Débris spatial

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Trou dans le radiateur de la navette spatiale américaine Endeavour provoqué par un débris durant la mission ST-118. Le diamètre de l'orifice d'entrée est de 6,4 mm et celui de sortie est le double.
Test destiné à simuler l'impact d'un débris spatial dans un véhicule en orbite au centre de recherche de la NASA

Un débris spatial, dans le domaine de l'astronautique, est un objet artificiel circulant sur une orbite terrestre amené là dans le cadre d'une mission spatiale et qui n'est pas ou plus utilisé. Les débris spatiaux de grand taille comprennent les étages supérieurs des lanceurs spatiaux et les satellites artificiels ayant achevé leur mission. Mais la majorité des débris spatiaux résultent de l'explosion accidentelle d'engins spatiaux ou, phénomène récent, de leur collision. Les dimensions de ces débris peut aller d'une fraction de millimètre à la taille d'un bus. On a identifié début 2016 17 000 débris de plus de 10 cm circulant en orbite basse et on estime qu'il existe environ 500 000 débris de plus de 1 cm et 100 millions de débris spatiaux dont la taille est supérieure à 1 mm. Les débris spatiaux sont progressivement éliminés car leur altitude diminue sous l'effet de l'atmosphère résiduelle et ils finissent par bruler dans l'atmosphère terrestre lors de leur rentrée atmosphérique. Mais leur nombre est en augmentation constante du fait de l'activité spatiale et d'une élimination naturelle très lente dès que leur orbite dépasse 700 km.

Ces débris présentent un danger pour les engins spatiaux opérationnels. En effet, ils circulent à des vitesses très élevées (de l'ordre de 8 km/s pour les débris en orbite basse) et l'impact d'un débris, même petit, sur un satellite peut entraîner des dégâts importants et dans certains cas sa destruction. Seuls les débris de plus de 10 cm circulant en orbite basse peuvent être suivis systématiquement grâce à des systèmes de surveillance mettant en œuvre principalement des radars terrestres. Pour tenter de réduire le risque associé aux débris spatiaux, les constructeurs d'engins spatiaux ajoutent dans certains cas des blindages qui peuvent stopper les débris de petite taille (de l'ordre du millimètre). Lorsque la trajectoire d'un débris spatial identifié peut constituer une menace, les opérateurs modifient l'orbite du satellite menacé. Toutefois la mesure la plus efficace consiste à limiter le nombre de débris spatiaux produits. Les principales agences spatiales, pour tenter d'endiguer ce qui est identifié comme une menace pour la poursuite de l'activité spatiale à moyen terme, ont édicté des recommandations visant à réduire le phénomène notamment en limitant le nombre de débris générés au moment du déploiement du satellite, en déclenchant la rentrée de l'étage supérieur du lanceur et en s'assurant que le satellite en fin de vie soit placé sur une orbite garantissant une rentrée atmosphérique à une échéance de 25 ans. Selon ces recommandations, les satellites circulant en orbite géostationnaire doivent être placés sur une orbite cimetière. Toutefois faute d'un accord international sur ces dispositions qui augmentent de manière sensible les couts de lancement, celles-ci restent des recommandations qui peuvent ne pas être appliquées.

Définition[modifier | modifier le code]

Un débris spatial est défini comme un objet artificiel (fabriqué par l'homme) qui se trouve en orbite autour de la Terre et qui n'est pas ou plus utilisé[1]. Un satellite artificiel lorsqu'il arrive en fin de mission devient un débris spatial. L'étage supérieur d'un lanceur resté en orbite après avoir rempli sa tache est également un débris spatial.

Origine des débris spatiaux[modifier | modifier le code]

Répartition des débris selon leur origine[2].

Depuis le début de l'ère spatiale, qui débute avec le lancement de Spoutnik 1 le , plus de 5 000 engins spatiaux ont été lancés dans l'espace par les différentes puissances spatiales de la planète. La majorité d'entre eux (environ 4 800 en 2007) ont été placés sur une orbite terrestre [3] et quelques centaines, les sondes spatiales, ont quitté l'environnement immédiat de la Terre pour explorer la Lune ou les autres planètes du système solaire. Chacune de ces missions a généré un certain nombre de débris spatiaux.

Ces débris ont différentes origines :

  • les plus gros débris sont constitués par le dernier étage du lanceur qui est placé en orbite en même temps que sa charge utile. Les recommandations appliquées par les principales nations spatiales préconisent que l'étage dispose de suffisamment de carburant (si le moteur-fusée peut être remis à feu) ou dispose d'un système propulsif spécifique lui permettant de réduire son orbite et d'effectuer une rentrée atmosphérique peu de temps après avoir achevé sa mission.
  • Une fois leur mission achevée les satellites restent généralement sur leur orbite car un retour sur Terre nécessiterait de disposer d'une masse d'ergols qui imposerait de réduire à sa conception la part du satellite consacrée à sa mission. En 2007, sur les 2 400 satellites en orbite on estime que plus des trois quarts étaient des engins spatiaux ayant achevé leur mission[3].
  • Les débris spatiaux dits opérationnels sont produits volontairement au moment du déploiement du satellite. Ce sont par exemple les caches protégeant les optiques des caméras, les réservoirs largables, les dispositifs utilisés pour larguer la charge utile, l'adaptateur utilisé lors de l'emport d'une charge double (Sylda), etc. Ces équipements sont de plus en plus souvent conçus pour qu'ils restent solidaires de l'engin spatial sur lesquels ils sont fixés.
  • La principale source de débris spatiaux est la fragmentation d'engins spatiaux existants. La fragmentation a pour origine dans la plupart des cas une explosion. On recensait ainsi 2 à 9 explosions par an entre 1965 et 1995 (moyenne environ 4). Les processus à l'œuvre comprennent l'explosion de batteries, les explosions à haute énergie dues à la présence d'ergols dans les réservoirs, l'implosion de réservoirs normalement sous pression (faible énergie) ou la destruction intentionnelle d'engins spatiaux. Jusqu'en 2007 aucun cas de fragmentation lié à une collision n'avait été recensé. Mais les deux collions de 2007 et 2009 ont à elles toutes seules augmenté de 30% le nombre de débris de plus de 10 cm.
  • De manière anecdotique certains débris spatiaux sont des équipements perdus par des astronautes, alors qu'ils effectuaient des opérations de montage et de réparation durant une sortie extravéhiculaire.

