Les satellites : de la fabrication à la mesure

Document extrait du cédérom “Les Géonautes enquêtent sur les océans”, OCA/CNES © 2000
Les satellites :
de la fabrication à la mesure
La surveillance de notre planète est entrée dans une ère nouvelle avec
l’avènement, depuis environ trente ans, de moyens d’observations spatiales. Les
satellites artificiels scientifiques et la grande précision de leurs instruments de
mesures ont permis d’obtenir des progrès considérables en apportant une vision
globale, rapide, fréquente et précise. Mais la conception, la réalisation et le
lancement de ces satellites restent encore aujourd’hui un véritable défi
technologique. Ceci est particulièrement vrai pour les satellites scientifiques car
leurs instruments et la plate-forme les emportant sont souvent réalisés de façon
unique.
Rôle des satellites altimétriques
L’océan, milieu mouvant et instable, se modifie sans cesse, sur des échelles de
temps et d’espace diverses et vastes. Observer cette immensité est donc une
entreprise délicate. Pendant longtemps, les océanographes ont recueilli des
données lors de campagnes en mer. Mais celles-ci sont difficiles (car perturbées
par les intempéries), de durée limitée et ne donnent qu’une vision partielle des
phénomènes en jeu. De plus, les variations de hauteur d’eau de l’océan sont
faibles, ce qui nécessite l’apport d’instruments sensibles et performants. Pour
développer la compréhension du milieu océanique, il est indispensable de recourir
à une très large variété de mesures. C’est ce qu’il est possible d’obtenir avec les
satellites altimétriques. La première expérience fut réalisée, il y a plus de vingt
ans, à bord de SkyLaB, une station orbitale américaine habitée. Il y a maintenant
bientôt dix ans qu’un ensemble de satellites altimétriques (ERS-1,
TOPEX/Poséidon, ERS-2), permettent d’effectuer des mesures de grande
précision et d’en assurer la continuité afin d’étudier le comportement des océans
et leur évolution dans le temps. De nouveaux satellites, encore plus précis,
prendront la relève de leurs aînés en 2001 (notamment Jason-1, le successeur de
TOPEX/Poséidon, actuellement fabriqué chez Alcatel, Cannes).
La fabrication : un travail de grande envergure.
Il s’écoule bien souvent plus de dix ans entre le moment où le projet est accepté
et la date de mise en orbite du satellite. La fabrication d’un satellite est un
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travail de haute qualité. L’intégration de tous les instruments, du panneau solaire
au moindre boulon se fait avec une minutie extrême, totalement à l’abri de la
poussière. Durant cette phase de réalisation, le satellite va être soumis aux pires
tortures permettant de tester sa résistance aux conditions difficiles du
lancement (fortes vibrations, bruit intense, forte accélération, etc) ainsi qu’au
milieu hostile que représente l’espace (comme les variations de température de
plusieurs centaines de degrés ou les collisions avec de petites particules). Durant
les dernières semaines précédant le lancement, le satellite est d’ores et déjà
placé dans la coiffe de la fusée, qui le tient à l’abri de l’humidité et des
poussières.
