Les débris spatiaux : un danger aléatoire mais bien réel

22/12/2018
Publication REE REE 2018-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-5:24888
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Les débris spatiaux : un danger aléatoire mais bien réel

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REE N°5/2018 Z 19 Un débris spatial est un objet évoluant en orbite ter- restre qui n’est pas fonctionnel. Ces objets, de plus en plus nombreux, constituent un danger manifeste pour les nouveaux lancements et pour les satellites en activité et même lors de leur retombée sur terre. Des mesures de prévention sont nécessaires et il va bientôt falloir entre- prendre le nettoyage de l’espace. Une population en expansion On trouve parmi les débris des objets entiers (satellites désactivés, étages supérieurs, capots, sangles…) qui repré- sentent la moitié des débris orbitaux connus. L’autre moi- tié est composée de fragments de toutes tailles dus à l’ex- plosion d’étages de lanceurs ou de satellites. Jusqu’à une époque récente, outre les satellites, divers objets ont été injectés sur orbite : étages supérieurs de lanceurs, moteurs d’appoint, adaptateurs pour lancements multiples, sangles, fragments de dispositifs pyrotechniques, goupilles, caches d’optique, etc. Une fois leur vie opérationnelle achevée, ou lorsqu’une panne est venue entraîner leur perte prématu- rée, la plupart des satellites sont demeurés sur leur orbite. Le vieillissement des revêtements et des équipements a pu provoquer une fragmentation partielle. Parfois une ex- plosion se produit entraînant la dispersion de centaines de débris. Il arrive que ces déchets se percutent à nouveau, en- gendrant de nombreux fragments qui à leur tour se percu- teront ou percuteront un satellite opérationnel. On conçoit donc qu’il existe un nombre de débris croissant de manière exponentielle même si leur masse totale est constante. La présence de ces débris constitue un danger constant pour les satellites en activité, pour les lancements et pour les per- sonnes et installations au sol. On dénombre aujourd’hui 1 400 satellites inactifs, envi- ron 30 000 objets de plus de 10 cm et environ 135 000 000 d’objets de plus de 1 mm (CNES – 2017). Ces débris finissent par retomber sur terre. La plupart se vaporisent lors de leur rentrée dans l’atmosphère. Mais environ 20 % arrivent à la surface. Dans la majorité des cas, les impacts ont lieu dans des océans ou des zones inhabi- tées. La Terre ne compte que 3 % de surfaces habitées, ce qui réduit la probabilité de dégâts humains ou matériels sans la réduire à zéro. La probabilité qu’un individu soit impacté par un débris spatial est estimée à 10-12 . Comparativement, la probabilité d’être impacté par la foudre est estimée à 10-6 . Mais avant cette chute, ils constituent un danger potentiel pour les satellites actifs et pour la station spatiale internatio- nale ISS. En 2015, l’ISS a manœuvré cinq fois pour éviter une collision avec des débris spatiaux identifiés. Si tous les débris Figure 1 : Évolution depuis le début de l’ère spatiale du nombre d’objets en orbite (> 10 cm en orbite basse et > 1 mètre sur les autres orbites) suivis par le réseau de surveillance américain USSTRATCOM. Ces 17 000 objets, pour lesquels on dispose des caractéristiques orbitales, ne représentent qu’une faible fraction des 500 000 objets d’une taille > 1 cm (situation à la fin du premier du premier trimestre 2016). Source : NASA : http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/pdfs/ODQNv20i1-2.pdf ACTUALITÉS Les débris spatiaux : un danger aléatoire mais bien réel 20 ZREE N°5/2018 situés en orbite basse finissent par retomber sur terre et à être désintégrés dans l’atmosphère au bout de quelques an- nées, ceux situés en orbite haute peuvent y rester plusieurs décennies. Certaines orbites, trop polluées, deviennent ainsi inexploitables. Les moteurs utilisés pour mettre des satellites en orbite ont considérablement évolué pour se désagréger rapidement et ne plus risquer d’exploser plusieurs mois après leur abandon dans l’espace en créant des milliers de débris. Cependant des accidents restent possibles. Des risques importants Les risques sont de deux ordres : les risques au sol et les risques en orbite. Lorsqu’on le peut, comme pour la station Mir, le cargo euro- péen ATV ou ses homologues