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L'astronautique

Illustration artistique du lanceur SLS de la NASA/Orbital ATK. Document adapté par l'auteur.

Champs d'études (I)

L'astronautique, c'est-à-dire les sciences et techniques permettant d'explorer l'espace, couvre des champs d'études extrêmement vastes, depuis la technologie spatiale et la chimie des mélanges propulsifs (les pergols), l'étude des matériaux et la mécanique des fluides, jusqu'aux expériences de biologie spatiale, de physique et d'astronomie sans ignorer les disciplines des sciences de la Terre telle que la télédétection pour n'en citer qu'une.

Plus qu'un vaste champ d'études, l'astronautique est le support de nombreuses sciences appliquées. Pluridisciplinaire, l'astronautique représente un ensemble d'un grand intérêt par les découvertes qu'elle entraîne dans notre vie de tous les jours. Elle nous libère des contraintes terrestres et nous permet d'améliorer nos conditions physiques dans l'espace. Elle facilite les découvertes sur la nature des corps célestes et nous permet d'améliorer notre technologie.

Etant donné que notre atmosphère est un écran que de nombreux rayonnements ne peuvent traverser, il est nécessaire d'aller étudier les astres par-delà cette barrière. C'est le rôle des satellites mis en orbite depuis le Spoutnik soviétique lancé le 4 octobre 1957 et des sondes spatiales expédiées à travers le système solaire.

Selon l'US Space Force (USSF), en 60 ans, entre le 4 octobre 1957 et le lancement du premier Spoutnik soviétique et le 4 octobre 2017, la Russie, les Etats-Unis, l'Europe, le Japon, la Chine, l'Inde et Israël ont procédé à 8593 lancements d'engins spatiaux dont 300 sondes spatiales, soit une moyenne de 143 lancements par an.

La vocation des observatoires satellisés est d'étudier l'environnement terrestre ainsi que les astres et leurs influences dans des rayonnements peu ou pas du tout accessibles depuis le sol et éventuellement de découvrir de nouveaux objets ou sources de rayonnements. On y reviendra dans l'article consacré aux missions spatiales.

Selon l'ESA, en mai 2022 environ 13100 satellites artificiels (12874 selon l'UNOOSA) avaient été lancés depuis 1957. Selon l'UNOOSA, plus de 8837 sont toujours en orbite dont environ 5800 étaient encore opérationnels à cette date soit 2.3 fois plus qu'en 2019. Environ 31490 débris de satellites de plus de 10 cm orbitent entre 400 et 1500 km d'altitude et sont suivis par l'USAF. On y reviendra. Environ 43% des satellites étaient utilisés pour les communications au sens large (commerciales, gouvernementales et militaires). Leur proportion va grandissant avec le développement d'Internet et des réseaux par satellite.

A consulter : UCS Satellite Database - Lyngsat - WorldView

Online Index of Objects Launched into Outer Space, UNOOSA

State of the Satellite Industry Report (PDF), SIA, 2020

A gauche, nombre et éventail des fonctions des satellites début 2022. A droite, quelques uns des satellites de télécommunication (TV notamment) en orbite géostationnaire dite orbite de Clarke. Documents T.Lombry et STK/AGI.

Avec le projet de service Internet par satellite, SpaceX, Amazon, OneWeb, Telesat et d'autres sociétés y compris les gouvernements russes et chinois envisagent de placer sur orbite 65000 petits satellites de télécommunication. Cela signifie qu'à moyen terme l'espace proche serait encombré de près de 125000 satellites opérationnels, la plupart lancés par des sociétés privées ! Aucun de ces opérateurs ne se préoccupe des nuisances qu'il provoque pour les autres utilisateurs de l'espace, notamment les astronautes, les astronomes et les météorologistes.

Les sites de lancements des fusées.

Si aucune réglementation ne limite ce déploiement, leur présence sera préjudiciable au travail des scientifiques. En effet, rien que le passage des "constellations Starlink" crée déjà une véritable pollution lumineuse qui empêche de réaliser certaines études, notamment photographiques et spectrographiques, il gêne les satellites de télédétection qui observent la Terre et perturbent les communications des satellites météos.