Satellite Jason 1 en intégration à Alcatel
Le satellite altimétrique TOPEX/Poséidon
Issu d’une coopération franco-américaine, le satellite TOPEX/Poséidon a été
placé sur orbite en août 1992. L’objectif de cette mission est de mesurer la
hauteur des océans avec une précision de 2 à 3 centimètres, donnant accès aux
variations de la circulation océanique inhérentes aux échanges entre l’océan et
l’atmosphère. Son rôle consiste donc à obtenir une vision globale et rapide de
l’état des océans et à faire des mesures répétées et sur une grande période de
temps. Pour accomplir ce travail, ce satellite comporte principalement deux
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altimètres qui mesurent la distance entre le satellite et la surface de l’eau, ainsi
que trois instruments indépendants qui permettent de déterminer avec
exactitude la position du satellite. L’objectif des océanographes est l’assimilation
des données fournies par TOPEX/Poséidon dans des modèles de circulation
océanique, afin de pouvoir faire des vérifications, puis des prédictions. La
modélisation consiste à traduire un phénomène physique par des chiffres et des
formules, afin de suivre et comprendre son évolution. L’intérêt du modèle
numérique est donc d’aboutir à des prévisions de plus en plus fiables. Mais une
fois construit, il est important dans de nombreux cas, de vérifier si les
estimations sont conformes à la réalité. Pour cela, les campagnes de mesures en
mer sur les zones concernées, afin d’obtenir des données “in situ”, sont toujours
indispensables. La collecte de mesures doit donc se poursuivre et assurer en
outre la continuité des données altimétriques de TOPEX/Poséidon. Le lancement
de Jason-1 prévu en 2001, aidera à la mise en œuvre de futurs systèmes
opérationnels d’observation des océans et de centres de prévision climatique.
Le lanceur : un “transporteur” de satellite.
Mettre un satellite en orbite nécessite une machine d’une très
grande puissance afin d’atteindre l’altitude prévue et de donner
l’impulsion suffisante. Cette machine s'appelle le lanceur spatial.
Son fonctionnement consiste à expulser, par un moteur-fusée
puissant, d’importantes quantités de gaz (mélange d’hydrogène et
d’oxygène appelé ergols), provoquant l’ascension du lanceur. Cette
réaction repose sur un phénomène naturel découvert par Newton :
l’égalité entre l’action et la réaction. Le lanceur Ariane 4 est
composé de trois éléments séparables posés les uns sur les autres,
ce qui permet un allègement progressif considérable puisque les
étages sont successivement largués lorsque leurs missions de poussée
respectives sont terminées. Le premier étage est le plus puissant des trois, et
comporte deux réservoirs volumineux qui permettrent, par le biais du décollage
vertical, de hisser le lanceur au-delà de l’atmosphère, soit 10 à 20 kilomètres,
dans un milieu quasiment vide, en trois minutes environ. Puis le deuxième étage
prend le relais. Tout en poursuivant son ascension, le lanceur adopte une
trajectoire quasi circulaire, gagnant progressivement une très grande vitesse
(c’est ce qui permet de vaincre l’attraction terrestre et de ne pas retomber sur
Terre). Le troisième étage intervient pour finaliser le processus de satellisation,
six minutes après le décollage. Son rôle est de permettre au satellite d’obtenir
une vitesse horizontale suffisamment élevée (un peu moins de 10 kilomètres par
seconde à la bonne altitude). C’est alors que la coiffe, située au sommet du
lanceur, peut s’ouvrir libérant ainsi le satellite sur son orbite de transfert. Mais
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pour atteindre l’orbite exacte visée, une dernière impulsion est donnée par un
petit moteur situé sur le satellite, qui sera allumé au moment approprié, par un
ordre radio envoyé depuis la Terre. Une surveillance continuelle assortie de
quelques manœuvres de correction de trajectoire est indispensable pour
maintenir le satellite opérationnel. C’est ainsi que le satellite TOPEX/Poséidon a
commencé sa vie spatiale en 1992, et poursuit encore son parcours orbital
circulaire autour de la Terre, dans l’attente de son successeur Jason 1, dont le
lancement est prévu en 2001.
Bibliographie
BT (Bibliothèque de Travail) : Ariane, lanceur européen, édition PEMF, n° 1070,
septembre 1995.
BT (Bibliothèque de Travail) : TOPEX/Poséidon, mesureur des océans, édition
PEMF, n° 1103, décembre 1998.
BT (Bibliothèque de Travail) : Les routes de l’espace, édition PEMF, n° 1092,
novembre 1997.
L’espace, comment ça marche, à quoi ça sert ? de Philippe Buffet et Marcel
Lebaron, les éditions Ronald Hirle.
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