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Les retombées de satellites

Réservoir de 250 Kg d'une fusée Delta 2 tombé à Georgetown, au Texas le 22 janvier 1997.

Des débris encombrants et dangereux (I)

Depuis 1957 l'environnement spatial proche de la Terre voit chaque année de nouveaux débris s'accumuler en raison de la prolifération des vols spatiaux.

Au fil des années des dizaines de tonnes de matériels devenus inutiles ont été abandonnés sur orbite en attendant une lente dégradation, leur récupération ou leur chute dans l'atmosphère.

Selon un rapport du NORAD établi le 1/1/2004 et suite au recensement effectué par le Space Surveillance Network de l'US Space Command (USSPACECOM), depuis 1957, la Russie, les Etats-Unis, l'Europe, le Japon, la Chine, l'Inde et Israël ont procédé à près de 4000 lancements réussis d'engins spatiaux. 

Cela représente plus de 20000 tonnes de matériaux et 25500 objets divers en orbite autour de la Terre, parmi lesquels il ne reste qu'environ 700 satellites opérationnels représentant une masse de 5000 tonnes.

En 1996, J.W. Campbell du centre Marshall de la NASA estimait dans son projet ORION qu'il existait en orbite environ 100000 débris mesurant entre 1 et 10 cm. En 2005 on dénombrait environ 12600 débris de plus de 10 cm orbitant entre 400 et 1500 km d'altitude. 80000 objets, soit 20% de moins qu'à l'époque du relevé, ont une taille inférieure à 10 cm et gravitent en orbite basse. En revanche, il devrait y avoir des centaines de milliers de débris d'une taille inférieure au centimètre pour un total de quelque 35 millions de débris si on s'attarde aux particules de moins d'un millimètre.

Parmi ces débris spatiaux  41% sont constitués de fragments, 13% sont des débris opérationnels, 17% des étages supérieurs de lanceurs et 22% sont des satellites qui ne sont plus en état de fonctionner sans compter les éclats de peinture, les éjections de combustible, de liquide de refroidissement...

On dénombre enfin au moins 170000 débris de plus d’un kilo susceptibles de retomber sur Terre, dont 1.5 tonnes de matière radioactive.

A lire : Collision entre deux satellites artificiels (sur le blog, 2009)

A gauche, plus de 7000 débris sont représentés sur cette image. Ils se concentrent sur des orbites situés à 800 et 1500 km d'altitude. A centre, environ 8500 débris de plus de 10 cm sont dispersés autour de la Terre jusqu'à l'orbite géostationnaire. 7% d'entre eux sont des satellites fonctionnels. L'USSPACECOM suit en permanence l'évolution de chacun d'entre eux. A droite, l'inventaire de tous les impacts de plus de 2.54 cm (1") sur la navette spatiale Columbia entre 1983 et 2002. Documents NASA/JSC et NASA.

Le Secrétariat américain de la Défense est préoccupé par ce problème et envisage sérieusement de suivre de plus près tous ces débris. Malheureusement la plupart des radars utilisés par l'USAF opèrent à une longueur d'onde de 70 cm et quelques et ne peuvent pas détecter des objets inférieurs à 10 cm de diamètre. De plus, selon Donald J. Kessler, expert en débris spatiaux auprès de la NASA, les données de chacun des objets catalogués n'est pas maintenue sur une base régulière ni avec suffisamment de précision pour pouvoir connaître leur position exacte et avertir le cas échéant les équipages en orbite. Ce problème est depuis connu sous le nom du "Syndrome Kessler".

Pour étudier réellement ce qui se passe en orbite et obtenir une image plus complète du temps que met un débris pour retomber sur Terre, depuis 1985 les militaires américains font volontairement entrer en collision des satellites inactifs. Ainsi en septembre 2001 le satellite P-78 pesant 850 kg fut intentionnellement frappé par un projectile de 16 kg. La collision donna naissance à 285 débris, tous catalogués et donc suivis par le NORAD.

Mais ces tests doivent être effectués loin des orbites des satellites opérationnels, de la station ISS et de la navette spatiale en particulier au risque de gravement les endommager.

En effet, si la navette spatiale par exemple est blindée comme un char d'assaut, son revêtement ne pourrait pas résister à l'impact d'un objet de plus de 2 cm de diamètre propulsé en sens contraire à son vol.

A ce jour, les hublots de certaines navettes ont dû être remplacés 80 fois en l'espace de 20 ans en raison des impacts (certaines navettes effectuant jusqu'à 7 missions par an) ! Même les revêtements métalliques et les panneaux solaires du Télescope Spatial Hubble ont été endommagés par des débris. La situation devint tellement critique qu'en 2005 la NASA a reposé la question du nettoyage de l'orbite terrestre car il était évident que la majorité des fragments ne retomberaient pas d'aussitôt sur Terre.