Diagramme de Gabbard : la représentation des débris générés par la fragmentation[modifier | modifier le code]

Diagramme de Gabbard des 300 débris issus de l'explosion du 3e étage d'une fusée Longue Marche, 5 mois après son lancement.

Les groupes de débris issus de la désagrégation de satellites sont analysés grâce à un diagramme dit « de Gabbard » dans lequel le périgée et l'apogée de chaque débris est représenté en fonction de sa période orbitale. Les débris projetés dans le sens du déplacement orbital augmentent en apogée et en période, ils correspondent aux deux bras droits du X. Les débris projetés dans le sens rétrograde ont un périgée et une période diminués (les deux bras gauches du X). Les projections dans les directions perpendiculaires à l'orbite influent peu sur les caractéristiques de période, d'apogée et de périgée, les débris dans ce cas sont concentrés autour du centre de la croix[4]. L'étude de la distribution des éléments de ce diagramme permet aussi de déterminer les causes de la fragmentation[5]

Inventaire et caractéristiques[modifier | modifier le code]

Le nombre de débris d'une taille supérieure à 10 cm est estimée à environ 21 000. Pour 17 000 d'entre eux on dispose des caractéristiques de leur orbite et leur trajectoire est suivie. La population des débris dont la taille est comprise entre 1 et 10 cm est évaluée à 500 000. Enfin on estime qu'il y a plus de 100 millions de débris spatiaux dont la taille est supérieure à 1 mm. Le nombre de débris dont la taille est supérieure à 3 mm est évaluée par projection statistique à partir de données fournies par les radars au sol. En deçà de cette taille l'évaluation est estimée à partir du recensement des impacts sur la surface d'engins ou d'expérience ayant séjourné dans l'espace et revenus sur Terre. La majorité des débris se trouvent à une altitude inférieure à 2 000 km à l'image de l'activité spatiale concentrée sur l'orbite basse. La concentration la plus importante se trouve à une altitude comprise entre 750 et 800 km. Les débris spatiaux qui circulent en orbite basse (altitude < 2 000 km) ont en moyenne une vitesse comprise entre 7 et 8 km/s. Lorsqu'une collision se produit la vitesse relative des deux objets concernés est en moyenne de 10 km/s[6].

Les débris spatiaux ne restent pas de manière permanente en orbite. Par exemple il ne subsiste plus en 2016 aucun des débris produits par l'explosion du satellite soviétique Cosmos 2421 qui avait eu lieu en 1986 à une altitude de 410 km et qui avait généré à l'époque 509 débris de plus 10 cm[7]. En effet l'atmosphère résiduelle, qui subsiste dans l'espace près de la Terre, freine progressivement le débris spatial dont l'altitude s'abaisse jusqu'à ce qu'il soit ramené au niveau des couches denses de l'atmosphère lorsque son altitude approche les 100 kilomètres. Il effectue alors une rentrée atmosphérique au cours de laquelle il s'échauffe et se disloque. Certaines pièces peuvent survivre à cette phase et parvenir jusqu'au sol, mais la plupart sont vaporisées. L'orbite s'abaisse d'autant plus vite que la surface exposée aux forces de trainée est importante et que l'altitude initiale est faible (cas du satellite Cosmos 2421 cité plus haut). Si le débris spatial se trouve à 600 km d'altitude, il retombe sur Terre au bout de quelques années. À une altitude initiale de 800 km il ne revient au sol qu'au bout de plusieurs décennies. Au-dessus de 1 000 km d'altitude le débris spatial reste en orbite plusieurs siècles[6]. La "durée de vie" moyenne élevée des débris spatiaux combinée avec une activité de lancement soutenue (environ 80 lancements par an au cours de la décennie 2010) ont pour conséquence une augmentation constante des débris spatiaux depuis le début de l'ère spatiale. Le nombre a fortement cru à la fin des années 2000 à la suite de deux collisions majeures (Destruction volontaire du satellite chinois Fengyun-1C et collision accidentelle de Iridium 33 et Cosmos 2251) qui ont accru d'environ 30 % le nombre de débris de plus de 10 cm.

Les observations effectuées périodiquement montrent une croissance régulière du nombre de débris en orbite. Deux nouveaux phénomènes propres à l'activité spatiale de la décennie 2010 pourraient contribuer à accélérer cette croissance. La progression très rapide de la population des CubeSats. Ces nano-satellites de quelques kilogrammes, du fait de leur taille, ne sont pas en mesure d'appliquer les règles élaborées pour accélérer la rentrée atmosphérique qui nécessitent l'emport d'ergols lorsque l'orbite dépasse les 700 km (environ). L'autre phénomène concerne l'étude en cours (2016) de méga constellations de satellites de télécommunications comptant des centaines d'engins spatiaux (OneWeb 650 satellites) qui, en saturant l'orbite basse, sont susceptibles de rendre inopérantes les méthodes utilisées pour le suivi des satellites et la gestion des risques de collision[8],[9].

