Introduction: Les Satellites, comment ça marche?

Introduction: Les Satellites, comment ça marche?

Contrairement à ce que l’on pense, les satellites sont très nombreux, en effet, en 2012 plus de 5000 satellites tournent autour de notre planète ! Beaucoup sont en fonction mais d’après le site officiel de la NASA (Agence Spatiale Etats-Unienne) près de 3000 sont désormais inactifs.

Illustration grâce à Google Earth, montrant le nombre impressionnant de satellites autour de notre planète. Crédits Google/NASA.

Mais qu’est-ce qu’un satellite, tout d’abord ?

Il y a deux catégories de satellites :

-          Les satellites naturels, qui existent depuis des milliards d’années (à vrai dire, il est impossible pour l’instant de dater l’apparition du premier satellite naturel) ;

-          Les satellites artificiels, fabriqués par l’Homme, ont quant à eux fait leur apparition en 1957 avec Spoutnik 1 (voir la rubrique consacrée à la Guerre Froide et aux Satellites militaires)

Nous allons nous intéresser tout particulièrement aux satellites artificiels.

Un satellite artificiel est donc un objet, de toute taille, et de tout usage, conçu par l’Homme, et qui tourne autour d’un astre : cela peut être autour de la Terre, comme de la Lune, mais aussi de Mars ou de Saturne.

Envoyer un satellite dans l’espace, mode d’emploi

Pour envoyer un satellite dans l’espace, il n’y a actuellement qu’une seule possibilité : le lancer à l’aide d’une Fusée Lanceur. En effet, la navette spatiale n’est désormais quasiment plus utilisée, notamment aux Etats Unis.
Une fois la fusée décollée, il faut qu’elle effectue une trajectoire parabolique de sorte que les deux forces que sont la gravitation (attraction) terrestre et la force de poussée de la fusée. Alors que l’attraction terrestre reste la même (tout en sachant qu’elle est de moins en moins ressentie au fur et à mesure que l’on s’éloigne de notre planète), la force de poussée de la fusée est variable et dépend de divers paramètres comme le poids, mais aussi la vitesse de la fusée. Ainsi plus la vitesse initiale de l’objet est importante, plus le point de chute est éloigné. Arrivé à une certaine vitesse, la fusée se satellise à une certaine altitude qui dépend de la vitesse initiale. Pour que l’objet conserve indéfiniment sa vitesse, il faut toutefois que celui-ci se déplace dans le vide au-dessus de l’atmosphère, là où aucune force de traînée (frottement) ne s’exerce : à cette altitude en application du principe d’inertie aucune énergie n’est en effet nécessaire pour maintenir son mouvement.

Pour qu’un objet soit satellisé autour de la Terre, il faut que sa vitesse horizontale par rapport au centre de la Terre soit de minimum 7700m/s (pour une orbite circulaire à 200km d’altitude). A l’inverse, si cette vitesse dépasse 11km/s, on atteint la vitesse de libération : l’objet va pouvoir se « détacher » de l’attraction terrestre et se diriger vers d’autres planètes.

Si vous avez bien suivi, alors vous avez compris que pour satelliser un objet, il faut que cet objet aie une vitesse incluse entre 7700m/s et 11000m/s !

La vitesse de satellisation minimale est proportionnelle à la gravité – et donc à la masse – du corps céleste autour duquel le satellite doit orbiter  : un objet qui décolle du sol lunaire a besoin d’une vitesse horizontale beaucoup plus faible pour être satellisé (4 fois plus faible que la Terre : 1,7 km/s).

Relation entre vitesse d’injection et orbite (apogée) pour un périgée fixé à 200 km2

PÉRIGÉE (KM)	VITESSE D’INJECTION (KM/S)	REMARQUE	APOGÉE ATTEINT (KM)	TYPE D’ORBITE
200	7,78	Vitesse minimale de satellisation	200	Basse (orbite circulaire)
200	8		1 000	Basse
200	9,2		10 000	Moyenne
200	10,2		36 000	Géosynchrone
200	10,8		380 000	Lune
200	11	Vitesse de libération	infini	interplanétaire

Ok, j’ai lancé mon satellite dans l’espace, et maintenant?