Selon des simulations, on estime qu'en 2030 une étoile sur 16 qu'on verra à l'oeil nu sera en fait un satellite (cf. S.M. Lawler et al., 2021.

Ensemble, les archives historiques et les données fournies par les satellites et les sondes spatiales représentent des millions de terabytes d'informations qui s'accumulent dans les mémoires périphériques des ordinateurs, constituant une partie de ces fameuses "Big Data".

En observant l'univers sur la totalité du spectre électromagnétique, cette pléthore d'informations permet aux chercheurs de reconstituer l'histoire des corps célestes, des étoiles aux plus lointaines galaxies mais également de suivre l'évolution de la Terre et en particulier les conséquences du changement du climat.

Les informations scientifiques recueillies à ce jour et notamment les découvertes ont déjà bouleversé nombre de concepts, obligeant les théoriciens à revoir leur copie, mais a également - et c'est heureux - permis de corroborer certains modèles. En fait il faut savoir que les satellites artificiels, vu leur coût, sont expédiés dans l'espace s'ils ont de bonnes chances d'étayer les théories en cours.

Comme ailleurs, l'informatique est entrée en force dans tous les domaines scientifiques. Les programmes de modélisation, d'analyse des signaux, de traitement d'images et de présentations tridimensionnels permettent de visualiser ou de simuler des phénomènes ou l'aspect d'objets ou d'astres inaccessibles et sont aujourd’hui des outils d'analyse indispensables aux chercheurs.

Les organisations d'État

Dès les années 1960, les organismes gouvernementaux ont mis sur pied des programmes spatiaux dont la première tâche est la mise sur orbite de satellites à vocations scientifiques ou civile (météorologie, navigation, communication, astronomie, géodésie, écologie, géophysique, télédétection, etc) mais également militaires (surveillance, détection, défense).

Il faut bien évidemment citer en premier lieu les programmes américains (NASA), du gouvernement russe (Roscomos alias RFSA), de l'agence européenne (ESA), ceux du Japon (JAXA) et de la Chine (CNSA), en rappelant que plusieurs autres nations ont mis sur pied des programmes d'étude, de recherche ou de défense dans le domaine spatial telles l'Inde (ISRO) et la Corée du Sud (le KARI en collaboration avec la Russie) qui disposent chacune de leurs propres lanceurs.

Chaque lanceur a ses contraintes, tant au niveau de la charge utile (poids embarqué) que de l'orbite (orbite basse, molnya, de halo ou haute, dite géostationnaire et de parking) qui peut avoir un impact sur la durée de vie du satellite et donc sur les investissements que le commanditaire est prêt à consentir pour le construire (un satellite-espion de 3 m de haut bourré d'électronique est un objet unique bien plus cher qu'un petit satellite Starlink construit à la chaîne, qu'on peut donc se permettre de perdre et de remplacer cent fois).

Mais la concurrence commerciale est rude. De trois agences spatiales existant dans les années 1980 (NASA, Roscomos et ESA), vers l'an 2000 quelque 20 pays disposaient déjà de la technologie spatiale et cherchaient sur le marché les lanceurs offrant le meilleur rapport qualité/prix pour placer leurs satellites (Brésil, Canada, Israël, Pakistan, Ukraine, Mexique, etc.).

Ci-dessus, panorama du Complex 39 du Kennedy Space Center (KSC) de la NASA à Cap Canaveral en Floride en 2015. On reconnaît l'emblématique bâtiment du "Vehicule Assembly Building" ou VAB haut de 160 m dans lequel sont assemblées les fusées américaines depuis 1966. De nouveaux bâtiments ont été construits pour le support opérationnel du vaisseau Orion et du lanceur SLS. Ci-dessous, le complexe de l'ESA à Kourou, en Guyane Française, avec une vue générale de la zone de lancement ZL3 sur laquelle se trouve la fusée Ariane 5. Voici une autre vue panoramique du site. Documents NASA et DLR.