Évolution depuis le début de l'ère spatiale du nombre d'objets en orbite (> 10 cm en orbite basse et > 1 mètre sur les autres orbites) suivis par le réseau de surveillance américain USSTRATCOM. Ces 17 000 objets, pour lesquels ont une dispose des caractéristiques orbitales, ne représentent qu'une faible fraction des 500 000 objets d'une taille > 1 cm (Situation à la fin du premier du premier trimestre 2016).

Risques liés aux débris spatiaux[modifier | modifier le code]

Risques en orbite[modifier | modifier le code]

Temps moyen entre deux impacts de débris supérieurs à une taille donnée, sur un objet d'une section de 100 m2 en fonction de son altitude [10]
400 km 800 km 1 500 km
>0,1 mm 4,5 jours 2,3 jours 0,9 jour
>1 mm 3,9 ans 1,0 an 1,5 ans
>1 cm 1 214 ans 245 ans 534 ans
>10 cm 16 392 ans 1 775 ans 3 109 ans

Malgré leur nombre relativement restreint, les débris spatiaux situés en orbite constituent une menace pour les engins spatiaux en activité du fait de leur énergie cinétique très élevée. Avec une vitesse moyenne en cas d'impact de 10 km/s, l'énergie cinétique (1/2 x masse x vitesse2) d'un débris spatial de 10 grammes est supérieure à celle d'un véhicule d'une tonne percutant un mur à 100 km/h. Si un débris dont la taille est inférieure à 1/10 mm ne fait qu'éroder la surface d'un satellite, les débris dont la taille est comprise entre 1/10 mm et 1 cm peuvent perforer des équipements et entrainer selon le cas une panne mineure, majeure ou la perte du satellite. Entre 1 et 10 cm les dommages sont très importants alors que les débris de cette taille ne peuvent être systématiquement détectés depuis le sol. L'utilisation d'un blindage ne permet de résister qu'à des débris dont la taille est inférieure à 2 cm[11]. .

Toutefois, bien que nombreux, des accidents impliquant des débris spatiaux restent relativement peu fréquents, du fait de l'immensité de l'espace. À titre d'exemple, la Station spatiale internationale risque un impact critique avec un objet d'une taille comprise entre 1 et 10 centimètres[12] que tous les soixante-dix ans ; si l'on exclut de la surface de la station ses immenses panneaux solaires dont la perte ne serait pas forcément critique, le risque tombe à un impact tous les trois siècles[13]. Pour un satellite d'une durée de vie de dix ans, le risque d'être détruit par un débris spatial est à peu près identique à celui de l'être lors du lancement (soit une chance sur 100)[14].

Risques au sol[modifier | modifier le code]

Un débris du troisième étage PAM-D de Delta 2 retrouvé en Arabie saoudite le 21 janvier 2001

Les risques au sol sont nettement plus faibles, car les fragments entrant dans l'atmosphère sont majoritairement carbonisés par la chaleur due aux frottements avec l'air. Pour autant, des débris de taille non négligeable sont parfois retrouvés sur Terre et des prévisions sont faites régulièrement par les organismes de surveillance[15].

Mesures de limitation des risques[modifier | modifier le code]

La réduction des risques liés aux débris spatiaux se fait d'abord par une surveillance des plus gros d'entre eux à l'aide de radars ou de moyens optiques depuis le sol afin d'anticiper des collisions potentielles et de modifier en conséquence les trajectoires des satellites menacés. Mais ces mesures ne permettent pas d'éviter tout danger car les débris de quelques centimètres, potentiellement dangereux compte tenu de leur vitesse, ne peuvent être suivis avec les instruments existants. La deuxième mesure consiste à limiter la production de nouveaux débris par une conception adaptée des engins spatiaux : passivation des réservoirs d'ergols pour éviter une explosion ultérieure, limitation du largage de pièces au moment du déploiement en orbite des satellites... La réglementation doit définir également des règles, qui doivent être acceptées par tous car contraignantes sur le plan économique, pour limiter le séjour des satellites et des étages de fusée en orbite en obligeant les organisations spatiales à prévoir une réserve d'ergols permettant d'abréger la durée de séjour en orbite des engins arrivés en fin de vie. Les constructeurs d'engins spatiaux prennent déjà des mesures pour protéger les parties sensibles de ceux-ci lorsqu'ils circulent sur des orbites où les débris sont particulièrement denses. Enfin différentes solutions techniques ont été étudiées pour désorbiter les débris spatiaux à l'aide d'engins dédiés mais aucune solution économiquement viable n'a été imaginée jusque là[16].

Surveillance des débris spatiaux[modifier | modifier le code]

Cartographie des principaux débris spatiaux en orbite terrestre basse
Cartographie vue d'au-delà de l'orbite géosynchrone

Aux États-Unis[modifier | modifier le code]

L'USSPACECOM tient à jour un catalogue (dénommé « Two Lines Elements » (TLE)[17]) contenant environ 15 000 objets[18] (de plus de 10 cm en orbite basse et de plus de 1 m en orbite géostationnaire), aussi dans le but de ne pas les confondre avec des missiles ennemis. Les observations collectées depuis plusieurs installations radars et télescopes, ainsi qu'un télescope spatial[19], sont utilisées pour entretenir ce catalogue. Cependant, la majorité des débris ne sont toujours pas observés.