Il faut également définir la trajectoire du satellite, pour cela il faut appliquer les 3 lois formulées par Kepler, et qui s’appliquent à n’importe quel objet gravitant autour de la Terre (ou de n’importe quel astre):

• Loi I : l’orbite du satellite a la forme d’une ellipse dont un des deux foyers se trouve au centre du corps céleste (par exemple la Terre) autour duquel il gravite ; une orbite circulaire est un cas particulier de l’ellipse dont les deux foyers sont confondus au centre de la Terre. La forme de l’ellipse peut être définie par :

• la distance rp du point de l’orbite le plus proche de la Terre (le périgée) au centre de la Terre,
• la distance ra du point de l’orbite le plus éloigné de la Terre (l’apogée) au centre de la Terre,

On utilise généralement à la place :

• le demi-axe a défini par la formule 2a = rp + ra,
• l’excentricité e qui définit l’allongement de l’ellipse et peut être calculée par la formule e = 1-rp/a. Elle prend une valeur comprise entre 0 et 1 : 0 correspond à une orbite circulaire et plus la valeur est proche de 1 plus l’orbite est allongée ;

• Loi II : le satellite se déplace d’autant plus vite qu’il est proche du corps céleste ; plus précisément la droite qui joint le centre du corps céleste au satellite balaie toujours une aire égale dans un intervalle de temps donné ;

• Loi III : le carré de la période de rotation du satellite autour du corps céleste varie comme le cube de la longueur du grand axe de l’ellipse. Si l’orbite est circulaire, le grand axe est alors le rayon du cercle.

La période orbitale, ou comment défier "Le Tour du monde en quatre-vingts jours"

A partir de là, on peut calculer combien de temps prends le satellite pour effectuer un tour complet autour de son astre: c’est la période orbitale.
Elle est définie par cette formule:

 où  et où a est la longueur du demi-grand axe de l’orbite

Si on l’applique pour calculer la période orbitale de notre Terre (qui tourne autour du Soleil, rappelons le), alors on trouvera le chiffre très précis de 365 jours et 6 heures.

Ce qui peut compliquer et fausser les calculs

(mais heureusement, avec très peu d’impact sur le résultat final)

Bien que des illustres scientifiques s’acharnent à proposer des formules toujours plus complexes, et assistés par des ordinateurs de plus en plus puissants, il existe de nombreux autres paramètres pouvant influer sur la trajectoire d’un satellite, parmi lesquels:

- dans le cas d’une orbite basse (inférieure à 300km): la résistance de l’atmosphère (rappelons que dans l’espace, il n’y a pas d’air, et donc pas de frottement et ainsi de perte de vitesse);

- l’attraction de la Lune;

- l’attraction du Soleil;

- les joyeuses inconnues et irrégularités soudaines dont seul le Champ de Gravité connait le secret;

A propos de la résistance de l’atmosphère:

Si vous suivez les actualités, vous aurez probablement remarqué qu’il y a quelques mois la Russie a tenté d’envoyer une sonde en direction de Mars, et plus précisément de ses deux satellites naturels, Phobos et Deimos. Malheureusement la mission a échoué, lorsque la sonde devait se séparer de l’attraction terrestre pour partir vers Mars, pour une raison plutôt obscure que les ingénieurs de l’Agence Spatiale Russe n’ont pu déterminer.
En effet, la sonde étant restée dans une orbite basse en attendant son hypothétique départ vers Mars, elle a subit la résistance de l’atmosphère et s’est écrasée en plusieurs morceaux, environ un mois après  … Rue Des Cosmonautes, en Sibérie.

Un échec donc, pour la sonde Phobos-Grunt.

Ainsi, on peut calculer aisément combien de temps restera un satellite ou une sonde en orbite autour d’un astre, comme la Terre.