russes Progress, on manœuvre les gros objets sur orbite, afin de les placer sur une trajec- toire interceptant les couches denses de l’atmosphère et s’en débarrasser ainsi au-dessus d’une zone sans risque. Mais ce n’est pas possible pour les derniers étages de lanceurs ou de gros satellites qui sont hors de contrôle. Lors de sa rentrée dans l’atmosphère, un engin spatial est soumis à des contraintes thermomécaniques très impor- tantes qui vont provoquer sa fragmentation et parfois son ex- plosion. Ces fragments vont subir à leur tour des contraintes thermomécaniques importantes dans les couches denses de l’atmosphère. Une partie d’entre eux brûlera littéralement et n’arrivera jamais au sol, tandis que des composants conçus pour résister à des fortes contraintes de température pourront arriver au sol. Cependant, pour le moment, on ne décompte aucune victime causée par l’impact d’un débris spatial. En 1996, le petit satellite Cerise du CNES a eu le privilège d’être la première victime avérée d’une collision avec un ob- jet connu. Un débris issu de l’explosion de l’étage supérieur du lanceur de Spot 1 a sectionné son mât de stabilisation (photo 2). Le 11 janvier 2007, la Chine a réalisé un test antisatel- lite en détruisant le satellite météorologique Fengyun-1C qui n’était plus opérationnel. Cet essai volontaire a engendré près de 4 000 nouveaux débris de taille suffisante pour être dé- tectés, augmentant d’un tiers leur nombre. Photo 1 : Réservoir en acier inoxydable du lanceur Delta 2 retombé près de Georgetown - Crédit photo : NASA. ACTUALITÉS Photo 2 : Vue d’artiste de l’accident du satellite Cerise - Source : CNES. Photo 3 : Impact d’une bille d’aluminium de 1,7 g sur un bloc d’aluminium de 8,2 cm d’épaisseur à la vitesse de 6,8 km/s. Le cratère fait 5,3 cm de profondeur. Crédit photo : EMI/ESA. ACTUALITÉS REE N°5/2018 Z 21 22 ZREE N°5/2018 Un exemple de collision catastrophique a eu lieu le 10 fé- vrier 2009, à 776 km au-dessus de la péninsule de Taïmyr en Sibérie. Cette collision impliquait le satellite opérationnel Iridium 33 de 560 kg et le satellite Cosmos-2251 de 900 kg, un satellite de télécommunications militaires russe hors ser- vice. Cette collision a été la première impliquant deux satellites intacts. Suite à cette collision plus de 2 000 débris d’une taille suffisante pour être détectés depuis le sol ont été engendrés. Ces deux événements apparaissent en clair sur la figure 1. Les dommages engendrés par les débris spatiaux peuvent être relativement importants même si la taille du débris est petite. Ceci est dû à la vitesse orbitale des débris qui est très élevée (de l’ordre de 25 000 km/h pour un satellite en orbite basse) et par conséquent l’énergie cinétique est très importante. Ces débris sont dits hypervéloces, l’onde de choc de l’impact se propage plus vite que l’onde sonore dans la structure de l’objet impacté et provoque la dislocation de l’ensemble (photo 3). Un satellite d’une tonne serait totale- ment disloqué par un débris de 500 grammes se déplaçant à 13 km/s. Les débris d’une taille inférieure à 1/10 de millimètre ne feront qu’éroder les surfaces des satellites, mais cette éro- sion, cumulée sur le long terme, peut occasionner le déta- chement d’écailles de peinture ou de nappes de protection thermique. Les débris d’une taille comprise entre 1 cm et 10 cm engendrent des dommages plus importants. Ils pré- sentent un réel danger du fait qu’ils ne sont pas détectables depuis le sol. A ce jour aucun blindage ne résiste à l’impact d’un débris de taille supérieure à 2 cm. Les débris de taille supérieure à 10 cm auront des conséquences catastro- phiques en cas de collision. Ce sont les seuls à pouvoir être détectés par des radars terrestres. Les dommages peuvent aller jusqu’à la fragmentation totale des objets collisionnant, avec la création de plusieurs milliers de débris supplémen- taires. La réduction des risques : des solutions coûteuses « Pour résoudre le problème des débris spatiaux, il faut agir sur deux axes : d’abord il faut arrêter de polluer et en- suite il faut ramasser les déchets, autrement dit les débris », déclare Luisa Innocenti responsable du programme Clean Space à l’Agence spatiale européenne (ESA). Les solutions existent, mais dans la mesure où elles aug- mentent significativement le coût des missions, elles ne sont