Le satellite LDEF avant son déploiement par Challenger au-dessus de la Floride

Le retour sur Terre de matériel orbital est aussi une précieuse source d'informations sur l'environnement de débris de tailles submillimétriques. Le satellite LDEF, déployé par la mission STS-41-C Challenger et récupéré par STS-32 Columbia, a passé 68 mois en orbite. L'examen minutieux de sa surface a permis d'analyser la distribution directionnelle et la composition du flux de débris. Le satellite européen Eureca, déployé par STS-46 Atlantis et récupéré 326 jours plus tard par STS-57 Endeavour a révélé un millier d'impacts sur ses panneaux solaires et 71 sur son corps, de 100 µm à 6,4 mm[20].

Les remplacements des panneaux solaires du télescope spatial Hubble lors des missions STS-61 Endeavour et STS-109 Columbia apportèrent incidemment de nouvelles précisions pour le modèle d'environnement des débris spatiaux.

Le catalogue du North American aerospace defense (NORAD) qui est sans doute le plus complet qui existe au monde, fait état de plus de 9 000 objets de plus de 10 cm en orbite autour de la Terre (en 2006).

Le Département de la Défense (DoD) américain vient d’accorder deux contrats pour le développement, d’ici mi-2012, d’un prototype de système de géolocalisation des débris spatiaux. Il dispose déjà, via des radars très haute fréquence installés dans le Sud du pays, d’un système de géolocalisation des débris et des satellites qui survolent l’atmosphère. Mais l’idée du nouveau bouclier spatial est de pouvoir accéder à tout moment à un catalogue exhaustif des objets spatiaux, notamment les plus petits, grâce à deux ou trois capteurs plus puissants répartis en des endroits stratégiques du globe[21].

En Europe[modifier | modifier le code]

Selon l'Institute of Aerospace Systems de Brunswick, la trajectoire n'est pas connue pour 110 000 autres débris en orbite terrestre, compris entre 1 et 10 centimètres, ainsi que des objets artificiels allant du millimètre au centimètre dont le nombre est estimé à 330 millions et dont la trajectoire est erratique[22] (sans compter les poussières indétectables allant du millimètre au micron). La masse totale de ces débris est estimée à 5 900 tonnes[14].

Cet institut est à l'origine du modèle de distribution et de vitesse des débris nommé MASTER (Meteoroid And Space debris Terrestrial Environment Reference) et utilisé par l'ESA pour calculer les probabilités et directions de collision en orbite. L'agence européenne possède un catalogue de 26 000 débris qu'elle suit avec un réseau d'observatoires et de radars pour corroborer ce modèle.

Dans le cadre du programme Space Situational Awareness (SSA) de l'Agence spatiale européenne (ESA), des chercheurs du Fraunhofer-Gesellschaft en Allemagne ont un rôle de premier plan dans ce projet : ils fournissent le récepteur du système radar.

L'institut Fraunhofer de la physique des hautes fréquences et des techniques radar (le FHR à Wachtberg) réalise le démonstrateur, en collaboration avec la société espagnole Indra Espacio qui se charge de l'ensemble émetteur[23].

En France[modifier | modifier le code]

La France dispose depuis 2005 du radar Graves (un seul capteur) qui permet de détecter les satellites survolant la France et les régions périphériques à des altitudes compris entre 400 et 1 000 km et de mesurer leurs trajectoires. Ce radar remplit 3 missions dont deux ont un rapport direct avec les débris spatiaux[24] :

  • Détection des satellites de reconnaissance (satellite espion) survolant le territoire
  • Détermination des risques de collision entre satellites impliquant au moins un satellite opérationnel
  • Détection des satellites soit massifs soit polluants (radioactivité) susceptibles d'effectuer une rentrée atmosphérique et présentant donc un risque pour les habitants.

L'Armée française utilise ses radars SATAM pour déterminer de manière plus précise les objets d'intérêts (risque de collision ou retombées atmosphériques). Les données des radars SATAM et GRAVES sont traitées par le Centre opérationnel de surveillance militaire des objets spatiaux (COSMOS) créé en 2014 avec des objectifs à la fois militaires et civils (protection des populations[25],[26].

Le CNES utilise par ailleurs à temps partiel (15%) deux télescopes TAROT dont la mission principale est la détection des sursauts gamma et qui sont situés pour l'un sur le plateau de Calern en France et pour l'autre à l'observatoire de La Silla au Chili. Ceux- ci permettent d'identifier de manière expérimentale les objets situés en orbite géostationnaire ou géosynchrone[27].

Blindage des engins spatiaux[modifier | modifier le code]

Parties les plus exposées à un risque de collision avec un débris spatial (en rouge)

Les petites particules de moins d'un centimètre, très courantes et difficiles à détecter, ne sont pas évitées, car les blindages permettent de s'en protéger. Il y a deux types de blindage : les blindages intrinsèques sont constitués par les parois du satellite tandis que les blindages spécifiques sont des ajouts à la structure qui permettent d'arrêter le débris avant qu'il ne perfore la paroi. Mais ces blindages alourdissent évidemment les véhicules spatiaux, diminuant leur charge utile, leur durée de vie, ou augmentant leur coût. Le dixième du poids de la station spatiale internationale est ainsi dû à son blindage[28] Le blindage utilise le principe du bouclier Whipple (du nom de l'astronome américain qui l'a mis au point. Il est constitué de plusieurs couches minces d'aluminium séparées par un vide. La(s) première(s) couche est destinée à être perforée(s) mais elle fait éclater le débris en de multiples fragments qui lorsqu'ils frappent la paroi de l'engin spatial n'ont plus l'énergie permettant de la traverser. L'intervalle entre ces premières couches peut être remplis d'un matelas absorbant[29].

Le plus grand problème est posé par les débris de taille moyenne, entre un et dix centimètres, estimés à environ 200 000[30], qui ne sont pas catalogués alors qu'ils présentent un risque très important[31] et surtout pour lesquels il n'existe pas de protection.