Vous trouverez ci-dessous quelques chiffres sur combien de temps en général reste un satellite, si on éteint l’intégralité de ses moteurs:

• quelques jours pour une orbite de 200 km ;
• quelques semaines à 300 km ;
• quelques années à 600 km ;
• un siècle à 800 km (c’est l’orbite des satellites de télédétection, comme la famille Spot) ;
• plusieurs siècles à 1 000 km (ce sont les orbites des constellations des satellites de télécommunications, comme Globalstar et Iridium) ;
• un million d’années à 36 000 km (ce sont les satellites géostationnaires, ou ceux qui ont terminé leur service opérationnel et ont été désorbités, vers une orbite de rebut

Les différentes orbites

Parce qu’un satellite anglais ne peut pas rouler à gauche

Les orbites des satellites terrestres peuvent avoir de nombreuses formes et orientations : certaines sont circulaires ou au contraire en forme d’ellipse très allongée. Elles peuvent se situer à basse altitude juste au-dessus de l’atmosphère terrestre (250 km) ou dépasser 30 000 km. L’orbite d’un satellite artificiel est choisie pour répondre au mieux aux besoins de la mission. La plupart des satellites utilisent un des quatre types d’orbite suivants :

- l’orbite géostationnaire (également appelée "de Clarke") est une orbite circulaire située au niveau de l’équateur, et ayant une trajectoire permettant de faire constamment passer les satellites à 35 786km d’altitude. L’avantage de cette altitude extrêmement précise (le rayon de l’orbite étant de 42 164km) est qu’il permet de suivre la terre en Temps Réel. En effet, la période de révolution du satellite est de 23 heures, 56 minutes, et 4 secondes, ce qui équivaut à la seconde près à la journée terrestre.

Ainsi, un satellite en orbite géostationnaire semblera immobile dans le ciel: cette orbite est fort adaptée  aux les satellites de télécommunications et pour certains satellites d’observation (météo) qui doivent couvrir une zone fixe. Trois satellites géostationnaires suffisent pour l’ensemble de la surface du globe terrestre. La mise à poste d’un satellite géostationnaire nécessite, du fait de l’altitude, un lanceur puissant.

- l’orbite polaire, également circulaire, se caractérise généralement par une altitude de 300 à 1000km et se différencie par son inclinaison proche de 90°, qui la fait passer au dessus des pôles. Ainsi, avec la rotation de la Terre, les satellites empruntant cette orbite observe tous les points de la surface. Cette orbite est souvent utilisée par les appareils d’observation car grâce à l’orbite héliosynchrone les satellites se retrouvent tous les jours à la même heure au même endroit; il est donc par exemple possible de prendre des photos du continent Africain tous les jours à la même heure, pour, imaginons, comparer les éventuelles chutes de pluie ou observer la fonte des glaces du Kilimandjaro.

- l’orbite basse se situe dans l’atmosphère terrestre,  à une altitude où la traînée ne freine pas trop la vitesse du satellite (par convention l’orbite basse se situe à une altitude inférieure à 2 000 km). Une fusée a besoin de moins de puissance pour placer un satellite sur ce type d’orbite. Elle est utilisée par les satellites scientifiques qui explorent l’espace lointain. Le télescope Hubble, par exemple se situe sur une orbite de 610 km, et la Station Spatiale Internationale est en permanence située entre 330km et 410km d’altitude.

- l’orbite moyenne culmine généralement à une altitude de 20 000 km avec une période de 12 heures. L’orbite située en dehors de l’atmosphère terrestre est très stable. Les signaux envoyés par le satellite peuvent être reçus sur une grande partie de la surface du globe terrestre. C’est l’altitude retenue pour les satellites de navigation comme le système GPS. Un peu plus bas, à 8.063 km, est prévue la constellation de satellites O3b pour la distribution d’Internet par satellite. A noter que la fabrication des satellites 03B (acronyme signifiant Other 3 Billions, en référence aux 3 Milliards de personnes dans le monde qui n’ont pas accès à Internet par antennes mais qui pourraient ainsi l’avoir grâce aux réseaux de satellites en orbite moyenne) a été confiée à Thales Alenia Space, au Centre Spatial de Cannes Mandelieu, dans les Alpes Maritimes.

L’avantage de cette orbite est le fait d’avoir une couverture étendue, tout en ayant un "ping" extrêmement faible, de l’ordre de 50milliseondes, là où un satellite situé en orbite géostationnaire aurait un ping 10 fois plus important.

