Piloter deux vaisseaux spatiaux est plus difficile qu’un seul

Qu’y a-t-il de plus difficile que de piloter un seul satellite en orbite terrestre ? Voler à deux, l’un à côté de l’autre, à des proximités qui déclencheraient normalement des manœuvres d’évitement de collision.

C’est le plan de la mission double satellite Proba-3 de l’ESA, qui décollera d’Inde le mercredi 4 décembre. Lors du vol actif en formation, les deux hommes se positionneront à environ 150 mètres l’un de l’autre, avec une précision égale à l’épaisseur de l’ongle moyen. Alors, comment vont-ils gérer cela ?

Imaginer le succès précis des vols en formation

« L’ESA a déjà effectué des missions de vol en formation, mais les distances impliquées ont été mesurées en dizaines de kilomètres, voire plus », explique Damien Galano, responsable de la mission Proba-3. « Proba-3 est très différent car nos satellites voleront à seulement un terrain de football et demi les uns des autres pendant le vol actif en formation. Et leurs positions relatives seront maintenues avec une précision d’un seul millimètre pendant six heures à la fois.

« Et nous ne prouverons pas seulement notre succès avec la télémétrie, mais grâce à quelque chose que chacun peut interpréter instinctivement. En s’alignant avec le soleil, un vaisseau spatial projettera une ombre précisément contrôlée sur un autre, pour couvrir entièrement le disque brillant du soleil, de sorte que la couronne solaire, des millions de fois plus faible, deviendra visible pour une observation soutenue. Soit cela fonctionnera, soit cela ne fonctionnera pas : c’est le défi que nous nous sommes lancé.

Une orbite haute pour le succès de la mission

La clé pour surmonter ce défi est de sélectionner un environnement dans lequel le succès devient possible. Une orbite terrestre basse standard a été rapidement exclue en raison de toutes les influences qui pourraient affecter la paire : la plus forte attraction de la gravité plus les perturbations dues à la forme imparfaite de la Terre et à la traînée de l’air au sommet de son atmosphère, ainsi que la lumière réfléchie par la Terre.

« Les premières simulations ont montré que nous aurions besoin de faire tellement d’ajustements de positionnement avec nos propulseurs que notre propulseur serait rapidement épuisé ; la mission aurait été terminée en une demi-heure environ ! » se souvient Frédéric Teston de l’ESA, qui a supervisé la famille de missions Proba. Au lieu de cela, la paire devait aller là où les perturbations sont minimes et où l’attraction gravitationnelle est beaucoup plus faible, ce qui signifie qu’il faut moins de propulseur pour changer de position.

Un emplacement idéal aurait été autour de l’un des points de Lagrange Soleil-Terre entourant notre planète, où les champs gravitationnels sont annulés, mais il aurait été trop coûteux pour une mission aussi budgétaire de les atteindre. Au lieu de cela, une orbite hautement elliptique – ou allongée – a été sélectionnée, qui commence à une altitude de 600 km et atteint 60 500 km au cours de chaque orbite de 19 heures et 36 minutes.

Imaginez-le comme une boucle de montagnes russes : au bas de l’orbite, le vaisseau spatial se déplace beaucoup plus rapidement, mais ralentit à mesure qu’il monte plus haut, de 10 km/s à 1 km/s – et en raison de cette vitesse réduite, il passe plus de temps. à « l’apogée » de l’orbite qu’en bas. Pour la partie inférieure de l’orbite, les deux hommes volent librement sur des trajectoires sûres, tout en étant prêts à réagir en cas de risque de collision. Puis, à mesure qu’ils progressent vers l’apogée, le signal leur est donné de commencer à passer en formation active, ce qui prend environ deux heures.

Vaisseau spatial sans conducteur

Toute surveillance humaine du vol en formation de Proba-3 serait peu pratique, notamment en raison des distances impliquées : tout signal radio prendrait un cinquième de seconde pour atteindre le sommet de son orbite, une pause inconfortablement longue lorsqu’il s’agit de vitesses orbitales.

Au lieu de cela, la paire de satellites s’alignera avec le soleil de manière totalement autonome, à la manière des voitures terrestres sans conducteur. Selon une approche comparable, aucun système de positionnement ne suffit à lui seul pour atteindre la précision nécessaire. La mission combine plutôt une suite de technologies de positionnement absolu et relatif allant des récepteurs GPS et des liaisons radio aux caméras optiques et LED, une liaison laser et enfin des capteurs de position d’ombre.

