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Les retombées de satellites

Pourquoi un satellite artificiel retombe-t-il sur Terre ? (II)

Actuellement, les contrôleurs qui suivent les satellites artificiels et les débris identifiés ne peuvent pas connaître leur position à moins de 500 m à 1 km près. Pour des petits objets mesurant entre 1 mètre et quelques centimètres, l'incertitude sur sa position atteint ~1 km. 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 d'un satellite n'est pas programmée, en général il se trouve déjà en orbite basse. La gravité offrant une force presque équivalente à son déplacement horizontal, il tombe naturellement vers le sol à raison de quelques centaines de mètres chaque jour. A cette altitude la plupart des satellites se consument dans l'atmosphère ou s'écrase au sol en l'espace de quelques mois.

Résistance à la température

Lorsqu'un objet pénètre dans l'atmosphère, suite aux frottements (friction) sur les molécules d'air, il subit un freinage aérodynamique qui produit de la chaleur et augmente sa température. Cet effet n'apparait que lors de la traversée des couches denses de l'atmosphère vers 100 km d'altitude et disparaît vers 30 km d'altitude. En ajoutant les effets de la pression aérodynamique et de l'élévation de la température de l'air ionisé autour de l'objet en chute, sa température peut atteindre 1650°C sur le nez et les bords d'attaque des ailes des navettes spatiales et 1800°C aux jointures des ailerons des ailes (cf. l'accident de la navette spatiale Columbia) et même dépasser 2000°C sur d'autres objets propulsés à plusieurs kilomètres par seconde. Les métaux ordinaires fondent entre 420°C (Zinc) et ~1500°C (acier), à l'exception du carbone (3100°C) et du tungstène (3444°C). Il faut donc équiper les avions hypersoniques et autres navettes d'un alliage capable de résister sans déformation jusqu'à 1800°C ou capable d'évacuer la chaleur (par exemple en utilisant un bouclier thermique composé de matériaux ablatifs combinés à un effet de blocage produit par l'injection de gaz pour réduire la convection des gaz chauds dans la couche limite).

A gauche, un débris de la fusée chinoise CZ-3B qui tomba dans un champ à Yuanxi, dans le sud de la Chine au petit matin du 17 octobre 2015. La fusée plaça sur orbite le satellite de communication APStar-9. A droite, le réservoir de 250 kg d'une fusée Delta 2 tombé à Georgetown, au Texas le 22 janvier 1997. Document People Daily Online et D.R.

Dans le cas d'un satellite artificiel désorbité ou d'un débris dérivant dans les basses couches (sous 300 km d'altitude), s'il est très massif et résistant il ne va pas totalement se consumer. Il va seulement se désassembler là où il y a des faiblesses ou des défauts stucturels. Les plus petits objets peuvent même toucher le sol sans subir intensément la friction atmosphérique, au point de garder des traces de peinture. Même certaines surfaces en verre peuvent résister à la chaleur (la silice fond vers 1710°C et le quartz pur vers 2000°C).

État de l'atmosphère

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 masse 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.

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, 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. A droite, un débris conséquent de la fusée chinoise Longe Marche 4A qui plaça sur orbite le satellite météorologique Fengyun-2. Le débris tomba le 31 décembre 2014 près du village de Gaopingsi dans la province chinoise de Guizhou. Dans les trois cas, l'impact ne fit heureusement aucune victime. Les éléments des lanceurs russes et chinois risquent plus facilement de retomber au sol et dans des régions habitées car les sites de lancements sont situés au centre du continent (respectivement à Baïkonour et Jiuquan) alors qu'en Europe (à Kourou) et aux Etats-Unis (KSC), les lancements sont effectués à partir de la côte et les fusées parcourent une plus longue trajectoire au dessus de l'océan. Documents anonyme, Ifeng et CNS.

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.

Durée de vie en orbite

Même après avoir épuisé tous leurs systèmes de propulsion (moteur principal et systèmes de commande d'altitude et d'orbite) et abandonné à leur sort, 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 en orbite basse (LEO) aux environs de 500, 800, 1000, 1500 et 2000 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).

La chute de Mir

Document STK.