appliquées dans leur totalité qu’aux vols habités. La plus évidente : le blindage Les blindages spécifiques sont des blindages multi- couches en kevlar ou en nextel qui consistent à ajouter des surfaces autour de l’élément à protéger. Ils ne sont efficaces que vis à vis des débris d’une taille inférieure à 2 cm. Cette solution ne couvre donc qu’une partie du risque. Les blin- dages intrinsèques consistent à utiliser les parois du satellite comme boucliers, ou à privilégier des altitudes particulières comme pour la navette spatiale. Une conception intelligente de l’architecture du satellite permet de protéger les équipe- ments fragiles en les plaçant soit sur des faces qui seront peu exposées, soit à l’intérieur du satellite. Ces mesures induisent une augmentation de masse et de coût. La prévention La passivation fluidique et électrique de l’engin spatial après la fin de sa mission, devrait permettre de diminuer la probabilité d’explosion de l’engin. Comme il n’existe pas, au- jourd’hui, de solution pour se débarrasser des débris déjà créés, les principaux acteurs du domaine spatial ont com- mencé à prendre des mesures préventives pour essayer de réduire la production de nouveaux débris. Ces mesures con- sistent, par exemple, à mettre sur une orbite “cimetière” les satellites géostationnaires en fin de vie afin de libérer l’orbite utile. Ces mesures sont décrites dans des documents tels que le Code de conduite européen sur les débris spatiaux. Elles entraînent elles-aussi un surcoût non négligeable. La nécessité de désorbiter ou de réorbiter les satellites en fin de mission entraîne en effet une réduction potentielle de leur durée de vie et nécessite la mise en place de dispositifs supplémentaires dont le coût peut être très élevé. La gestion opérationnelle des risques de collision Bien que ne concernant qu’un nombre très réduit des ob- jets en orbite, 5 % des objets spatiaux sont des satellites opé- rationnels, la fragmentation par collision d’un de ces objets peut entraîner la génération de plusieurs milliers de débris supplémentaires. La gestion opérationnelle des risques de collision consiste à détecter des rapprochements dangereux entre deux objets spatiaux pour ensuite analyser d’un point de vue statistique la probabilité que ces derniers entrent en collision. Les orbites évoluent sous l’action gravitationnelle de la Lune et du Soleil, mais aussi sous l’influence du flux solaire et du frottement atmosphérique et les observations utilisées pour le calcul des orbites des objets spatiaux sont- elles mêmes entachées d’erreur. La connaissance de la posi- tion orbitale d’un objet spatial, à une date donnée, est donc nécessairement associée à une certaine incertitude. Cette connaissance de la position et de la vitesse des objets spa- tiaux en orbite permet cependant une gestion opérationnelle des risques de collision entre deux objets spatiaux en rédui- sant le nombre de cas pour lesquels une manœuvre sera décidée. ACTUALITÉS REE N°5/2018 Z 23 La capture en orbite Deux approches techniques sont explorées : s POURDÏSORBITERLESGROSSATELLITES ILESTENVISAGÏLUTILISATION d’un bras robotique qui va attraper l’anneau de lancement de l’ancien satellite. Une fois capturé, le satellite est poussé vers la Terre sur une orbite de rentrée atmosphérique vers l’Océan Pacifique Sud ; s POURCAPTURERLESPETITSDÏBRIS ILESTENVISAGÏLUTILISATION d’un filet de pêche spatial, comme dans le projet e.Deor- bit (photo 4). Ces projets ne sont actuellement qu’à l’état d’études et leur faisabilité légale et technique reste à être démontrée. La prévision des rentrées dans l’atmosphère Lorsqu’on le peut, pour se débarrasser des gros objets en orbite, on les manœuvre afin de les placer sur une tra- jectoire interceptant les couches denses de l’atmosphère au-dessus d’une zone sans risque. Pour les épaves, comme les derniers étages de lanceurs ou de gros satellites hors de contrôle, ce n’est pas possible. Ils représentent cependant un danger, car leurs structures ne seront pas totalement dé- truites lors de la rentrée dans l’atmosphère. C’est le cas en particulier de certains réservoirs ou des chambres de com- bustion des moteurs, conçus pour résister à de fortes cha- leurs et de fortes pressions. Les dates, et par conséquent la localisation de l’endroit géographique où la rentrée aura lieu sont difficiles