Par quel phénomène un satellite tombe-t-il dans l'atmosphère ?

Pour déterminer avec exactitude la position d'un objet en orbite, les chercheurs doivent développer de nouveaux moyens pour étudier les fluctuations de l'atmosphère terrestre, ce qui nécessitera également un traitement informatique plus conséquent. La solution, s'il y a, n'est pas envisagée avant plusieurs années.

Si la chute du satellite n'est pas programmée, en général il se trouve déjà en orbite basse (sous 300 km d'altitude) où il subit lentement les effets du freinage (friction) atmosphérique. La gravité offrant une force presque équivalente à leur déplacement horizontal, ils tombent naturellement vers le sol à raison de quelques centaines de mètres chaque jour. A cette altitude un satellite se consume dans l'atmosphère ou s'écrase au sol en l'espace de quelques mois.

A lire : Rocket engine smashes into house after Chinese satellite launch (2015)

A gauche, un débris du moteur de la fusée Delta 2 de 70 kg et en titane retrouvé en janvier 2001 en Arabie, à 240 km de Riyadh. Au centre et à droite, un morceau du moteur YF-20 du premier étage de la fusée chinoise Long Marche 4C qui est tombé dans une maison proche de la ville de Ankang le 27 août 2015. Dans les deux cas, l'impact n'a fait aucune victime. Document anonyme et Ifeng.

Si nous prenons l'exemple de la station Mir qui se trouvait à 220 km d'altitude au moment de sa chute forcée, bien que l'atmosphérique ne contienne qu'environ un milliard d'atomes par cm3 à cette altitude, soit l'équivalent d'une pression de 10-13 mb, cette densité alliée à la micro-gravité étaient suffisamment fortes pour faire chuter la station orbitale de 24 km en l'espace d'un mois !

Sur ce phénomène se greffe l'activité solaire. En effet, lorsque le Soleil est très actif et libère énormément de rayonnement sous forme de vent solaire et d'éruptions de matière coronale (CME), tout un flôt de particules d'intense énergie, principalement constituées de protons de quelques dizaines de keV à plusieurs MeV et de rayonnement ultraviolet arrivent sur Terre et percutent les couches les plus élevées de l'atmosphère. Certaines composantes vont alimenter l'ionosphère, créant les fameuses aurores polaires et le fading voire le blackout en ondes-courtes. D'autres composantes vont percuter les atomes atmosphériques. Ce sont celles-ci qui nous intéressent.

L'activité solaire agit sur l'atmosphère principalement entre 200 et 600 km d'altitude. Sous l'impact des particules, les atomes atmosphériques ont tendance à s'ioniser (photoionisation) en absorbant les photos ultraviolets ce qui provoque un réchauffement des couches les plus élevées de l'atmosphère.

Ce milieu réagit rapidement avec un temps de réponse compris entre 1 seconde et 20 minutes selon l'altitude. Vers 200 km d'altitude, niveau de la thermopause, se greffe l'effet des courants atmosphériques et un phénomène de diffusion. Par transfert de sa quantité de mouvement (énergie) aux autres particules, dans un phénomène en cascades l'énergie incidente va se diffuser dans tous les atomes atmosphériques sans attendre l'équilibre thermique. Il peut donc continuer à faire froid (-50 à -80°C) au niveau de la thermopause alors que l'agitation électronique est très intense.

Une seule particule incidente de forte énergie peut accélérer des centaines ou des milliers d'atomes sur des distances de l'ordre de 100 km. En s'accélérant ces atomes accumulent de l'énergie et se réchauffent. Le flôt incident étant orienté, ces atomes migrent tous globalement dans la direction opposée au flux, provoquant une dilatation de la thermosphère entre 50 et 800 km d'altitude sur l'hémisphère exposée au Soleil qui peut voir sa densité électronique rapidement augmenter en quelques heures. De cause à effet dans la zone opposée au Soleil, les molécules vont s'éloigner davantage, participant à un épaississement global de l'atmosphère.

Cette déformation de l'atmosphère arrive comme la marée haute sur le satellite qui se voit graduellement noyé dans des couches atmosphériques de plus en plus denses. C'est à ce moment là qu'il subit un freinage supplémentaire induit par l'activité solaire. C'est pour cette raison que les astronomes affinent les modèles de l'activité solaire, de l'ionosphère et de l'atmosphère terrestre afin de préciser leurs effets sur les activités humaines et spécialement sur les EVA des astronautes et la variation d'altitude des satellites placés en orbite.

