3 Juin 2015

Un peu de vulgarisation : le satellite

Présentation détaillée du fonctionnement d'un satellite

Comment ça marche... un satellite ?

Le 4 octobre 1957, l’Union Soviétique met pour la première fois un satellite artificiel en orbite. Spoutnik restera exactement 3 mois autour de la Terre et émettra des signaux pendant 21 jours. Modeste sphère d’aluminium, il mesure 58 cm de diamètre, pèse à peine plus de 80 kg et évolue entre 200 km et 900 km d’altitude.

Surnommé le « très simple », il est composé d’un émetteur radio, dont les célèbres « bip bip » seront entendus dans le monde entier, de 4 antennes mais également de capteurs de températures et de pression, fournissant des renseignements sur la haute atmosphère.

L’exploitation scientifique du satellite appartenait malgré tout encore à l’avenir, mais Spoutnik était un symbole, celui qui allait amorcer l’essor des applications spatiales. Si en 1955, l’utilité des satellites semblait plus que dérisoire, elle est devenue depuis incontestable.

Aujourd’hui, environ 2 500 satellites tournent autour de la Terre : les objectifs se sont diversifiés, les technologies améliorées et complexifiées et les limites géographiques ont été repoussées. Grâce à une meilleure compréhension des lois physiques de l’espace, un véritable savoir-faire s’est développé en matière de conception, d’assemblage et d’exploitation des satellites artificiels

Une physionomie sur mesure

Les satellites ont des objectifs très variés et ont de ce fait une physionomie qui leur est propre.

Cependant, de même que sur tout véhicule motorisé on retrouve un châssis, un moteur, des réservoirs de carburant et les mécanismes de direction, tous les satellites ont une structure de base et une organisation communes.

Elément central, la plate-forme, encore appelée bus, supporte les équipements nécessaires à la mission, qu’on appelle la charge utile, et est équipée pour lui fournir les ressources nécessaires à son fonctionnement. Elle comprend notamment des équipements de mesure, de communication, de commande, de gestion et de servitude. Elle est en général composée d’une structure en treillis très rigide, capable d’encaisser les accélérations et vibrations durant le lancement.

Jargon

Satellite ou satellite ?
Littéralement, un satellite est un objet céleste animé d’un mouvement périodique autour d’un corps plus massif, sous l’effet du champ de gravité de ce dernier. Depuis l’avènement de l’ère spatiale, on distingue les satellites naturels comme la Lune des satellites artificiels, qu’on appelle couramment satellites.

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Physionomie du satellite d'altimétrie JASON-1. Crédits : CNES

 Selon sa mission, le satellite comprend les divers instruments lui permettant d'assurer sa mission par exemple effectuer des prises de vue, d’enregistrer des données, d’émettre et de recevoir des ondes radioélectriques. Il fabrique sa propre énergie, fournie par des panneaux solaires.

Un satellite terrestre orbite en général entre 450 km et 36 000 km d’altitude. Son déplacement est naturellement assuré par la gravitation. Il possède néanmoins des moyens de propulsion utilisés pour effectuer des manoeuvres orbitales, dont pour certains la mise sur orbite définitive.

Le tout est commandé par un ordinateur qui assure la gestion des divers équipements et permet de communiquer avec des stations au sol.

L'énergie, denrée essentielle


Détail des cellules photovoltaïques sur un panneau solaire. Crédits : CNES

Tous les systèmes du satellite ont besoin d’électricité pour fonctionner. En général, elle est fournie par des panneaux solaires, composés de cellules photovoltaïques, qui transforment l’énergie des photons reçus par le Soleil en énergie électrique.

Lorsque le satellite est situé en orbite basse, chaque mètre carré exposé au Soleil reçoit une puissance de 1 400 Watts.

De faible rendement, ce système ne permet de récupérer et d'utiliser que 200 Watts/m2. Pour être le plus rentables possibles, ils doivent être tournés en permanence vers le Soleil.

Certaines sondes interplanétaires, voyageant à des distances très lointaines du Soleil, ont des panneaux d'environ 30 m2 chacun. L'apport en énergie est complété par des générateurs nucléaires.


Tests de déploiement des panneaux solaires de la sonde Rosetta. Crédits : ESA/CNES/Arianespace

L’énergie produite est soit utilisée directement par les systèmes, soit stockées dans les batteries pour assurer la continuité du fonctionnement lorsque le satellite n'est plus éclairé (passage derrière la Terre) ou faire face à des phases de consommation plus importantes.

La plus grande partie de l’énergie consommée par les systèmes est rejetée sous forme de chaleur, qui se dissipe difficilement. Les échanges thermiques doivent être contrôlés pour éviter une surchauffe ou à l’inverse un refroidissement excessif.
La température interne est régulée grâce à des couvertures réfléchissantes et isolantes ; des radiateurs évacuent les excédents de chaleur vers l'espace.

Le saviez-vous ?

Les transferts de chaleur
Dans l'espace, la chaleur ne se propage que par rayonnement : l’énergie se diffuse sous forme d’ondes. Sur Terre, 2 autres mécanismes naturels assurent la dissipation et l’homogénéisation des températures :

  •     la conduction : la chaleur se propage de proche en proche au moyen de choc entre particules ;
  •     la convection : la chaleur se propage par déplacement au sein des fluides.

La vie d'un satellite


Salle de contrôle d'où sont suivies les opérations de mise à poste. Crédits : CNES

Un satellite commence sa vie dans l’espace replié sous la coiffe du lanceur, qui le protège des frottements de l’air lors du passage dans l’atmosphère. Fixé par une petite interface, le satellite se sépare grâce à un système pyrotechnique et des ressorts lorsqu’il est sur l’orbite visée.