Les accidents de la navette spatiale américaine manquèrent de sonner le glas de l'astronautique américaine en 2003. Le secteur privé sentit qu'il était temps de rajeunir ce secteur jusque là réservé aux gouvernements et à quelques entreprises historiques comme Lockheed Martin et Boeing qui protégaient jalousement leurs acquis et voyaient d'un très mauvais oeil ces startups dirigées par des geeks prétendant vouloir lancer des fusées. Malgré les idées pleines d'ambition d'Elon Musk, les majors du secteur ne lui accordèrent aucune chance.

Même prétention en Russie où Elon Musk se vit refuser la vente d'un missile par Roscomsos. Ce n'était pas mieux en Europe où le secteur aéronautique restait et reste toujours entre les mains d'une administration lourde et procédurale incapable de s'adapter rapidement au changement. Roscomos comme l'ESA le payeront très cher.

Le temps du NewSpace

Avec l'émergence du "NewSpace", c'est-à-dire de l'espace ouvert aux entreprises privées comme Bigelow Aerospace, XCOR Aerospace (1999), Blue Origin (2000) et SpaceX (2002), en 2022 plus de 80 pays avaient la capacité de lancer des fusées.

Avec l'ascension fulgurante de SpaceX et ses contrats avec la NASA (en 18 ans Elon Musk a réussi à lancer une fusée habitée vers la station ISS et à ramener la capsule habitée sur Terre), les Etats-Unis ont retrouvé leur indépendance spatiale et ont repris leur première place de leader dans le monde de l'astronautique, laissant la Russie aux ordres de Poutine et la Chine se développer indépendamment de toute coopération internationale ou si peu.

Quant à l'ESA, en 2015 Elon Musk avait prédit qu'elle avait déjà perdu le combat. Et de fait, l'ESA a perdu son leadership avec l'ascension de SpaceX et d'autres constructeurs privés. Le manque d'anticipation de l'ESA ainsi que des constructeurs européens fut une erreur d'appréciation que l'agence spatiale européenne est heureusement en train de combler mais avec des lourdeurs administratives très pénalisantes. En effet, là où Elon Musk décide seul et développe une fusée comme un logiciel et est capable de s'adapter en quelques semaines à un changement technique, à l'ESA chaque décision doit être prise à l'unanimité et le travail partagé entre tous les États signataires. Cette façon de travailler typique des fonctionnaires a déjà fait perdre à l'ESA 30% du marché spatial. Heureusement, elle parvient à survivre grâce à certains gros contrats comme les 18 lancements des satellites Kuiper d'Amazon dont Jeff Bezos est à l'origine prévus d'ici 2026. Mais l'ESA ne pourra pas toujours compter sur la chance pour gagner des contrats.

A son tour, l'Empire du Milieu est en train de construire ses avant-postes dans l'espace aidé par des sociétés privées, y compris européennes telles Alcatel. La Chine ambitionne devenir la première puissance spatiale d'ici 2050 et est en bonne voie d'y parvenir. Mais cela ne signifie pas que la Chine pourra soutenir ce progrès à long terme vu les problèmes économiques et sociaux auxquels elle doit faire face.

A voir : Graphique interactif de la position de chaque satellite artificiel actif

Allo, la Terre ?

Quand la fiction rejoint la réalité. A gauche, une image du film "2001: L'Odyssée de l'Espace" qui frappa les esprits. A bord de la station Space Station V et en attendant sa navette pour la Lune et la base de Clavius, le Dr. Heywood Floyd contacte par téléphone sa famille restée sur Terre. Prix de la communication : 1.75$ pour 5 minutes. En 1968, c'était presque un rêve inaccessible. Aujourd'hui, pour les astronautes de telles communications sont une réalité ainsi que pour les radioamateurs qui les contactent. A droite, environ 30 ans après la sortie de "2001", les cosmonautes radioamateurs sont à bord de Mir et communiquent en SSTV avec d'autres radioamateurs restés au sol. Le prix ? La communication est gratuite ! Cette transmission fut enregistrée le 26 août 1999 sur 145.985 MHz par WB8ERJ. Plus vraie que la meilleure science-fiction ! Rappelons qu'une situation similaire s'était déjà produite en 1969 lors du débarquement d'Apollo 11 sur la Lune dont l'équipage fut en contact avec le président Nixon.

