Le 26 septembre 2022, le test de redirection à double astéroïde (DART) de la NASA est entré dans l’histoire lorsqu’il a rencontré l’astéroïde Didymos et a eu un impact avec sa lune, Dimorphos. Le but était de tester la méthode d’impact cinétique, un moyen de défense contre les astéroïdes potentiellement dangereux (PHA) où un vaisseau spatial entre en collision avec eux pour modifier leur trajectoire. Sur la base d’observations de suivi, le test a réussi puisque DART a réussi à raccourcir l’orbite de Dimorphos de 22 minutes. L’impact a également fait pousser la lune à une queue visible.
Cependant, comme Hollywood aime nous le rappeler, il existe des scénarios où un astéroïde tueur de planètes se rapproche de la Terre avant que nous puissions faire quoi que ce soit pour l’arrêter. Et il ne manque pas d’astéroïdes géocroiseurs (NEA) qui pourraient devenir des menaces potentielles un jour. Par conséquent, les agences spatiales du monde entier prennent l’habitude de les surveiller et de savoir à quelle distance elles passent de la Terre. Selon une nouvelle étude réalisée par un groupe d’experts en satellites, il serait possible de construire une mission d’impacteur cinétique à réponse rapide qui pourrait rencontrer et dévier un PHA peu de temps avant qu’il n’entre en collision avec la Terre.
L’étude, parue récemment dans Acta Astronautique, a été menée par Adalberto Domínguez, Víctor M. Moreno et Francisco Cabral, trois chercheurs affiliés au développeur de satellites espagnol GMV. Cette société est spécialisée dans les systèmes de guidage, de navigation et de contrôle (GNC) et de contrôle d’orbite d’attitude (AOCS) avec des applications commerciales, militaires, de recherche et d’exploration spatiale. Dans l’intérêt de leur article, l’équipe de recherche a présenté les travaux récents de GMV sur un système GNC pour une mission à impact cinétique.
Ces dernières années, les agences spatiales ont étudié plusieurs stratégies pour dévier les astéroïdes qui constituent une menace de collision avec la Terre. Comme Domínguez l’a expliqué à Universe Today par e-mail, trois sont considérés comme les plus prometteurs : l’impasse nucléaire, le tracteur à gravité et l’impacteur cinétique. Alors que l’option nucléaire consiste à faire exploser un engin nucléaire au voisinage d’un astéroïde, le tracteur à gravité implique un vaisseau volant autour d’un astéroïde pour dévier sa course. Seul l’impacteur cinétique, a déclaré Dominguez, est faisable pour dévier les PHA :
« L’applicabilité de l’impasse nucléaire reste à démontrer, et leur cible serait des astéroïdes d’un diamètre de l’ordre de plusieurs kilomètres. Ces astéroïdes ne sont pas une menace aujourd’hui, car la grande majorité est surveillée. Par ailleurs, le Traité sur l’espace extra-atmosphérique de 1967 a interdit les explosions nucléaires dans l’espace extra-atmosphérique. Le tracteur à gravité cible des astéroïdes plus intéressants de l’ordre de centaines de mètres. Il y a un grand pourcentage d’astéroïdes de cette taille à découvrir, et l’impact pourrait impliquer la destruction d’une ville entière. Néanmoins, le tracteur gravitationnel mettrait plusieurs années à dévier cet astéroïde. »
Pour les besoins de leur étude, Dominguez et ses collègues se sont concentrés sur le développement d’un système GNC pour un impacteur cinétique. Ceci est vital pour toute mission robotique, en particulier lorsque l’autonomie est requise. L’un des aspects les plus avant-gardistes de la mission DART était le système de guidage autonome qu’elle testait, connu sous le nom de Small-body Maneuvering Autonomous Real Time Navigation (SMART Nav). Ce système a guidé DART lors de son approche finale de Dimorphos, car les contrôleurs de mission ne pouvaient pas émettre de corrections de cap à ce stade.
Vue d’artiste de la mission DART impactant la lune Dimorphos. Crédit : ESA
Une mission KI destinée à dévier un astéroïde au dernier moment demandera également de l’autonomie, notamment en raison de sa vitesse de déplacement. Au moment où il heurtera l’astéroïde, le vaisseau spatial aura besoin d’une vitesse relative comprise entre 3 et 10 km/s – 10 800 km/h et 36 000 (6 710 et 22 370 mph).