Gestion opérationnelle des risques de collision[modifier | modifier le code]

Cette série de photo capturée grâce à une caméra rapide représente un essais d'impact d'une bille en aluminium sur une plaque elle-même en aluminium à 4,5 km/s soit 16 000 km/h. Cet essai a été réalisé par Thiot Ingénierie dans le but de simuler l'effet d'un impact de débris spatiaux sur un satellite.

Au-delà dune certaine taille (environ 2 cm) aucune protection ne permet de protéger un engin d'un débris spatial. La seule solution consiste à modifier l'orbite pour éviter tout risque de collision. Ces manœuvres nécessitent d'utiliser la propulsion de l'engin spatial et sont coûteuses en carburant et diminuent d'autant la durée de vie des satellites ; à titre d'exemple, lors de l'évitement par le satellite Spot 2 d'un débris provenant d'un lanceur Thor-Agena en juillet 1997, 400 grammes d'ergols ont été utilisés, alors que sa consommation annuelle est de 150 grammes[32]. Ces manœuvres sont fréquentes sur les orbites basses[33]. La décision de modifier le satellite doit tenir compte de nombreux paramètres qui peuvent faire varier les orbites du satellite et des débris spatiaux. Celles-ci sont connues avec une certaine incertitude et elles peuvent dériver sous l'influence du Soleil, de la Lune et de l'atmosphère résiduelle[34].

Prévention : mise en place d'une réglementation[modifier | modifier le code]

Pour limiter la multiplication du nombre de débris spatiaux, les principales puissances spatiales ont défini un certain nombre de règles de bonne conduite à appliquer lors de la conception des nouveaux engins spatiaux et durant les phases de déploiement en orbite puis en fin de vie. L'application des mesures les plus importantes ont un coût car elles entrainent généralement une réduction de la masse de la charge utile emportée par le lanceur. Dans un climat de concurrence économique entre les acteurs du secteur spatial seule une mise en œuvre rendue obligatoire pour toutes les puissances spatiales garantit leur application.

Action de l'IADC[modifier | modifier le code]

Les principales agences spatiales - ASI (Italie), CNES (France), CNSA (Chine), Agence spatiale canadienne (Canada), DLR (Allemagne), Agence spatiale européenne (Europe), ISRO (Inde), JAXA (Japon), KARI (Corée du Sud), NASA (États-Unis), Roscosmos (Russie), NKAU (Ukraine) et UK Space Agency (Royaume-Uni) - adhèrent à l'Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) créé en 1993 pour faciliter l'échange de données sur les débris spatiaux, mener des études techniques (modélisation du comportement des débris en orbite, étude technique des systèmes de blindage), réaliser des campagnes d'observation et établir des recommandations[8]. Ce comité a établi un recueil de principes à appliquer Space Debris Mitigation Guidelines (IADC-02-01, Rev. 2007) qui a été validé la même année par les 69 pays membres du Comité des Nations unies pour l'utilisation pacifique de l'espace extra-atmosphérique (COPUOS) consacré aux activités spatiales. Le comité scientifique et technique du COPUOS a établi et publié en 2009 son propre recueil de règles Space Debris Mitigation Guidelines of the Scientific and Technical Subcommittee of the Committee on the Peaceful Uses of the Outer Space (A/AC.105/890, 2009).

Règles[modifier | modifier le code]

Les principales règles sont les suivantes  :

  • ̇La passivation des étages supérieurs après utilisation par largage du carburant résiduel, pour limiter le risque d'une explosion des imbrûlés hypergoliques qui engendrerait des milliers de nouveaux débris.
  • La désorbitation rapide des étages supérieurs, qui sont placés en orbite avec la charge utile, en utilisant le carburant résiduel.
  • La règle dite des « 25 ans » qui impose que tout satellite se trouvant en orbite basse rentre dans l’atmosphère avant un quart de siècle. Ainsi pour remplir cet réglementation le satellite français Spot-1 a diminué son altitude en fin de mission à l'aide de sa propulsion (fin 2003), réduisant sa présence post mortem en orbite de 200 à 15 ans[35]. Mais une telle manœuvre requiert parfois trop de carburant ou doit avoir lieu trop longtemps après la mise en orbite pour garantir son succès.
  • Pour les satellites circulant à des altitudes où la désorbitation n'est pas économiquement envisageable, telle que l'orbite géostationnaire, le satellite est transféré vers une orbite de rebut où ne se trouve aucun engin opérationnel. Pour autant, aucune obligation n'est possible contre les sociétés gérant ces satellites : entre 1997 et 2000, 22 des 58 satellites géostationnaires ont été abandonnés, et pour 20 d'entre eux l'orbite n'a pas été modifiées de manière à éviter tout risque[3].
  • Les recommandations internationales concernent également la « rentrée contrôlée » des satellites, l'homme guidant la rentrée de l'objet grâce à des moteurs vers une zone inhabitée de son choix comme l'océan[36].

Mise en place de "règles de bonne conduite" nationales[modifier | modifier le code]

Sans attendre la mise en place d'une réglementation internationale légalement contraignante pour tous les pays, les principales agences spatiales occidentales ont formalisé de manière interne des règles de bonnes conduite qui ne restent toutefois que des recommandations :

  • NASA (États-Unis) : Safety Standard NSS-1740.14 - Guidelines and Assessment Procedures for Limiting Orbital Debris (1995)
  • NASDA (Japon) : Space Debris Mitigation Standard NASDA-STD-18 (1996)
  • CNES (France) : CNES Standards Collection, Method and Procedure Space Debris – Safety Requirements (RNC-CNES-Q40-512) (1999)
  • Agence spatiale européenne : European code of conduct for space debris mitigation issue (2004).