à modéliser. Ceci est dû au fait que la den- sité atmosphérique évolue en fonction de l’activité solaire et qu’on ne connaît pas l’attitude exacte de l’objet, ni son mouvement. Ceci induit des incertitudes sur le coefficient balistique qui détermine l’importance du frottement atmos- phérique. En évaluant ce coefficient avec une incertitude de 10 %, il est possible d’obtenir une fenêtre de rentrée et donc une trace au sol. Une réglementation internationale Si la communauté internationale cherche des méthodes pour éliminer les déchets actuellement présents, elle re- cherche par ailleurs une forme de réglementation qui, si elle était appliquée, limiterait le nombre de déchets à venir. Il n’y a actuellement pas de document international qui soit légalement contraignant en ce qui concerne les débris spatiaux. Cependant, quelques agences ont élaboré quelques règles sous forme de standards non contraignants : s 3TANDARD .!3! ÏTABLI EN   3AFETY 3TANDARD .33
1740.14 – Guidelines and Assessment Procedures for Lim- iting Orbital Debris ; s 3TANDARD.!3$!ÏTABLIEN3PACE$EBRIS-ITIGATION Standard NASDA-STD-18 ; s #.%33TANDARDS#OLLECTION -ETHODAND0ROCEDURE3PACE Debris – Safety Requirements (RNC-CNES-Q40-512) ; s %UROPEANCODEOFCONDUCTFORSPACEDEBRISMITIGATIONISSUE (le standard CNES a servi de base pour établir ce standard). Photo 4 : Vue d’artiste de la mission e.Deorbit avec bras robotisé – Source : ESA. ACTUALITÉS 24 ZREE N°5/2018 Le premier et, pour le moment, le seul Etat à s’être doté d’un système légal pour contrôler les activités spatiales de ses ressortissants est la France. Du fait de la nécessité d’un consensus international, et pour que tous les opérateurs appliquent les mêmes règles dans un contexte de concurrence économique, un comité internatio- nal composé de treize agences spatiales, l’IADC (Inter Agency Space Debris Coordination Committee) a été créé en 1993. Ce comité a établi un recueil de principes dictant les règles de base acceptées par les agences, l’IADC Mitigation Guidelines. Celui-ci a été avalisé par les Nations Unies en 2007, après examen et approbation par le UN-COPUOS (Committee for Peaceful Uses of Outer Space) et donc, au-delà des agences spatiales, par les 69 pays membres de ce comité. Le sous-co- mité scientifique et technique de l’UN-COPUOS, en se basant sur l’IADC Mitigation Guidelines, a également publié en 2008 son propre recueil de principes dictant les règles de base, do- cument bien sûr non contraignant. Toutes ces mesures qu’elles soient curatives ou préventives ont un coût non négligeable. « Tout le monde pollue. Certains pays ont pollué plus que d’autres, simplement parce qu’ils ont lancé plus de satellites que d’autres. Je ne crois pas que l’on puisse vraiment pointer l’un d’entre eux du doigt ou dire voilà les bons élèves et voici les pollueurs. Disons que la pollution est proportionnelle au nombre de lancements », estime Luisa Innocenti, responsable du programme Clean Space à l’ESA. Et demain ? Aujourd’hui l’espace circumterrestre ressemble un peu à ces espaces enneigés des hautes vallées de l’Himalaya. Vierges et sauvages il y a un demi-siècle, elles sont main- tenant recouvertes d’ordures et de débris. Depuis que l’ex- plorateur Sir Edmund Hillary a atteint le sommet de l’Everest en 1953, des milliers d’autres amateurs de sensations fortes ont tenté le trek. Comme dans l’espace, ce qui monte ne redescend pas toujours : tentes, matériel d’escalade cassé, bouteilles de gaz vides ou encore beaucoup d’excréments s’accumulent (photo 5). Et, comme dans l’espace, la lutte contre cette pollution n’est résolue ni par de belles recommandations ni par des opérations de récolte des déchets longues et coûteuses. L’aventure de l’espace est entrée depuis un peu plus d’une décennie dans une phase purement commerciale gouvernée par une recherche de rentabilité. Tant que la nuisance des déchets spatiaux coûtera moins cher que sa prévention, il ne faut pas s’attendre à des actions spectaculaires. Par contre l’augmentation des nuisances étant corrélée avec celle ra- pide des déchets, un temps viendra où le risque sera tel que les opérateurs devront prendre des mesures menant à des résultats rapides. Mais quand ? Q André Deschamps Photo 5 : Camp de base du versant népalais de l’Everest – Crédits : Wikipedia - Par ilker ender from Toronto, Canada. ACTUALITÉS