L’une des choses les plus difficiles à conceptualiser pour beaucoup de gens lorsqu’ils parlent de la vitesse à laquelle quelque chose se passe est qu’ils doivent se demander : « Par rapport à quoi ? Tout mouvement n’a de sens qu’à partir d’un cadre de référence, et de nombreux vaisseaux spatiaux voyageant dans les profondeurs du vide n’ont aucune référence régulière permettant de comprendre à quelle vitesse ils vont.
Il existe plusieurs techniques différentes pour tenter de résoudre ce problème, mais l’une de celles qui sont en développement depuis le plus longtemps est StarNAV, un moyen de naviguer dans l’espace en utilisant uniquement les étoiles.
Plusieurs projets nommés « StarNAV » semblent être en cours à différents stades de développement, notamment une subvention du NASA Institute for Advanced Concepts pour certains chercheurs de la côte Est des États-Unis et une petite start-up basée sur une technologie issue de l’UC Irvine. Dans ce cas, nous examinerons le travail effectué par les chercheurs, en particulier un article publié l’année dernière détaillant les progrès réalisés vers un prototype.
La technologie développée par Paul McKee de l’Institut polytechnique Rensselaer, Hoang Nguyen et Michael Kudenov de l’État de Caroline du Nord et John Christian de Georgia Tech est basée sur une caractéristique spécifique des étoiles connue sous le nom d’aberration stellaire. Comme défini dans la théorie de la relativité restreinte, l’aberration stellaire se produit lorsque la vitesse d’un observateur modifie la distance apparente entre lui et une étoile.
Cette technique a déjà été utilisée ; cependant, il existe de larges marges d’erreur lors du calcul de la vitesse instantanée d’un vaisseau spatial. En règle générale, les solutions existantes utiliseraient un grand télescope pour mesurer avec précision une propriété connue sous le nom d’« angle inter-étoiles » entre deux étoiles dans un champ de vision relativement étroit. Si c’est suffisamment précis, des calculs assez complexes peuvent produire la vitesse d’un vaisseau spatial à partir d’un seul angle inter-étoiles.
Obtenir une mesure suffisamment précise est la partie la plus délicate. Pour détecter avec précision la position d’une étoile individuelle dans une paire inter-étoiles, de nombreux télescopes doivent avoir un champ de vision (FOV) étroit. Ce champ de vision étroit signifie qu’une seule étoile peut être suivie par télescope, ce qui nécessite un deuxième télescope et un système de métrologie complexe pour suivre l’alignement relatif de ces télescopes.
Fraser discute de certaines des difficultés liées à la navigation dans l’espace.
Les chercheurs du NIAC ont mis au point une méthode utilisant des mesures d’angle inter-étoiles légèrement moins précises mais des mesures multiples, et encore une fois en utilisant des mathématiques sophistiquées pour calculer une mesure précise de la vitesse sans les systèmes de suivi compliqués.
Le système décrit dans le Acta Astronautique L’article se compose de trois télescopes différents décalés les uns par rapport aux autres selon des angles connus, chacun observant une paire d’étoiles différente. Avec ces trois mesures un peu moins précises, un algorithme peut quand même calculer une aberration stellaire moyenne et donc une estimation raisonnable de la vitesse de l’engin spatial.
S’il n’y avait pas déjà assez de mathématiques dans ce processus, les auteurs ont décidé de prouver l’exactitude de leur système en effectuant des expériences en utilisant l’algorithme de test aléatoire préféré de tous les mathématiciens : une simulation de Monte Carlo.
Bien qu’ils aient trouvé certains facteurs de confusion qui doivent être pris en compte dans un processus d’étalonnage, la simulation a prouvé qu’en théorie, au moins, le système fonctionnerait avec une précision par rapport aux meilleures solutions à champ de vision étroit actuellement disponibles et serait beaucoup moins cher et plus facile à utiliser.
Dans une dernière preuve de concept, les chercheurs ont également modélisé la taille d’un tel système. Ils l’intègrent dans un châssis CubeSat 3U mesurant environ 10 cm x 30 cm x 10 cm. Et en raison de la modularité des conceptions des CubeSats, il pourrait être possible de fixer un tel module sur un autre châssis dans le cadre d’une mission à part entière.
Cependant, cela ne s’est pas encore produit et il ne semble pas qu’un prototype complet de ce système ait encore été construit. Cependant, comme mentionné ci-dessus, il existe une start-up qui cherche à commercialiser une technologie très similaire, mais principalement pour la navigation terrestre comme alternative au GPS. Elle a plusieurs contrats militaires et chercherait des moyens de poursuivre la navigation si le GPS se présentait. être mis hors service par l’action ennemie.
Alors que de plus en plus de vaisseaux spatiaux commencent à s’aventurer dans l’espace lointain, améliorer la façon dont ils calculent leur vitesse deviendra un problème de plus en plus problématique. StarNAV semble bien placé pour le faire : il lui faut juste un peu plus d’effort dans la phase de prototypage pour y arriver.
Plus d’information:
Paul McKee et al, StarNAV avec un capteur optique à large champ de vision, Acta Astronautique (2022). DOI : 10.1016/j.actaastro.2022.04.027