Plusieurs universités et associations amateurs profitent également des lanceurs nationaux pour placer sur orbite leurs propres satellites : AMSAT-OSCAR (AO), SARA, RADIO-SPOUTNIK (RS), JAMSAT, etc.

La NASA à son tour, à travers ses missions spatiales dont quelques heures sont réservées à l'éducation veut sensibiliser la population à la recherche en astronautique et aux sciences s'y rapportant ainsi qu'aux retombées de la conquête spatiale. C'est dans ce cadre que la NASA encourage également les expériences radioamateurs, les astronautes licenciés contactant de temps en temps des amateurs, des clubs ou des écoles équipées de moyens VHF (ARISS, etc). Citons par exemple l'astronaute Nancy J. Currie, alias KC5OZX qui discuta depuis la navette spatiale avec des radioamateurs du Goddard Amateur Radio Club, WA3NAN (cf. ces fichiers audio mémorables).

Enfin, rappelons que les chances de réussite d'une mission spatiale sont élevées mais le risque d'incident n'est pas nul; les satellites professionnels comme amateurs risquent toujours de tomber en panne ou de présenter une défectuosité pour une raison ou une autre (vibrations pendant le transport, soudure brisée, coup de froid, panne, irradiation,...). Nous y reviendrons lorsque nous discuterons des retombées de satellites, un risque qu'il faut prendre très au sérieux dans un monde toujours plus peuplé.

A quelle altitude commence l'espace ?

Comme toutes les questions a priori simples, la réponse est plus difficile qu'on le pense. En effet, elle dépend du contexte et donc de ce que veut savoir la personne qui a posé la question !

Dans le droit international, il n'existe pas de loi définissant l'altitude où se termine l'air national et où commence l'espace, le milieu interplanétaire. Cela laisse la porte ouverte à de nombreuses interprétations en fonction des utilisateurs de cette partie de l'atmosphère.

Les différentes couches de l'atmosphère telles que les considère la NOAA (2016).

En revanche, il existe une définition de l'espace extra-atmosphérique. En météorologie, l'exosphère commence à environ 800 km d'altitude. En aéronautique et astronautique, la limite communément admise de l'espace est appelée la "Ligne de Kármán" et est arbitrairement fixée à 100 km au-dessus du niveau moyen de la mer (MSL). Au-dessus de cette altitude, l'atmosphère est si ténue qu'elle ne fournit plus suffisamment de portance pour maintenir les avions conventionnels en vol (cf. le tourisme spatial).

A partir de 100 km d'altitude, un vaisseau spatial doit atteindre la vitesse minimale de satellisation de 7.8 km/s soit ~28000 km/h ou Mach 23 sinon il retombe sur Terre (à ne pas confondre avec la vitesse de libération qui est de 11.2 km/s (40320 km/h) sur Terre à 15°C - cf. ce tableau - et permet à un vaisseau spatial de s'affranchir définitivement de l'attraction terrestre).

Ainsi, sur le plan opérationnel, pour les différentes organisations aéronautiques et astronautiques dont la Fédération Aéronautique Internationale (FAI), la Ligne de Kármán définit un vol spatial.

Toutefois, dans un article publié dans la revue "Acta Astronautica" en 2018, l'astrophysicien Jonathan C. McDowell du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian proposa que l'espace commence à ~20 km (12 miles) en dessous de la Ligne de Kármán soit à 80 km au-dessus du niveau de la mer.

Selon cette norme adoptée par l'USAF et la NASA, c'est donc à partir de 80 km MSL qu'on peut considérer qu'il s'agit d'un vol spatial.