Pour information, le ping, ou "temps de latence", peut être imagé avec une balle de ping-pong. Lorsque vous cliquez sur le bouton Actualiser de votre navigateur/Lancer votre balle, la requête/la balle va être envoyée au Serveur/Joueur Adverse, qui va vous répondre en vous chargeant le site/renvoyant la balle. Pour une expérience utilisateur optimale Internet, le ping doit être inférieur à 100ms. Ainsi avec une connexion satellitaire en orbite moyenne il est possible de bénéficier d’un solide accès à Internet.

- l’orbite haute, plus éloignée que l’orbite géostationnaire, et surtout utilisé par la Russie pour une partie de ses satellites de télécoms.

Faire fonctionner un satellite dans l’espace n’est pas facile: aussi sa constitution a été adaptée pour fonctionner sous vide

L’espace est un milieu extrêmement hostile, où la pesanteur est nulle et où l’on évolue dans un video absolu. Les rayons cosmiques et autres éruptions solaires ont tendance à endommager les satellites, sous peine de les mettre parfois hors service car l’électronique est touchée par le plasma. Pour contrer ce genre de phénomène, désastreux lorsque l’on voit le coût d’envoi d’un satellite, il faut faire de sorte que ces derniers soient extrêmement bien protégés et ultra-résistants au cosmos.

Les satellites sont tous différents: en effet, ils répondent tous à des besoins différents et ont de objectifs très variés. De ce fait, ils ont 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.

L’élément de base, que l’on nomme la plateforme, contient la charge utile: c’est à dire toutes les ressources utilisables au long de la mission. Cela peut être de l’énergie, des machines ou des laboratoires embarqués.

Schémas des satellite SPOT 5 et JASON 1

La charge utile

Ce que l’on nomme charge utile désigne l’ensemble des instruments et matériels spécifiques à la mission. Ils changent donc en fonction du type de satellite. Par exemple, pour un satellite d’observation on retrouvera dans la charge utile des caméras, des radars, des détecteurs, tandis que pour un satellite de télécoms on retrouvera des transpondeurs pour les liaisons.

La plateforme

La plateforme contient tous les éléments essentiels au bon fonctionnement du satellite.

Ces éléments essentiels, appelés "modules", sont généralement les suivants:

• le système de production de l’énergie ;
• le système de contrôle thermique ;
• le système de contrôle d’attitude et d’orbite ;
• la gestion du bord qui pilote le fonctionnement du satellite ;
• le système de propulsion.

Le système de régulation de température

L’objectif de l’ordinateur de bord du système thermique est de maintenir la température des composants du satellite à une température proche de celle rencontrée sur Terre, soit environ 19°. Il y a d’énormes écarts de températures: en effet, si le satellite est directement exposé au soleil, du fait qu’il n’y a pas d’atmosphère pour bloquer les principaux rayons, la partie "éclairée" par les rayons sera chauffée à environ +200° C. Et étant donné que pas d’atmosphère signifie pas de conduction de chaleur, alors la partie "à l’ombre", et plongée dans les ténèbres rencontre une température glaciale de l’ordre d’environ -150° C. Les équipements de bord convertissent l’énergie électrique en énergie thermique lorsque cela est nécessaire, pour maintenir une température stable. C’est donc l’ordinateur de bord qui s’occupe automatiquement de cette régulation.

L’extérieur du satellite

Si le satellite est toujours bleu et doré, ce n’est pas pour rien! Si les "ailes" sont bleues, c’est parce que ce sont des panneaux solaires, chargés de reprendre l’énergie que le soleil nous offre pour la convertir en électricité. Elle sert à la fois à alimenter les tableaux de bords, instruments, et à la fois au système thermique.

Si la plateforme en elle-même est dorée, c’est car elle est enveloppée dans de nombreuses couches de kapton, ou de mylar, elles-mêmes situées sous une épaisse couche d’aluminium. Elle permet ainsi de renvoyer les rayons infrarouges. La chaleur produite par les équipements situés à l’intérieur du satellite est évacuée par des caloducs vers des radiateurs montés sur les parois extérieures du satellite: c’est le même système que pour un processeur d’ordinateur.