Séquence d’actions de positionnement

Pour commencer, des startrackers – des caméras reliées à un ordinateur qui reconnaissent les constellations qui les entourent – ​​tracent « l’attitude » de chaque vaisseau spatial, ou la direction actuelle de son pointage dans l’espace. Pour la partie inférieure de leur orbite, les récepteurs satnav à bord des deux engins spatiaux calculent les positions relatives avec un haut niveau de précision, bien que les signaux GPS ne soient utilisés de manière opérationnelle qu’en dessous de l’altitude de 20 200 km de la constellation de satellites GPS. La paire Proba-3 échange également en permanence des informations de télémétrie et d’autres données via des liaisons radio inter-satellites.

Il faut faire davantage pour réaliser un vol actif en formation, à commencer par le système de capteurs basés sur la vision de Proba-3. Une caméra grand angle est utilisée pour suivre un motif LED sur l’autre satellite, fournissant ainsi des informations de « premier aperçu » relativement grossières sur la distance des satellites les uns par rapport aux autres, ainsi que des informations supplémentaires sur leur attitude. Ceci est complété par une caméra à angle étroit qui se verrouille sur un deuxième motif de LED beaucoup plus petit, fournissant des informations de positionnement relatif jusqu’à une échelle d’environ un centimètre.

Mais cela ne suffit pas en soi. Un positionnement encore plus précis est assuré par le capteur latéral et longitudinal fin (FLLS) du vaisseau spatial « Occulter » de Proba-3. Cela projette un laser vers un rétro-réflecteur cubique d’angle sur la face du vaisseau spatial « Coronagraph », qui est à son tour réfléchi vers l’Occulter. Ce FLLS fournit un positionnement relatif avec une précision millimétrique.

Enfin, pour garantir un verrouillage stable, un système de capteur de positionnement d’ombre, basé sur des photodétecteurs disposés autour de la lentille d’ouverture de 5 cm de diamètre du télescope Coronagraph, garantit que l’ombre d’environ 8 cm de diamètre de l’Occulter reste correctement projetée de tous les côtés. Tout écart déclenche une correction.

Pour les maintenir aussi stables que possible, les deux vaisseaux spatiaux ne possèdent aucune pièce mobile, autre qu’une roue à filtres rotative à bord du Coronagraph.

Chef d’escadrille et ailier

Pour les manœuvres, la mission utilise une approche de chef de vol et d’ailier. Le vaisseau spatial Coronagraph est le maître, équipé d’un système de propulsion à l’échelle de Newton à base d’hydrazine qu’il utilise pour briser et acquérir la formation tout en assurant également une formation « périgée » sûre. L’Occulter suit l’exemple du Coronagraph en employant un système de propulseur à gaz froid de 10 millinewtons, émettant de petites bouffées d’azote semblables à des fractions d’une seule respiration humaine.

« Pendant la phase de vol actif en formation, les propulseurs à gaz froid émettront de petites impulsions toutes les 10 secondes », explique Raphaël Rougeot, ingénieur système chez Proba-3.

« Les perturbations restantes auxquelles nous devons faire face sont la pression du rayonnement solaire – qui est la poussée légère mais constante de la lumière solaire elle-même – et la petite différence de gravité due au fait que la paire n’est pas au même point. Celles-ci s’élèvent à quelques millimètres par seconde. En pratique, nous sommes un peu plus sensibles au déplacement latéral qu’au déplacement latéral en avant ou en arrière. Pour donner une idée, si la Lune est à quelques kilomètres plus près ou plus loin de la Terre, cela ne change pas beaucoup une éclipse solaire, mais si. il se déplace latéralement d’une quantité similaire, alors tu commencerais à voir plus de soleil ! »

Retomber vers la Terre

Après six heures, les deux engins spatiaux sont libérés de leur formation active pour retomber vers la Terre sur des orbites parallèles mais sûres, même si une manœuvre d’évitement de collision serait automatiquement déclenchée si l’un des engins spatiaux dérive trop près de l’autre, ou si l’un d’entre eux devenait défectueux. .

Pour éviter une telle éventualité, les deux vaisseaux spatiaux disposent de systèmes entièrement redondants et leurs charges de calcul sont réparties sur les deux plates-formes pour éviter tout risque de ralentissement. Ainsi, par exemple, pendant que le vaisseau spatial Coronagraph supervise les observations coronales exigeantes, l’Occulter effectue le relatif Calculs GPS qui aident à assurer la sécurité du vaisseau spatial autour du périgée ainsi que les manœuvres pour créer et briser la formation active.

Proba-3 est avant tout une mission de démonstration technologique, avec des observations coronales sur un seul type de formation volante qu’elle tentera, ainsi que le redimensionnement de sa longueur de base, le reciblage de son orientation et son rendez-vous rapproché.

En fin de compte, le facteur limitant de la mission devrait être le propulseur, avec une durée de vie prévue de deux ans. Le périgée bas de 600 km des deux engins spatiaux signifie qu’ils devraient brûler dans l’atmosphère cinq ans à peine après.