Dans le cas de Mir, sa chute était déjà à l'ordre du jour depuis le début de l'année 2001. A plusieurs reprises les autorités russes ont essayé de rectifier sa trajectoire mais sans grand succès. Aussi, le 15 janvier, le porte-parole de la RSA annonça qu'ils avaient programmé la chute de la station Mir pour le 6 mars 2001, la station orbitale devant tomber dans l'océan au large des côtes Est de l'Australie.

Pour réaliser cette manoeuvre, un cargo Progress automatique devait faire le plein de la station Mir afin qu'elle dispose du carburant nécessaire pour réaliser les manoeuvres désorbitales prévues. A tout hasard, une équipe de cosmonautes était prête à partir si les manoeuvres de docking n'aboutissaient pas.

Le 20 février 2001, Mir avait chuté jusqu'à l'altitude de 275 km, perdant en moyenne 790 mètres par jour en raison de la friction atmosphérique. On s'attendait à ce que la station russe se trouve vers 250 km d'altitude aux alentours du 9 mars (à 5 jours près), date à laquelle le contrôle de mission à Korolev allait initialiser les manoeuvres finales de freinage.

A cette date, les amateurs d'astronautique s'étaient donc déjà donnés le mot et plusieurs d'entre eux allaient passer quelques jours en Nouvelle Zélande pour observer la chute de Mir. Les officiels s'attendaient donc déjà à devoir compter les bateaux de tourisme parmi les risques potentiels...

23 mars 2001 : la rentrée atmosphérique de Mir

La capacité de prédire avec précision l'instant de rentrée d'un satellite augmente à mesure que l'objet se rapproche de l'atmosphère. A 7 jours d'avance par exemple la précision est d'environ 22 orbites, à 12 heures de 1.6 orbite et à 1 heure de 0.33 orbite. Dans le cas de Mir la zone de débris théorique s'étendit sur une ovale large de 200 km et longue de 6000 km, entre d'un côté les débris les plus légers et de l'autre les débris les plus lourds. Document T.Lombry élaborée à partir des données de l'USSPACECOM.

Et de fait, les officiels russes annoncèrent le 15 mars 2001 qu'après 15 ans de bons et loyaux services, ils prévoyaient la rentrée atmosphérique de la station Mir le 22 mars vers 00h20 TU, soit une semaine plus tard.

Dès qu'une agence spatiale prend la décision de faire chuter un satellite, il faut encore le placer sur une orbite basse, en dessous de 350 km d'altitude ou vole assez souvent la navette spatiale et bon nombre de satellites d'observation. Moyennant quelques changement de vitesse pour accenter l'effet de la pesanteur, Mir fut donc lentement descendue jusqu'à 220 km d'altitude, niveau de la thermopause (~200 km) et des nuages nacrés les plus élevés.

Trois jours avant la rentrée atmosphérique, il fallait effectuer de petits ajustements de trajectoires en fonction de la zone d'impact ciblée. Le 20 mars, l'agence russe ne connaissait pas encore le point d'impact de Mir car le rayonnement solaire plus ou moins intense pouvait encore modifier la densité de l'atmosphère et donc le point d'entrée de la station orbitale.

Count down : 3... 2... 1... Rentrée !

Début 2001 la station Mir ralentit à chacun de ses passages, s'enfonçant progressivement dans les couches élevées de l'atmosphère terrestre. Le Centre de contrôle russe força sa chute le 22 mars 2001 pour éviter tout risque ultérieur. Le laboratoire tomba comme prévu dans l'océan Pacifique le 23 mars 2001 par 150° O et 40° S. Cliquer sur l'image pour lancer une simulation de sa chute (Mpeg de 4 MB) réalisée par Analytical Graphics, Inc (STK).

Le 21 mars 2001, environ 24 heures avant la rentrée atmosphérique, la station Mir se trouvait à quelque 220 km d'altitude. Les contrôleurs veillèrent à stabiliser sa trajectoire et l'empêchèrent de tourner sur elle-même afin que sa tuyère soit bien orientée et qu'ils puissent lui donner le coup de "throttle" final, l'accélération adéquate pour forcer sa chute. Si cette manoeuvre devait échouer, le satellite serait livré à lui-même et pourrait tomber n'importe où...

Si tout se passe comme prévu, la chute à proprement dite d'un satellite reste contrôlable jusqu'à environ 6 heures avant l'impact, soit durant moins d'une orbite. Dès ce instant plus personne ne peut modifier la trajectoire des débris qui sont livrés à eux-mêmes.