En résumé: L’ordinateur de bord

Bien que le centre opérateur au sol est là pour commander les satellites à distance, il faut que ces derniers soient automatisés pour l’extrême majeure partie de ces: c’est pourquoi on confie de nombreuses tâches et une intelligence à l’ordinateur de bord, qui s’occupe de (presque) tout.

Un exemple d’ordinateur de bord spatial: Apollo Guidance Computer

Selon un documentaire publié sur Arte, l’ordinateur de bord utilisé dans les missions Apollo était moins puissant que n’importe quelle montre électronique actuelle vendue sur le marché!

l’AGC, est un ordinateur de bord, chargé de piloter et de guider les missions spatiales Apollo. Il a été conçu par le MIT. Il était le premier ordinateur au monde à utiliser des circuits intégrés et à faire du calcul en temps direct.

l’AGC était également le premier ordinateur à faire du calcul parallèle: Il pouvait effectuer 8 calculs à la fois, et était programmé en 16 bits, soit environ 32 000 mots de ROM (mémoire morte, sauvegardée), et 2 000 mots de RAM (mémoire flash instantanée).

Petite anecdote: selon les rumeurs et avoué à demi mot par la NASA, l’ordinateur de bord des navettes spatiales n’aurait jamais été remplacé et daterait toujours des années 1980. Si bien qu’un jour, la NASA aurait dû passer une commande de plusieurs processeurs Intel sur Ebay à un particulier, car ils n’en avaient plus en stock et ces modèles n’étaient plus commercialisés depuis longtemps!

Les précurseurs

Comme pour toute chose qui n’existe pas dans la nature, il a fallu quelqu’un qui soit capable de voir plus loin que le bout de son nez et doté d’imagination dépassant la moyenne.

Ainsi, déjà en 1903 l’on parlait "D’exploration de l’espace au moyen d’engins à réaction" dans un ouvrage du même nom (et dont le mélodieux titre original est Исследование мировых пространств реактивными приборами) de Constantin Tsiolkovsky. Premier ouvrage sérieux sur le sujet, il porte sur l’utilisation de fusées pour le lancement d’engins capables d’aller dans l’espace.

Trouver et dater la première fois où l’idée d’une activité extraterrestre ou d’une activité humaine à l’extérieur de la Terre est impossible à dater, les Mayas eux-mêmes ayant imaginé il y a de ça plus de 3000 ans des humanoïdes et des objets volants de la forme de soucoupes volantes, malgré leur science extrêmement avancée pour l’époque.

Jules Verne, a évoqué dans nombre de ses livres la possibilité d’explorer l’espace, et invente des fictions révolutionnaires pour l’époque, comme dans "De La Terre à La Lune" de 1865.

En 1928, le Slovène Herman Potočnik (1892–1929) dans son unique ouvrage Das Problem der Befahrung des Weltraums (« La Problématique du vol spatial ») décrit les moyens à mettre en œuvre pour permettre à l’homme de s’établir de manière permanente dans l’espace. Il décrit comment des vaisseaux spatiaux placés en orbite peuvent être utilisés pour des observations pacifiques et militaires de la surface de la Terre ; il montre l’intérêt de l’apesanteur pour les expériences scientifiques. Le livre décrit le fonctionnement des satellites géostationnaires (évoqués pour la première fois par Tsiolkovsky) et explore le problème des communications entre le sol et les satellites par le biais de la radio.

En 1945, l’écrivain de science-fiction Arthur C. Clarke (1917-2008), qui a notamment réalisé avec Stanley Kubrick le scénario et le livre "2001: l’Odyssée de l’Espace"  décrit en détail l’utilisation de satellites de télécommunications pour les communications de masse. Clarke passe en revue les contraintes logistiques d’un lancement de satellite, les orbites possibles ainsi que d’autres aspects permettant la création d’un réseau de satellites couvrant le globe en mettant en avant les avantages de disposer d’un système de télécommunications planétaire.

La mise en oeuvre

De quand datent les premiers prototypes?

