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Un environnement particulier

 

En orbite, les satellites rencontrent un environnement hostile.

Cet environnement provoque des perturbations transitoires, des pannes instantanées et des effets cumulatifs avec perte de fonctionnalité à long terme.

Par abus de langage on entend souvent  par « environnement spatial » :

  • Les contraintes subies par le satellite  pour être placé sur son orbite définitive :  principalement les sollicitations mécaniques et thermiques induites par le lanceur ou durant la phase de mise à poste.
  • L'environnement et/ou les contraintes que le satellite une fois en orbite induit et subit de par son fonctionnement propre.

Contraintes induites par la phase de lancement

Le lanceur portant le satellite est le siège de phénomènes physiques particulièrement intenses depuis le décollage jusqu'au largage de ce dernier qui s'effectue généralement après quelques dizaines de minutes à une altitude de quelques centaines de kilomètres.

Pour illustrer l'intensité des phénomènes on peut prendre les exemples suivants :

  • La puissance fournie au décollage d'un lanceur ARIANE V atteint 17 Gigawatt
  • Les turbo pompes du moteur Vulcain développent la puissance de 2 TGV
  • Une minute après le décollage les 500 tonnes du lanceur sont propulsées à une vitesse plus rapide qu'une balle de fusil
  • Deux minutes après le décollage cette vitesse atteint 7200km/h
  • Cette énergie dont l'immense majorité est transformée en mouvement, donne néanmoins lieu à différents phénomènes parasites dont le satellite est la victime directe.
Pour réduire les risques, il faut connaître l'environnement, définir des règles de conception et de choix des matériels embarqués en s'appuyant sur des simulations (par analyse et/ou test) au sol et des expériences en vol.

Contraintes Thermiques

Les satellites sont soumis à des contraintes environnementales sévères du point de vue thermique. Contrairement à nos références terrestres quotidiennes, l'environnement spatial « fonctionne » quasi exclusivement sur la base d'échanges radiatifs.

Même si les satellites mettent en œuvre des dispositifs conducteurs pour collecter la chaleur et la transporter vers les surfaces permettant son évacuation, les échanges avec le milieu spatial se font uniquement par voie radiative.

L'efficacité ainsi obtenue est 2 à 3 fois moins bonne que celle que nous connaissons au sol pour assurer le refroidissement naturel de nos appareils électroniques.
  • De façon concrète, l'utilisation pour une application spatiale d'un calculateur conçu pour une utilisation terrestre conduirait à une température largement au dessus des points de fusion de la plupart des matériaux utilisés.

Radiations

L'environnement dans lequel baignent les satellites est un environnement naturellement composé d'une grande diversité de particules dans un spectre d'énergies très large.

Le dépôt continu d'énergie tout au long de la mission entraîne des effets au niveau de la physique des matériaux constituant les composants électroniques et se traduisant par la dérive de leurs paramètres électriques. C'est effet est appelé "effet de dose".

Dans le même temps, le passage d'une particule unique dans le composant peut créer sur son passage un « filament » conducteur, provoquant un bref court circuit localisé en un seul point, se traduisant par un changement d'état de la sortie de l'application.

Au cours d'une mission, la probabilité pour qu'un ion interagisse avec un composant électronique déjà dégradé par la dose ionisante n'est pas négligeable.

Atmosphère résiduelle, météorites, contamination

A l'altitude de 300 km, l'atmosphère de la Terre devient très ténue avec une pression plus d'un milliard de fois plus faible qu'au sol.

Cependant les molécules de gaz résiduel que percute un véhicule satellisé à la vitesse de 7km/s, le freinent sur son orbite.

Le nombre d'objets artificiels placés en orbite s'est régulièrement accru depuis le début de la conquête spatiale. À côté des satellites opérationnels, on trouve des débris de lanceurs ( étages entiers ou composants ), des satellites ou des débris de satellite hors d'usage ( plusieurs milliers … )

Il existe aujourd'hui environ :

  • 12 500 débris d'une taille supérieure à 10 cm qui sont tous répertoriés par le système de veille spatial américain ( NORAD )
  • environ 300 000 ( estimation ) débris d'une taille comprise entre 1 et 10 cm ;
  • environ 35 millions de débris d'une taille comprise entre 1 mm et 1 cm.

Décharges électrostatiques

Sous l'effet des particules chargées de moyenne énergie présentes en orbite ( quelques keV à quelques dizaines de keV ) les satellites se chargent.

Les potentiels absolus et différentiels atteints, de l'ordre de plusieurs kilovolts, sont à l'origine du risque électrostatique en orbite.

Celui-ci est présent en orbite géostationnaire, en orbite de moyenne altitude, et pour l'orbite basse en zones polaires à cause des précipitations aurorales.


Contraintes dues au fonctionnement du satellite

La conception des satellite doit prendre en compte de nombreuses contraintes inhérentes à l'environnement spatial que nous avons identifiées précédemmment.

Une difficulté supplémentaire est due au fonctionnement du satellite. Celui-ci peut générer par lui même de nouvelles contraintes dont les conséquences peuvent se coupler ou aggraver celles inhérentes à l'environnement, rendant particulièrement délicat tout travail d'optimisation.



Chasseur de débris spatiaux - JDE Juillet 2010 par CNES

pollution orbitale

Image de synthèse montrant les objets en orbite terrestre basse © ESA/AFP

impact débris

Les débris spatiaux d'une taille comprise entre 1 et 10 cm peuvent engendrer des dommages très importants compte tenu de leur énergie cinétique © Cnes

décollage ariane 5

Décollage du lanceur Ariane 5 ES, vol 205 © CNES 2012

Test vibratoire

La charge utile d'AM33 sur le pot vibrant, permet de vérifier la tenue du satellite et particulièrement tout le système propulsif lors de la phase de lancement. Les réservoirs sont remplis d'un liquide de simulation © Thales Alenia Space

simulation thales

Simulation de la vie du satellite Syracuse 3A selon des contraintes thermiques © Thales

Mylar

Pose du Mylar, revêtement thermique du satellite © CNES

Radiations autour de la Terre

Radiations autour de la Terre © CNES

Radiations

Distribution géographique du flux des électrons de 200 keV quasi piégés. On note une large augmentation du flux au niveau de l'anomalie de l'Atlantique Sud et sa contrepartie dans l'hémisphère Nord où l'on observe une décroissance © CNES

observation impact

Vue au microscope électronique à balayage (MEB) d'un impact © CNES

Impact sur Cerise

La première collision répertoriée a eu lieu en 1996 entre le satellite français Cerise et un débris issu d'une explosion d'un étage supérieur d'Ariane © CNES

Van Allen

De 500 à 40 000 km d'altitude, la Terre est entourée d'une grande quantité de particules en mouvement, provenant du rayonnement cosmique. . Conception : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas

test pyro

Chinasat 9 - déploiement antennes : permet de s'assurer du bon fonctionnement des charges pyrotechniques retenant les éléments déployables du satellite et de de simuler l'absence de pesanteur © Thales Alenia Space

 



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