Désorbitation des débris spatiaux[modifier | modifier le code]

À la suite de différentes conférences sur le sujet, plusieurs propositions ont été faites pour rabattre les débris vers l'atmosphère terrestre telles que des remorqueurs automatisés[37], un balai laser (en) (pour détruire les particules ou les dévier vers une orbite plus basse), de gigantesques boules d'aérogel pour absorber les impacts et finalement précipiter les débris capturés vers l'atmosphère, un filet pour capturer le débris, des moteurs ioniques soufflant sur un satellite géostationnaire en fin de vie afin de le sur-orbiter. Néanmoins, la difficulté principale reste le « rendez-vous » avec ces « objets non coopératifs » en mouvement et actuellement le principal effort est porté sur la prévention des collisions par la surveillance des plus gros débris et les mesures contre la création de nouveaux.

  • Le satellite emporte un dispositif spécifique destiné à accélérer la réduction naturelle de l'altitude sous l'effet de l'atmosphère résiduelle. Ainsi le satellite scientifique français Microscope emporte l'équipement IDEAS (Innovative DEorbiting Aerobrake System) dédié à la désorbitation. Celui-ci est constitué par deux structures souples qui sont gonflées en fin de mission avec de l'azote stocké sous haute pression. En augmentant la surface soumise aux forces de trainée de 6,3 m2, l'altitude du satellite diminue plus rapidement ce qui réduit le temps de séjour en orbite. L'équipement a une masse totale de 12 kg.
  • Création d'une « décharge » orbitale où seraient rassemblés les plus gros objets afin d'éviter les collisions et de stocker ces ressources de matériaux pour le futur.
  • La désorbitation volontaire des satellites en fin de vie serait une mesure efficace,

La désorbitation pourrait dans ces cas-là être effectuée grâce à un câble électrodynamique déroulé depuis le satellite et qui le ralentirait et abaisserait son orbite jusqu'à une altitude où la traînée atmosphérique provoquerait rapidement la désorbitation[38].

Événements ayant contribué à créer un volume significatif de débris[modifier | modifier le code]

Les 10 événements ayant généré le plus grand nombre de débris catalogués par l'USSTRATCOM [7]
Date
événement
Date
lancement
Lanceur et/ou satellite
impliqué
Altitude
de l'événement
Débris
catalogués
Débris restant
(début 2016)
Origine événement
2007 1999 Drapeau de la République populaire de Chine Fengyun-1C 850 km 3428 2880 Collision volontaire (test anti-satellite)
2009 1993 Drapeau de la Russie Cosmos 2251 790 km 1668 1141 Collision accidentelle avec Iridium 33
1996 1994 Drapeau des États-Unis Étage HAPS fusée Pegasus
(lancement STEP-2
625 km 754 84 Explosion accidentelle réservoir
2009 1997 Drapeau des États-Unis Iridium 33 790 km 628 364 Collision accidentelle avec Cosmos 2251
1986 1986 Drapeau de l'URSS Cosmos 2421 410 km 509 0 Inconnue
1986 1986 Europe 3éme étage Ariane 1
lancement SPOT-1
805 km 498 32 Explosion réservoir
1965 1965 Drapeau des États-Unis Étage Transtage Titan III
lancement LCS 2
740 km 473 33 Explosion accidentelle du réservoir
2000 1999 Drapeau de la République populaire de Chine Troisième étage Longue Marche 4
et satellite CBERS 1
740 km 431 210 Double explosion accidentelle réservoir
1970 1970 Drapeau des États-Unis Étage Agena
lancement Nimbus 4
1075 km 376 235 Explosion accidentelle réservoir
2001 2001 Drapeau de l'Inde Dernier étage PSLV
lancement TES (en)
670 km 372 80 Explosion accidentelle du réservoir
Orbite des débris du Fengyun-1C détruit lors d'un essai antisatellite chinois en 2007.

De 1967 à 1988, l'Union Soviétique lança des satellites espions RORSAT alimentés par réacteur nucléaire. À la fin de leur mission, ils éjectaient leur cœur sur une orbite de plusieurs siècles de durée de vie. Durant et après cette éjection, des fuites de fluide caloporteur NaK se sont produites, dispersant des gouttes entre 850 et 1 000 km d'altitude. Ces débris, au nombre d'environ 110 000, d'une taille allant jusqu'à 7 cm et d'une masse totale de 165 kg, représentent encore aujourd'hui un danger pour les objets en orbite basse (ils furent détectés par LDEF dont l'apogée était à 580 km)[39]. De plus, il est possible qu'ils aient percuté les radiateurs des RORSAT en orbite de rebut, provoquant de nouvelles fuites de NaK[40].

