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Un satellite
Comment ça marche ?
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Après avoir vu quel parcours peut suivre un satellite sur son orbite, noté les contraintes mécaniques qu’il subit pour l’atteindre et pris en compte l’environnement hostile où il va évoluer, nous pouvons maintenant étudier les parties qui le composent et les précautions à prendre pour que ces engins complexes fonctionnent pendant des dizaines d’années.
Un satellite n’est autre chose qu’un véhicule utilitaire particulier. Nous aurions la même approche pour décrire un camion ou un avion conçu pour une certaine mission. Et en premier lieu ce serait tous les organes indispensables pour assurer le fonctionnement et les servitudes de la charge utile et la bonne exploitation des résultats. Cet ensemble est la plate-forme souvent appelée le bus.

 

Les fonctions élémentaires

La plate-forme comprend les équipements de base suivants :

La structure

qui est en fait le châssis destiné à rassembler tous les équipements du satellite, y compris les charges utiles. C’est un élément important qui doit résister aux contraintes mécaniques et thermiques, qui doit protéger les ensembles embarqués, faciliter les installations et être le plus léger possible.

L'énergie

qui est le dispositif qui va fournir de l’électricité pendant des années aux appareils de bord. Il faut une source, le plus souvent de cellules solaires photovoltaïques mais aussi des batteries de stockage et les dispositifs de gestion de cette alimentation. La puissance fournie est plutôt faible (0,5 à 20 kW max), ce qui exige un choix de composants à faible consommation. Batteries et cellules se dégradent avec le temps et limitent souvent la durée de vie des satellites.

La température

Comme indiqué, le contrôle thermique est indispensable sur un satellite. D’une part, il faut isoler le mieux possible l’intérieur des variations venant de l’extérieur (soleil et fond du ciel). Des revêtements spéciaux enveloppent le satellite, ce qui lui donne la couleur or que l’on voit souvent. D’autre part, sans convection pour diffuser la chaleur produite par les équipements, il faut l’évacuer et on utilise des dispositifs qui la transportent et la rayonnent vers l’extérieur.

La propulsion

Après la phase lanceur, beaucoup de satellites doivent corriger leur position pour atteindre la place qu’ils doivent avoir. De même, les orbites se décalent dans le temps et il faut repositionner les satellites. Des petits moteurs alimentant des tuyères vont assurer ces corrections. Ils sont reliés à des réservoirs d’ergols ou de gaz qui vont aussi conditionner la durée d’exploitation des satellites. Un cas particulier est celui des satellites géostationnaires où le moteur de bord assure le passage de l’orbite elliptique de transfert à l’orbite définitive et où les ergols pèsent plus que la moitié du poids du satellite.

 

La gestion de bord

Il s’agit ensuite d’orchestrer tous les équipements pour rendre le satellite apte à remplir sa mission.
Plusieurs fonctions sont importantes :

La pilotage

C’est le centre de gravité du satellite qui décrit l’orbite, mais la moindre impulsion subie au moment de la satellisation peut provoquer une rotation anarchique du corps du satellite. Il convient de donner une bonne orientation pour le fonctionnement des équipements (panneaux solaires, capteurs, antennes,…). On peut le faire par des méthodes passives ou actives. Les méthodes passives, sans dépense d’énergie, permettent de pointer la Terre pour des petits satellites. Il y a le gradient de gravité ou encore l’utilisation d’un aimant pour s’aligner sur le champ magnétique terrestre. A ces méthodes peu précises, on préfère en général une orientation active. On peut utiliser comme pour Météosat la rotation du satellite (100 t/mn) pour l’orienter à la façon d’une toupie, c’est l’orientation gyroscopique ou spinnée. Pour les satellites de télécommunication, on utilise une méthode plus complexe mais plus précise : des capteurs (gyromètres, accéléromètres, capteurs optiques, …) vont déterminer l’attitude du satellite dans l’espace, des actionneurs (tuyères , roues de réaction, ..) appliquent les corrections calculées par un ordinateur de bord. C’est l’orientation trois axes.

La communication

La plupart des satellites ont besoin de communiquer avec la Terre ou avec d’autres satellites. Au moins trois types d’informations sont ainsi échangés par des liaisons hertziennes. On distingue :
Les télécommandes qui sont les ordres envoyés par les centres de contrôle pour assurer le fonctionnement et l’orientation de la plateforme et pour faire fonctionner les charges utiles.
Les télémesures qui sont des informations envoyées par le satellite pour rendre compte de son état, de son environnement et de la bonne exécution des télécommandes.
Les données scientifiques et techniques qui sont fournies par les charges utiles. Ce sont les images d’observation de la Terre et du cosmos ou les différentes mesures prises par les expériences de bord. Ce peut être aussi comme dans les télécommunications des données reçues et renvoyées après un traitement interne dans le satellite.

 

La fiabilité et la durée de vie

A part de rares exceptions comme les stations spatiales ou certains télescopes ( Hubble), les satellites ne peuvent pas bénéficier d’interventions humaines pour une réparation, une révision périodique ou un réapprovisionnement. Pour leur voyage au long cours qui peut durer jusqu’à 20 ans, ils doivent emporter tous ce dont ils auront besoin et des rechanges pour des dépannages. La conception va prendre en compte cet isolement du satellite et veiller à ce qu’il puisse assurer sa mission pendant la durée fixée pour son fonctionnement. Tous les facteurs susceptibles d’intervenir sont pris en compte, depuis la protection contre l’environnement hostile de l’espace jusqu’au choix des composants et des circuits. L’étude prendra en compte :

Les dépannages en orbite rendus possibles en disposant à bord de rechanges qui peuvent être commutées pour remplacer l'élément défaillant. Ce sont les parties qui s’usent en fonctionnement ou dont la fiabilité est le moins assurée qui bénéficient de ces redondances.
Les réserves de consommables pour la propulsion ou les corrections d’orbite et d’attitude (gaz ou ergols) qui sont souvent le premier facteur qui limite la durée de vie.
L’étude des fonctionnements dégradés. On s’efforcera d’éviter les situations où la panne d’un seul élément entraine la perte totale de la mission du satellite. Ces cas sont étudiés sur schéma et des missions réduites sont préparées. De nombreux satellites dans cette situation peuvent être encore très opérationnels.
Les essais représentatifs qui permettront de vérifier au sol le comportement des équipements et la validité des calculs prévisionnels.

 

La leçon des satellites

Même si les lanceurs ont amélioré leurs performances, le prix d’un kilogramme placé en orbite est très élevé et il est probable qu’il le restera. Comme nous l’avons vu, ce matériel subit des contraintes sévères au lancement et dans l’environnement spatial. Enfin, il n’est pas question d’aller le dépanner pour corriger une erreur de conception ou de fabrication. Ces conditions ont conduit l’industrie spatiale à développer des méthodes extrêmement rigoureuses de la conception à l’exploitation en orbite. Beaucoup d’autres industries ont pris exemple sur les méthodes du spatial quand elles ont voulu améliorer la fiabilité de leur production. Et en tout premier lieu , l’aéronautique et l’automobile.

 

Textes : Jack Muller

crédits image: http://hubblesite.org/gallery http://www.esa.int/