Les missions ATV

L’ESA a envoyé 5 exemplaires de l’ATV vers l’ISS entre 2008 et 2014 :

• ATV 1 Jules Verne : lancement le 9 mars 2008, amarrage le 3 avril 2008, rentrée atmosphérique le 29 septembre 2008.
• ATV 2 Johannes Kepler : lancement le 16 février 2011, amarrage le 24 février 2011, rentrée atmosphérique le 21 juin 2011.
• ATV 3 Edoardo Amaldi : lancement le 23 mars 2012, amarrage le 29 mars 2012, rentrée atmosphérique le 4 octobre 2012.
• ATV 4 Albert Einstein : lancement le 5 juin 2013, amarrage le 15 juin 2013, rentrée atmosphérique le 2 novembre 2013.
• ATV 5 Georges Lemaître : lancement le 29 juillet 2014, amarrage le 12 août 2014, rentrée atmosphérique le 15 février 2015.

Les phases de vol

Du décollage à la rentrée atmosphérique, plusieurs mois s'écoulaient au cours desquels l’ATV ravitaillait l’ISS et rehaussait son orbite.
 

Du lancement à l’injection

Le vaisseau cargo prenait son envol de Kourou, à bord d’une version spéciale d’Ariane 5. À l’issue de l’injection, l’ATV était placé sur une orbite à 260 kilomètres. Il déployait alors ses panneaux solaires et ses antennes, sous le contrôle de l’ATV-CC.
 

Le phasage

L’ensemble des équipements, éteints pendant le lancement et l’injection, étaient mis en route, testés et validés par le centre de contrôle. L’ATV se positionnait (« se phasait ») par rapport à l’orbite de l’ISS. Il restait sur une orbite dite de « parking », dans le proche voisinage de la station, jusqu’aux manœuvres d’amarrage.
 

Le rendez-vous

La dernière étape de la phase de vol libre avait lieu quelques jours après le lancement, avec le rendez-vous. De manière autonome, l’ATV, dans un premier temps, approchait de la station et se positionnait à 3 500 mètres derrière elle. C’est la position S2. Progressivement, l’ATV se rapprochait de l’ISS, par étape (une position S3 à 250 mètres et S4 à 20 mètres). Débutaient alors les opérations d’amarrage à l’ISS, aidées en cela par deux vidéomètres (composés d’un laser qui réfléchissait sur les cibles installées sur la station et d’un analyseur de l’image du rayon réfléchi) et des télégoniomètres qui produisaient 10 000 impulsions laser à la seconde. L’ensemble de ces manœuvres étaient coordonnées par le centre de contrôle de Toulouse, en liaison permanente avec les centres de Houston et de Moscou, et suivies par les astronautes à bord de la station. Une procédure d’échappement pouvait être activée à tout moment.
 

Un module de l’ISS

Une fois le sas d’amarrage ouvert par l’équipage de l'ISS, l’ATV devenait un module à part entière de l’ISS, utilisable par les astronautes. Ils pouvaient alors décharger le fret et l’ergol embarqués à bord, l’ATV étant un véhicule logistique de l’ISS.
 

Support propulsif

La phase attachée durait plusieurs mois durant lesquels des opérations de rehaussement de l’orbite étaient menées par le vaisseau cargo. Il était également possible qu’il fut utilisé pour des manœuvres d’évitement de débris ou pour des actions ponctuelles de correction d’altitude de la Station afin de faciliter les manœuvres de rendez-vous avec d’autres modules de ravitaillement. À l’issue de ces apports de fret et de support propulsif, les astronautes chargeaient dans l’ATV les déchets de la station. Les différents sas étaient fermés et l’étanchéité était vérifiée.
 

Rentrée contrôlée dans l’atmosphère

Les opérations de désamarrage débutaient alors. Le cargo se séparait de l’ISS et s’en éloignait. Les manœuvres de désorbitation étaient mises en place par le centre de contrôle toulousain. Cette dernière étape prenait plusieurs heures pendant lesquelles l’ATV parcourrait plusieurs fois l’orbite de la Terre. Enfin, il engageait sa rentrée destructrice dans l'atmosphère terrestre. Il se désintégrait au-dessus d’une zone inhabitée du Pacifique Sud.

Télécoms

L’ATV, comme tous les satellites en orbite basse, présentait une difficulté particulière dans la mise en place des télécommunications.
 

Une architecture complexe

En effet, la mécanique spatiale faisait que le vaisseau cargo effectuait seize fois le tour de la Terre chaque jour. Compte tenu des vitesses de passage au-dessus des stations sol, la communication ne pouvait être établie que pour sept à huit minutes à chaque passage. Un grand nombre de stations était nécessaire pour établir une communication quasi continue.