Parmi les autres événements ayant produit un nombre de débris significatifs ou impliquant un débris spatial figurent :

  • en décembre 1991, un satellite Kosmos aurait été touché par l'un de ses jumeaux selon des informations américaines ;
  • le , un fragment d'un troisième étage d'une fusée Ariane qui avait explosé en vol dix ans auparavantpercute le microsatellite français Cerise ;
  • le , un étage d'une fusée Thor a été percuté par un débris chinois[41].
  • Une des plus grandes créations de débris ne fut pas accidentelle : elle est due à un essai de missile anti-satellite chinois le causant la destruction de Fengyun-1C. Il provoqua la création de 2 300 débris de taille observable (i.e. de quelques centimètres, décompte de décembre 2007) et d'après les estimations, 35 000 débris d'au moins 1 cm et plus d'un million de débris d'au moins 1 mm. Cet événement est plus préjudiciable que les précédents essais de telles armes car il eut lieu à une altitude plus élevée (850 km) qui engendre une durée de présence en orbite d'au moins 35 ans. En juin 2007, le satellite Terra fut le premier à devoir être dévié pour lui éviter d'être touché par ces débris[42].
  • Quelques mois plus tard, les Américains réalisent également une destruction volontaire d'un satellite espion, l'USA 193 ; le radar Sea-based X-band Radar a répertorié 169 débris à la suite de cette opération.
  • Un événement d'une ampleur similaire survint le quand le dernier étage d'un lanceur russe Briz-M explose en orbite au-dessus de l'Australie. La fusée avait été lancée le transportant un satellite de communication Arabsat-4A, mais un dysfonctionnement l'empêche d'achever la mise en orbite et il resta en orbite elliptique avec une grande quantité d'imbrûlés hypergoliques corrosifs. L'explosion fut photographiée par plusieurs astronomes, les observations radar n'ont pu établir précisément la trajectoire des débris à cause du caractère de leur orbite. Bien que d'une ampleur semblable au test chinois, le nuage de débris passe par une altitude moindre et une grande partie des 1 100 débris identifiés retombèrent dans l'atmosphère rapidement[43],[44]. Une autre dislocation venait juste d'être observée le 14 février précédent[45], ce qui en fait trois en l'espace de deux mois. Il y en avait eu 8 dans l'année 2006, ce qui n'était jamais arrivé depuis 1993[46].
  • Le , un énorme nuage de débris spatiaux s'est formé après l'explosion mi-octobre du bloc d'accélération d'une fusée Proton-M, lancée début août, ayant échoué à mettre en orbite deux satellites de télécommunications en raison d'une défaillance technique[47].

Ainsi, alors que jusqu'en 2007, la courbe de croissance du nombre de débris était linéaire (environ 200 nouveaux objets par an), ces évènements ont généré une courbe de croissance exponentielle[14].

Impacts de débris notables[modifier | modifier le code]

Représentation de l'impact sur le satellite Cerise.

La première collision connue entre un satellite et un débris spatial catalogué remonte à 1996 et concerne le satellite militaire français Cerise : le débris heurte à une vitesse relative de 14,8 km/s la partie supérieure de la perche au bout de laquelle se situe la masse permettant de stabiliser le satellite par gradient de gravité [48].

Lottie Williams est la première et la seule personne à ce jour (septembre 2008) à avoir été touchée par un débris spatial d'origine humaine. Alors qu'elle se promenait dans un parc de Tulsa, Oklahoma, le 22 janvier 1997 à h 30, elle remarqua une lueur dans le ciel qu'elle prit pour une étoile filante. Quelques minutes plus tard, elle fut frappée à l'épaule par un objet métallique sombre de 15 cm qui s'avéra, plus tard être une pièce de réservoir d'une fusée Delta II lancée en 1996. Elle ne fut pas blessée[49].

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Documents de référence
Réglementation européenne
  • (en) Agence spatiale européenne, Space Debris Mitigation Policy for Agency Projects (lire en ligne)
  • (en) Agence spatiale européenne, ESA Space Debris Mitigation Compliance Verification Guidelines, (lire en ligne)
Réglementation française
  • Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche, Arrêté du 31 mars 2011 relatif à la réglementation technique en application du décret no2009-643 du 9 juin 2009 relatif aux autorisations délivrées en application de la loi n°2008-518 du 3 juin 2008 relative aux opérations spatiales, (lire en ligne)
Réglementation américaine
  • (en) Gouvernement américain, U.S. Government Orbital Debris Mitigation Standard Practices (lire en ligne)
  • (en) NASA, NASA Procedural Requirements for Limiting Orbital Debris, (lire en ligne)
  • (en) NASA, Process for Limiting Orbital Debris, (lire en ligne)
Nations Unies
  • (en) Nations Unies - Bureau pour les affaires spatiales, Space Debris Motigation Guidelines of the Committee on the Peaceful Uses of Outer Space, (lire en ligne)
Divers
  • (en) NASA, History of on-orbit satellite fragmentation (14e édition), (lire en ligne)
  • Fernand Alby[50], Jacques Arnould, André Debus, La pollution spatiale sous surveillance, Ellipses, (ISBN 978-2-7298-3395-4)