Dans les heures qui suivent, les panneaux solaires sont déployés, son attitude par rapport à la Terre et au Soleil s’adapte, et le satellite effectue les manœuvres nécessaires pour rejoindre son orbite définitive. C’est la phase de mise à poste, qui varie selon la mission : en orbite basse, le satellite est généralement injecté sur une trajectoire proche de celle choisie ; en orbite géostationnaire, il est injecté sur une orbite de transfert.

Il n’est cependant pas opérationnel immédiatement. La phase de recette en vol est destinée à valider en environnement réel le fonctionnement et les performances du système, impossibles à réaliser au sol. Les différents instruments sont donc progressivement « réveillés » et testés.

Au bout de cette phase pouvant durer de quelques semaines à quelques mois, le satellite est déclaré apte pour le service.

Correctement positionné, il est lancé à une vitesse variant de 11 000 km/h à 28 000 km/h selon son altitude. Perturbé par différents phénomènes, il ne se maintient pas naturellement sur sa trajectoire. Les opérations de maintien à poste, assurées conjointement par des services au sol et l’ordinateur de bord, permettent tout au long de son exploitation d’effectuer les corrections de trajectoires et d’orientation nécessaires au bon déroulement de sa mission.

Le saviez-vous ?

Des tests avant le lancement
Déjà 10h avant le lancement, la télémesure émise par le satellite est transmise au centre de mise et de maintien à poste. Chaque spécialiste analyse sur ses écrans l'évolution de paramètres mesurés à distance. Ils peuvent ainsi contrôler à l’avance le fonctionnement de l'équipement dont ils auront la charge pendant le vol.

Le contrôle en vol

Température, tensions, paramètres d’orientation…

De nombreuses fonctions sont trop complexes ou trop fastidieuses pour pouvoir être en permanence pilotées depuis le sol. L’ordinateur de bord est donc programmé pour assurer ces tâches : en fonction des données reçues par différents capteurs, il gère automatiquement les actions nécessaires.

Selon le type d'orbite, le satellite peut être est en liaison quasi permanente avec un centre de contrôle, auquel il transmet par le biais d'antennes les données permettant de suivre son fonctionnement. Des ordres sont régulièrement transmis depuis le sol pour reconfigurer l'ordinateur de bord ou directement les équipements.

Pour mener à bien leur mission, recevoir suffisamment d'énergie et communiquer avec la Terre, instruments et antennes doivent conserver une orientation bien précise dans l'espace, obtenue en faisant tourner la plate-forme sur elle-même. Les opérations de mise et maintien à poste nécessitent également d'effectuer des manoeuvres orbitales.

Le satellite est donc équipé de moyens de propulsion : un ensemble de petits moteurs, actionnés depuis la Terre ou automatiquement. Actuellement, la plupart des moteurs utilisent la propulsion chimique. La durée de vie du satellite est donc principalement conditionnée par ses réserves en ergols, puisqu’il devient inutilisable dès qu’on ne peut plus le contrôler. D’autres types de propulsions, ioniques ou plasmiques, plus adaptées et plus performantes, sont de plus en plus utilisées.

Le saviez-vous ?

A l’étoile, tourne à gauche !
Depuis le sol, un satellite apparaît au mieux comme un point dans le ciel. Il est impossible de connaître directement son attitude, ou orientation. Il est donc équipé de capteurs stellaires, capables de mesurer leur position par rapport au Soleil, à certaines étoiles ou à un point terrestre. L’orientation du satellite est ensuite déterminée par calcul.

Un outil adapté à chaque mission

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De bas en haut : les satellites METEOSAT, MARS EXPRESS, SPOT 5.
Crédits : CNES, ill. D.Ducros

L’ensemble des instruments spécifiques aux objectifs de la mission est appelée la charge utile, qui comprend généralement différents instruments. On distingue plusieurs types de missions, parmi lesquelles :

  • la météorologie, dédiée à la prévision immédiate et à l’étude de l’évolution du climat ;
  • les sciences de la Terre, destinées à mieux comprendre le fonctionnement de la planète et protéger l’environnement. Les observationscouvrent les terres émergées – couvert végétal, occupation des sols, calottes polaires – mais aussi les océans, les phénomènes atmosphériques et géophysiques ;
  • les sciences de l’Univers, permettant d’enrichir nos connaissances sur l’origine de l’Univers et de la vie sur Terre. Ces satellites sont dédiés à l’exploration du système solaire et à l’astronomie (on parle alors plus souvent de sondes), mais également à la physique fondamentale et à l'exobiologie ;
  • les missions de télécommunications, utilisant le satellite comme relais pour de nombreuses applications comme le téléphone, la télévision,
  • le multimédia et les échanges d’informations ;
  • la navigation par satellites, permettant de se positionner précisément et à tout moment à la surface du globe. Elle joue un rôle important pour l’aide à la navigation maritime, le contrôle de la circulation ou les missions de recherche et de sauvetage ;
  • les activités militaires, utilisant la plupart des technologies spatiales civiles pour la surveillance des théâtres d’opérations et la rapidité des communications, avec la garantie d’un service intègre et confidentiel.

Selon la mission, la charge utile contient des instruments de prise de vue, des moyens de mesures ou des répéteurs, qui amplifient et transmettent par ondes radio les signaux entre la Terre et le satellite.


Voir aussi

Approfondir