Dans le cas du tourisme spatial dont les vols peuvent dépasser 100 km d'altitude, on peut donc effectivement parler de vol spatial mais certainement pas pour les vols entre 30 et moins de 80 km d'altitude où on parle respectivement de vol stratosphérique et suborbital, sachant qu'il définit un vol qui n'atteint pas la vitesse minimum de satellisation.

A lire : A quelle altitude commence l'espace ?

Mais nous verrons à propos du tourisme spatial que pour la FAA, le fait d'atteindre plus de 80 km d'altitude ne suffit pas pour qu'un touriste spatial gagne ses ailes d'astronaute. Il doit également effectuer "des activités essentielles à la sécurité publique, ou contribuant à rendre le vol spatial habité plus sûr" (cf. le programme Wings mis à jour le 20 juillet 2021).

Entre environ 300 et 700 km d'altitude, les vaisseaux spatiaux évoluent sur des orbites basses dites LEO (Low Earth Orbit) dont l'altitude dépend de leur poids. Pratiquement aucun objet n'évolue à moins de 300 km d'altitude où il serait fortement ralenti par la traînée ou freinage atmosphérique et sa durée de vie écourtée d'autant.

La stratification de l'atmosphère au coucher du Soleil photographiée depuis la station ISS par Scott Kelly le 1 mars 2016 peu avant son retour sur Terre.

Notons que la Ceinture interne de Van Allen commence vers 1000 km d'altitude et la SAA vers 500 km d'altitude, des niveaux où les radiations corpusculaires sont très élevées (>50 MeV) et qu'il est préférable d'éviter, tant pour les missions habitées que pour les satellites. On y reviendra.

Mais du point de vue strictement physique, les mesures indiquent qu'il faut atteindre au moins 965 km d'altitude pour quitter les couches extérieures de l'atmosphère et commencer à ressentir le vent solaire. Ce niveau devrait donc correspondre à la limite inférieure de l'exosphère.

Toutefois, cette manière de définir l'espace complique un peu les choses. A cette altitude, la Station Spatiale Internationale qui orbite entre 330 et 435 km d'altitude, la navette spatiale (qui orbitait vers 320 km d'altitude) ainsi que certains satellites en orbites polaires (orbitant entre 700-1700 km d'altitude) ne seraient pas considérés comme des vaisseaux spatiaux !

Ces dernières années les scientifiques ont essayé de déterminer la "limite de l'espace" à travers différentes études de l'atmosphère. En 2009, les chercheurs de l'Université de Calgary ont fabriqué et lancé un Imageur Ionique Supra Thermique afin de mesurer la transition entre les vents modérés de l'atmosphère terrestre et les flux plus violents de particules chargées venant de l'espace. Selon leurs données, la limite de l'espace commence à 118 km (73 miles) au-dessus du niveau de la mer. Ceci est une limite scientifique également valable pour les simulations numériques. Elle se situe donc moitié plus haut que celle fixée par l'USAF et la NASA.

Idéalement, les différentes organisations aéronautiques et astronautiques ainsi que l'Organisation Météorologique Mondiale (OMM) et l'ONU devraient se mettre d'accord pour définir clairement la limite de l'espace et la reprendre dans le droit international et le droit de l'espace. A ce jour rien de tel n'est envisagé vu les points de vues particuliers des différents utilisateurs. Mais dans la mesure où le tourisme spatial prend lentement son envol, il faudra bien un jour fixer clairement le champ d'application des lois.

Ceci dit, l'astronautique ne peut pas se résumer en quelques pages et des livres encyclopédiques ont été écrits sur le sujet (voir les références en dernière page). Le sujet a donc été divisé en plusieurs articles, chacun développant une application particulière (les combinaisons spatiales, le réseau DSN, le tourisme, le budget et les retombées économiques, les accidents, l'exploration du système solaire, la colonisation de l'espace, etc.). Dans cet article, nous nous attacherons à rappeler les principales étapes de l'histoire de l'astronautique et les grands projets à venir.

Prochain chapitre

Rappel historique

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