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Droit français : arrêté du relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales.
  2. CP CNES, « Introduction aux débris spatiaux », sur http://debris-spatiaux.cnes.fr/,‎ (consulté le 25 juillet 2009)
  3. a, b et c La pollution spatiale sous surveillance, p. 62
  4. (en) David S.F. Portree & Joseph P. Loftus Jr, « Orbital Debris: A Chronology »,‎ (consulté le 20 novembre 2006), page 13 [PDF]
  5. (en) Orbital Debris Program Office, « History of on-orbit satellite fragmentations, 13e édition »,‎ (consulté le 20 novembre 2006), page 23 [PDF]
  6. a et b (en) « Orbital Debris Frequently Asked Questions », NASA Orbital Debris Programme Office,‎
  7. a et b (en) 5 P. ANZ-MEADOR et al., « Top Ten Satellite Breakups Reevaluated », Orbital Debris Quarterly News, vol. 20, no 1 et 2,‎ , p. 14 (lire en ligne)
  8. a et b (en) Richard Crowther, « he Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) - An overview of the IADC annual activities », Inter-Agency Space Debris Coordination Committee,‎
  9. (en) IADC Steering Group, « IADC Statement on Large Constellations of Satellites in Low Earth Orbit », Inter-Agency Space Debris Coordination Committee,‎
  10. (en) Update of the ESA Space Debris Mitigation Handbook, (lire en ligne), chap. 1.3.3 (« Impact flux analysis for space vehicle design »)
  11. « Débris spatiaux > Risque en Orbite », CNES (consulté le 27 avril 2016)
  12. La station est blindée pour des objets inférieurs à 1 cm tandis que les objets de plus de 10 cm ont une trajectoire connue.
  13. La pollution spatiale sous surveillance, p. 69
  14. a, b et c Comment se débarrasser des débris spatiaux émission Ciel & Espace radio du 27 septembre 2010.
  15. La pollution spatiale sous surveillance, p. 77
  16. « Debris spatiaux › Solutions », CNES (consulté le 30 avril 2016)
  17. Car deux lignes y sont consacrées à chaque débris détecté.
  18. [doc] (en) « USSTRATCOM Space Control and Space Surveillance », US Strategic Command,‎ (consulté en 2007-14-01)
  19. (en) MIT Lincoln Laboratory, « The Space-Based Visible Program »,‎ (consulté le 13 novembre 2006)
  20. (en) R. Aceti & G. Drolshagen, « Micrometeorids ans Space Debris - The Eureca Post-Flight Analysis »,‎ (consulté le 17 novembre 2006)
  21. Ludovic Fery, « Nouveau bouclier spatial pour les États-Unis », dans IT Industrie & Technologies, 28 février 2011, Nouveau bouclier spatial pour les États-Unis
  22. (en) « Space Debris », Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme,‎ (consulté le 27 novembre 2006)
  23. CORDIS (Communautés européennes), « Des chercheurs européens surveillent les débris dans l'espace », dans notre-planete.infos, 15 avril 2011, Des chercheurs européens surveillent les débris dans l'espace
  24. « DCPS - Conception et évaluation des performances des systèmes », ONERA (consulté le 30 avril 2016)
  25. « La Division Surveillance de l’Espace du Commandement de la Défense Aérienne et des Opérations Aériennes », Ministère de la Défense,‎ (consulté le 30 avril 2016)
  26. « http://www.defense.gouv.fr/actualites/communaute-defense/cosmos-arrive-officiellement-sur-la-ba-942 », Ministère de la Défense,‎ (consulté le 30 avril 2016)
  27. « Debris spatiaux › Introduction › Environnement › Moyens d'Observation › Moyens au Sol », CNES (consulté le 30 avril 2016)
  28. La pollution spatiale sous surveillance, p. 75
  29. « Debris spatiaux › Solutions › Protection », CNES (consulté le 1er mai 2016)
  30. (fr) CP CNES, « Introduction aux débris spatiaux », sur http://debris-spatiaux.cnes.fr/,‎ (consulté le 19 juillet 2009)
  31. (fr) CP CNES, « Risques des débris spatiaux », sur http://debris-spatiaux.cnes.fr/,‎ (consulté le 19 juillet 2009)
  32. La pollution spatiale sous surveillance, p. 28
  33. Bonnal C, Alby F, Les débris spatiaux, Pour la Science, juillet 2008, p. 82-89
  34. « Debris spatiaux › Solutions › Gestion Opérationnelle des Risques de Collision », CNES (consulté le 1er mai 2016)
  35. (en) CP CNES, « Pour un Espace propre : le CNES donne l'exemple avec la désorbitation de SPOT 1 », sur http://www.cnes.fr/,‎ (consulté le 13 novembre 2006)
  36. DEBRIS SPATIAUX
  37. CNES, « Un projet innovant contre la pollution orbitale », sur http://www.cnes.fr/,‎ (consulté le 17 novembre 2006)
  38. (en) Bill Christensen, « The Terminator Tether Aims to Clean Up Low Earth Orbit », sur http://www.space.com/,‎ (consulté le 13 novembre 2006)
  39. (en) Leonard David, « Havoc in the Heavens: Soviet-Era Satellite's Leaky Reactor's Lethal Legacy », space.com,‎ (consulté le 17 juin 2008)
  40. (en) A. Rossi, C. Pardini, L. Anselmo, A. Cordelli, P. Farinella, « Effect of the RORSAT NaK drops on the long term evolution of the space debris population », Consiglio nazionale delle ricerche,‎ (consulté le 17 juin 2008)
  41. "La banlieue terrestre polluée par les débris spatiaux", article d'Hervé Morin, Le Monde, 15 février 2009.
  42. (en) Brian Berger, « NASA's Terra Satellite Moved to Avoid Chinese ASAT Debris », space.com,‎ (consulté le 13 décembre 2007)
  43. (en) Ker Than, « Rocket Explodes Over Australia, Showers Space with Debris », space.com,‎ (consulté le 13 décembre 2007)
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  45. (en) Dr T.S. Kelso, « Recent Debris Events », CelesTrak,‎ (consulté le 13 décembre 2007)
  46. (en) Jeff Hecht, « Spate of rocket break-ups creates new space junk », New Scientist Space,‎ (consulté le 13 décembre 2007)
  47. « Un énorme nuage de débris dans l'espace », dans LeFigaro.fr, 25 octobre 2012, Un énorme nuage de débris dans l'espace
  48. (en) Carolyn Fry, « CO2 prolongs life of space junk », BBC,‎ (consulté le 13 décembre 2007)
  49. (en) « Space Junk Survivor », ABC News (consulté le 24 janvier 2008)
  50. Jean-Pierre Largillet, « Cannes : la question des "débris spatiaux" à la conférence de la 3AF », dans WebTimeMedias, 5 novembre 2010, Cannes : la question des « débris spatiaux » à la conférence de la 3AF

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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