Comme prévu, le 22 mars l'agence russe annonçait que Mir tomberait dans le Pacifique sud, à l'est de la Nouvelle Zélande, le 23 mars vers 00h33 TU (7:33 pm EST). Elle procéda encore à trois petits ignitions. La deuxième, 90 secondes plus tard, et l'impulsion finale plaça Mir sur sa trajectoire de rentrée, l'impact devant se produire à 05h30 TU (12:30 am EST). Mais à cette date l'imprécision était encore importante et ne sera définitive que moins d'une heure avant l'impact.

Et comme prévu, le 23 mars à 6h59 TU nous vîmes des débris incandescants tomber du ciel au large de la Nouvelle Zélande et des îles Fiji.

La chute de Mir fut médiatisée au point que des passionnés survolèrent la zone d'impact dans les minutes qui précédèrent la rentrée atmosphérique et une trentaine de petits bateaux naviguaient dans les parages. Ces risques là, bien que prévus, n'avaient certainement pas été pris en compte... !

Les derniers instants de Mir

Objectif : 150° O, 40° S

La rentrée de Mir photographiée le 23 mars 2001 vers 6h59 TU dans le ciel des îles Fiji par un reporter de chez AP. Une fois de plus Mir était au rendez-vous et tomba à 125 km du point d'impact prévu. Les six gros débris apparaissaient dorés ou blancs brillants, la chute dura près de 90 secondes, heureusement sous la couche de nuages d'altitude. Cliquer ici pour charger une vidéo ASF en format ZIP (1.5 MB) préparée par CNN. Documents ABC Online Australia.

Et si la chute avait été incontrôlable ? Malheureusement, en l'espace de vingt-quatre heures ou même trois jours il est impossible d'évacuer une mégapole de plusieurs millions d'habitants et toute une zone d'impact potentielle qui s'étend sur plusieurs centaines de kilomètres alentour.

En principe, le point d'impact des débris peut être estimé à 100 km près. Mais en 1991 des débris de Salyout 7 tombèrent à quelques centaines de kilomètres de Buenos Aires, heureusement sans faire de victime. Et ce ne fut pas le seul "accident" de ce genre.

En 1997, deux fragments d'une fusée Delta 2 pesant 250 kg atterrirent avec fracas au Texas. Un troisième débris pesant 70 kg en titane fut retrouvé en 2001 à 240 km de Riyadh en Arabie Saoudite. Enfin, 30% de la masse de la station Mir, représentant une charge résiduelle de 20 tonnes répartie dans 1500 éléments dont six gros débris furent "forcés" de tomber en 2001, heureusement sous "pilote automatique".

Pour toute responsabilité dans l'éventualité où Mir serait tombée sur des populations, la RSA avait souscrit une assurance de 200 millions de dollars auprès de la Lloyd's à Londres. Mais c'est bien peu de choses quand on sait que le long de la trajectoire de rentrée se trouvent 10 millions d'habitants qui risquent de passer de vie à trépas ou de s'en sortir handicapés à vie en cas d'accident ! A cela, les autorités ont répondu qu'elles étaient confiantes et que Mir allaient s'écraser dans l'océan. Autrement dit elles croyaient au "risque zéro" plus qu'aux statistiques des assureurs ! Mais de fait, à l'image de la précision de la mécanique céleste, les ingénieurs ne se sont pas trompés dans leurs calculs pourtant soumis aux aléas de la mécanique, des conditions atmosphériques et de l'activité solaire. Car il faut saluer le mérite des ingénieurs russes qui estimèrent l'heure de rentrée à 5 minutes près et le point d'impact avec une précision de 125 km !

Pour plus d'informations

L'observation des satellites artificiels (sur ce site)

Resolutions & agreements (sur ce site)

Trafic spatial en temps réel

The current state of space debris, ESA, 2022

NASA Orbital Debris Program Office

NASA Safety Standard 1740.14 (PDF de 852 KB), édité par le JSC consacré à la politique de limitation des débris spatiaux

IADC-online

SatFlare

Science connection (magazine du Belspo)

Hypervelocity Reentries, NASA

The Debris Assessment Software, NASA

US Space Force et USSF

US Space Command (USSPACECOM)

Leo Labs (prédictions)

A study of orbital debris, U.Colorado

ABC News Autralia (Mir)

Space.com

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