On suppose que les premiers objets ayant été dans les airs (et autres que des animaux dotés d’ailes) étaient des armes inventés en Chine au XIIIème siècle. Ainsi, dans la chronique de Dong Kang Mu de 1232 il est dit que les Mongols auraient utilisé ce genre d’armes pour envahir Kaifeng. Pour décoller, elles étaient formées en papier ou carton, et contenait de la poudre. Il est inutile de rappeler que l’utilisation de ces armes étaient très dangereuses car leur réalisation était extrêmement imprécis. Les tirs, étaient également imprévisibles.

Il fallut attendre Jules Verne et son célèbre roman "De la Terre à la Lune" décrit plus haut, pour enfin voir apparaître des modèles plus perfectionnés. Jules Verne imaginait alors un obus appelé "Columbia" et tiré par un canon géant.

Le modèle de fusée imaginé par Jules Verne.

La première "fusée" à réellement décoller à été imaginée, conçue et réalité par Robert Goddard à partir de 1909. Cet enseignement a imaginé une fusée  avec plusieurs étages contenant un système de propulsion liquide. Sa première fusée "Nell" décolle le 16 Mars 1926, et fait un voyage extraordinaire … de 2,5 secondes, après être montée à 13 mètres de haut, soit une vitesse verticale d’environ 5m/s.

Goddard posant avec sa fusée.

La Deuxième Guerre Mondiale et les premiers missiles

Soutenus par l’armée allemande, les anciens membres de la VFR conçurent la série des fusées A, fonctionnant à l’alcool éthylique et à l’oxygène liquide. La première, la A1, explosa sur le champ de tir, tandis que les A2 furent lancées avec succès les 19 et 20 décembre 1934 à Borkum. Ces dernières avaient la particularité d’être stabilisées par une masse en rotation qui avait l’effet d’un gyroscope, qui leur permirent d’atteindre 2kilomètres d’altitude. L’armée fut intéressée par ces résultats et investit dans ces recherches.L’Allemagne souhaita posséder un missile plus massif, et les premiers tests de la fusée A3 commencèrent en 1936. Cette fusée devait être plus puissante avec 1 500 kg de poussée pendant 45 secondes, et pouvoir transporter une ogive de 100 kg sur 260 km, une prouesse pour l’époque. Les essais qui eurent lieu fin 1937 démontrèrent que la technologie utilisée fonctionnait, malgré quelques défauts à corriger. Il a été estimé que les V2 furent produits à environ 6000 exemplaires. Pour autant, l’effet des V2 a été jugé plus psychologique que tactique, les dégâts causés par la chute assez aléatoire des missiles restant faibles en comparaison de ceux causés par d’autres armes conventionnelles.

Le premier satellite

Celui qui faisait juste "Bip … Bip … Bip …"

Alors que les Etats Unis et l’URSS se livrent une véritable course à l’espace pendant la guerre froide, c’est l’URSS qui parvient en premier, après de nombreux essais (aboutissant constamment par un échec) à lancer pour la première fois de l’histoire de l’humanité, un objet dans l’espace. Ce satellite, nommé "Spoutnik 1" (et qui signifie "Compagnon de Voyage") est ainsi mit en orbite le 4 Octobre 1957.

Un mois plus tard, pour l’anniversaire de la révolution russe, l’on fait envoyer un autre satellite réalisé à la hate, en seulement 4 semaines: Spoutnik 2. On en profita pour y installer le premier être vivant destiné à aller dans l’espace, la chienne Laïka. La propagande étant de mise à l’époque, on informa la population qu’elle avait survécu près d’une semaine dans l’espace. La vérité est qu’elle n’a tenu que 7 heures, en raison soit d’un empoisonnement, soit d’une perte de pression dans le satellite ou d’un manque d’oxygène.

Ce qu’il fallait malgré tout retenir, était que l’on avait réussi à faire subir à un être vivant un décollage de fusée et l’effet d’apesanteur.

C’était le début de la conquête spatiale.

Maintenant que vous savez tout sur la nature et le fonctionnement des satellites, je vous propose de découvrir les multiples usages qu’ils nous apporté depuis les années 1960, jusqu’à maintenant – et plus encore.