A gauche, la station orbitale Mir photographiée en février 1995 depuis la navette spatiale Discovery. Mir servit de laboratoire scientifique entre 1986 et 1999 et sera occupée en permanence à partir du 8 septembre 1989. Le record de séjour est détenu par Valery Polyakov qui resta à bord 438 jours ! Mir servit trois fois plus longtemps que prévu et finira par retomber sur Terre le 23 mars 2001. Cliquer sur l'image pour lancer une simulation 3D de la station orbitale (GIF de 129 Kb). A droite, le laboratoire Skylab mis sur orbite en 1973 subit le même sort en retombant sur Terre le 11 juillet 1979. Document NASA.

La plupart des satellites ne sont toutefois pas prêts de retomber. En effet, la majorité d'entre eux orbitent à des altitudes bien déterminées situées aux environs de 800, 1000 et 1500 km d'altitude. Leur durée de vie dépend essentiellement de leur altitude. Vers 400-500 km de la Terre, où les effets atmosphériques se font encore sentir lors de fortes activités solaires, la durée de vie d'un débris ou d'un engin laissé à lui-même sans trajectoire (en chute) se compte en années.

Si on monte à 800 km d'altitude, il faudra attendre plusieurs dizaines d'années pour que ces objets retombent sur Terre sans un coup de pouce extérieur. A partir de 1000 km d'altitude cela devient une question de siècles. Quant aux altitudes supérieures, c'est quasiment la vie éternelle.

Le risque de retombée d'un satellite au sol n'est pas nul. Globalement on compte une dizaine d'objets de plus de 10 cm qui retombent chaque mois sur Terre. Heureusement, même les débris massifs et volumineux (jusqu'environ 100 tonnes) se consument dans les couches denses de l'atmosphère en dessous de 100 km d'altitude.

Dans le cas contraire la NASA peut envisager de les récupérer en orbite (LEDF, Eureca) ou de prolonger leur vie active (Mir, HST). On peut aussi désorbiter une charge utile en orbite basse à coût de carburant pour accélérer sa chute ou l'envoyer sur une orbite de rebut située 300 km plus haut que l'orbite géostationnaire. En fait tout dépend de l'orbite de départ et de la durée de vie estimée du projet associé à ce satellite. Enfin, s'il s'agit d'un débris menaçant, un tir au laser est toujours possible, bien que pas vraiment d'actualité.

A consulter : Hypervelocity Reentries (NASA)

Bolides et réentrées de satellites

Météorite, bolide ou satellite ?

A gauche (3 images), le 12 août 2001 à 3h42 TU durant la nuit des Perséides, Mike Boschat à Halifax au Canada observa la chute d'un objet brillant, qu'un amateur pouvait prendre pour un bolide. Il s'agissait en fait de la retombée du 3eme étage de la fusée Molniya M. Ces images ont été prises avec un réflex Zenith-B équipé d'un objectif de 50mm f/1.7. La pose est d'environ 10 sec sur film Kodak Gold 400. A l'extrême droite, l'équipement optique (Tracker) utilisé pour la NASA en 2006 pour suivre les réentrées atmosphériques. Cet équipement est généralement embarqué à bord d'un avion à long rayon d'action (DC-8 de Moffett Field par exemple). De manière assez surpenante, on reconnaît du matériel accessible à tout amateur, preuve de la bonne qualité de ce matériel selon le cahier des charges de la NASA : deux télescopes Schmidt-Cassegrain de Celestron de 200 et 350 mm d'ouverture, une monture Losmandy et trois lunettes-guides apochromatiques Tele Vue Pronto de 70 mm. La feuille dorée joue le rôle d'isolant thermique. Documents Mike Boschat et NASA/ARC.

Aujourd'hui, la NASA publie chaque mois des prévisions de retombées à 60 jours ainsi que SatFlare. Si la plupart des débris suivis se consumeront dans l'atmosphère, certains seront réfléchis vers l'espace si leur angle d'entrée dans l'atmosphère est inférieur à 35° (>55° par rapport à la verticale). Mais il arrive exceptionnellement que des composants de plusieurs tonnes arrivent au sol comme ce fut le cas pour la station Skylab dont des éléments du réservoir et le sas d'arrimage tombèrent en Australie en 1979. On estima les résidus accidentellement tombés au sol à 20 tonnes !

S'il est une bonne chose dans le cadre des impacts que la Terre soit couverte à plus de 75% d'océans et de zones inhabités (désert et chaînes de montagnes), la population qui s'agglomère dans les principales capitales se compte en millions d'habitants et doit être évacuée en cas de risque majeur. Ceci est de la théorie et ne marche bien que sur papier ou si le délai de préavis est suffisamment long (plus d'une semaine).

Deuxième partie

La chute de Mir

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