sera pas possible de suivre en temps réel le déploiement du dispositif ». Seules des mesures d'altitude réalisées depuis le sol « confirmeront si les deux voiles se sont correctement déployées ».

IDEAS a été imaginé par le Cnes et réalisé par les sociétés Airbus Defence & Space, Air Liquide et EREMS. À l'avenir, ce principe pourra être exploité pour désorbiter des satellites de moins de 500 kg dépourvus de propulsion et placés sur des orbites basses (750 km au maximum), participant ainsi à la réduction des débris orbitaux et donc des risques de collisions dans l'espace. Ce programme a permis de déposer deux brevets. Un pour le compte du Cnes sur le principe de la désorbitation non contrôlée par aérofreinage avec déploiement d'appendice et un autre à l'initiative d'Airbus Defence and Space sur la déclinaison technologique du principe du Cnes de l'utilisation d'un mât gonflable et d'un film léger.

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