Dit Dominguez: « Une autre difficulté supplémentaire est que nous ne savons presque rien de l’astéroïde que nous visons. Cela nécessite que le GNC soit adapté à toute possibilité. De plus, la taille des astéroïdes impliqués introduit des difficultés de navigation car nous parlons d’objets d’une taille d’environ une centaine de mètres. Imaginez les difficultés liées au problème de l’impact d’un objet avec une dynamique et une forme inconnues, à une vitesse de km/s et sans possibilité de faire des corrections depuis le sol. »
Ceci, dit Dominguez, fait du GNC l’élément le plus important du sous-système critique puisqu’il est chargé de cibler l’astéroïde et d’appliquer les corrections de trajectoire à la dernière seconde. Ces corrections présentent la difficulté supplémentaire d’être calculées et exécutées sur place, c’est-à-dire lorsque la mission se déroule rapidement. Pour s’assurer que leur conception GNC pouvait exécuter de tels calculs, l’équipe a étudié les algorithmes couramment utilisés par les engins spatiaux (navigation, traitement d’imagerie, etc.) dans leur analyse et a testé leurs performances. Le premier, a déclaré Dominguez, se décline en deux variétés :
« Les algorithmes de guidage peuvent être divisés en deux groupes principaux : la navigation proportionnelle et la rétroaction prédictive. Les algorithmes de navigation proportionnelle utilisent la connaissance de la position actuelle de la cible et de l’impacteur pour calculer la manœuvre nécessaire pour obtenir l’impact. La navigation proportionnelle est équivalente au guidage utilisé. par un missile, des corrections sont appliquées toutes les secondes (manœuvres continues) pour corriger la trajectoire de l’engin spatial. »
Pendant ce temps, le guidage par rétroaction prédictive s’appuie sur des informations passées et présentes pour prédire l’état futur de l’engin spatial et de l’impacteur. Dans ce cas, les corrections ne sont appliquées qu’à certains moments de la mission, comme lorsque le vaisseau spatial n’est qu’à une heure d’effectuer la manœuvre d’impact. En fin de compte, ils ont identifié deux problèmes principaux avec les algorithmes proportionnels, ce qui les a amenés à intégrer des algorithmes prédictifs dans leur concept.
« Premièrement, pour être appliqué directement, il nécessite des propulseurs à étranglement », a déclaré Dominguez. « Deuxièmement, cela nécessite un système qui permet des manœuvres constantes. Ces deux faits impliquent généralement une détérioration de la consommation de carburant et des performances. Avec l’utilisation d’un système de guidage prédictif, le stress du système peut être sensiblement réduit. De plus, la plupart des l’état de l’art n’emploie que la navigation proportionnelle. DART a utilisé ce type de schéma de navigation. Nous voulions montrer que d’autres approches peuvent également fournir d’excellents résultats et pourraient être utilisées.
Après avoir simulé comment ces facteurs affecteraient une mission KI, l’équipe a constaté que leur vaisseau spatial était très précis, avec une erreur d’impact de seulement 40 mètres (131 pieds). Selon les moniteurs d’astéroïdes, un objet mesurant 35 mètres (~ 115 pieds) ou plus de diamètre est considéré comme une menace potentielle pour une ville ou une ville. Pendant ce temps, les plus grands PHA suivis régulièrement par la NASA, l’ESA et d’autres organisations de défense de la Terre mesurent entre 2 et 7 km (1,25 et 4,35 mi). Concernant le système de guidage seul, leurs simulations ont atteint une erreur de moins d’un mètre (~ 3,3 pieds).
« C’est un excellent résultat pour le stade de développement de notre concept GNC, car nous envisageons des erreurs supérieures à celles qui seraient présentes dans un véritable impacteur cinétique, et la navigation pourrait être sensiblement optimisée en améliorant le traitement d’image et le filtrage. afin d’augmenter les chances d’un impact réussi », conclut Dominguez. « Le schéma que nous avons proposé ouvre la porte au développement d’une mission d’impacteur cinétique. »
À l’avenir, lui et ses collègues espèrent optimiser les variables de leur impacteur cinétique et comparer ses performances et son applicabilité à d’autres concepts. En fin de compte, tout est une question de préparation, de planification et de savoir que nous avons des méthodes en place en cas de pire scénario.
Alors que la surveillance régulière des astéroïdes géocroiseurs est la partie la plus importante de la défense planétaire, il est bon d’avoir des plans d’urgence en place. Un jour, les missions à impact cinétique conçues pour des interceptions à longue portée et de dernière minute pourraient faire la différence entre la survie de la Terre et un événement de niveau d’extinction.
Plus d’information:
Adalberto Domínguez et al, Impacteur cinétique pour une courte déviation d’astéroïde d’avertissement, Acta Astronautique (2022). DOI : 10.1016/j.actaastro.2022.10.039