Pour résoudre ces difficultés, le centre de contrôle utilisait des satellites relais, en orbite géostationnaire, tournant en même temps que la Terre. Ainsi, le nombre de stations au sol était minimisé : l’ATV communiquait vers le satellite relais, qui communiquait à son tour vers une seule station sol.

Deux systèmes de satellite relais étaient utilisés : ARTEMIS, système Européen développé par l’ESA et TDRSS, système Américain développé par la NASA. Le centre de Houston jouait le rôle d’interface entre l’ATV-CC et le système TDRSS. Côté européen, c’était le centre de contrôle à Redu, en Belgique, qui jouait ce rôle.

Les besoins de communication entre le vaisseau cargo et l’ATV-CC étaient moindres une fois que l’ATV était attaché à la station. Par conséquent, les équipes CNES et ESA privilégiaient l’usage des satellites TDRSS qui seuls permettaient une communication continue pendant toute la phase de vol libre, puis le système ARTEMIS pendant toute la phase attachée.

Parlez ATV

Le langage commun des équipes ATV était constitué de nombreux anglicismes et d’expressions qui n’ont un sens que pour les scientifiques avertis. Nous allons tenter de définir ces termes en prenant appui sur l’arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales publié au Journal Officiel le 29 mars de la même année. Nous allons décliner une à une les phases de la mission ATV et clarifier le vocabulaire associé.
 

Le vol libre

La première étape des opérations était, bien entendu, le lancement. Jusque-là, pas de problème d’ordre linguistique. Venait ensuite l’injection, caractérisée notamment par un point d’injection, à savoir un point dans l’espace où Ariane 5 libère l’ATV en lui communiquant une vitesse suffisante pour décrire l’orbite visée.

À l’issue de l’injection débute la LEOP (Launch and Early Orbit Phase). L'ATV-CC « réveillait » le véhicule et en prenait le contrôle après sa séparation d'avec Ariane. Il surveillait la mise en route des équipements et notamment le déploiement des panneaux solaires.

La LEOP durait quelques heures puis les manœuvres de phasage (phasing en anglais) commençaient. Elles permettaient de mettre l'ATV sur une orbite qui l'amenait en quelques jours au voisinage de la station. Au cours de cette phase, les équipements de l’ATV nécessaires au rendez-vous étaient préparés et vérifiés.

Entre le début du phasage et l’amarrage à la station, l’ATV (Automated Transfer Vehicle) pouvait gagner une orbite de parking, c’est à dire une orbite sur laquelle il était placé temporairement en attendant une prochaine opportunité d'amarrage.

Arrivé à quelques dizaines de kilomètres de la station, les opérations de rendez-vous étaient enclenchées. L'ATV s'approchait progressivement de la Station par une série de manœuvres, jusqu'au contact qui déclenchait automatiquement la séquence d'amarrage.

Amarrage ou arrimage ?

La traduction française de docking est « amarrage ». Cette étape correspond à rendre mécaniquement solidaires des engins spatiaux, à l’issue de la phase de vol libre. À ne pas confondre avec « l’arrimage », qui désigne la fixation d'une charge utile à l'intérieur ou à l'extérieur d'un véhicule spatial.

Au cours de cette phase, l’ATV menait des opérations de reboost, c’est à dire de rehaussement d’orbite. L’ISS se trouvait à l’époque sur une orbite assez basse (à un peu plus de 350 kilomètres de la Terre) du fait des frottements dans la couche de l’atmosphère. Une des missions de l’ATV était donc de remonter la Station Spatiale Internationale, pour atteindre les 400 kilomètres. C’était un véhicule de support propulsif. Il devait donc manœuvrer la station, mais aussi corriger et contrôler son altitude et son orbite lorsque d’autres véhicules venaient s’amarrer à la station.

Les opérations de transfert de cargo étaient menées pendant cette même phase attachée. Les différents équipements embarqués à bord du cargo (matériel pour subvenir aux besoins de l’équipage, pièces de rechange pour la station, équipements scientifiques...) étaient transférés dans l’ISS. De plus, un transfert d’ergol, c’est à dire de carburant, était effectué.

Au bout de plusieurs mois commençait le retrait, dit « désamarrage » (undocking). Les déchets de la station étaient chargés à bord, les différents sas étaient fermés et après vérification de l’étanchéité, l’ATV était désorbité puis rentrait dans l’atmosphère, au-dessus du Pacifique Sud.

Les opérations étaient menées en liaison permanent entre trois centres de contrôle : l'ATV-CC situé au CNES à Toulouse, le Mission Control Centre à Houston (MCC-H) qui est le centre de contrôle ISS de la NASA et enfin le Mission Control Centre de Moscou (MCC-M), également connu sous l'acronyme TSUP.