L'agence spatiale européenne et l'indépendance de l'Europe/Les technologies spatiales et leurs applications

Se demander pourquoi il est si important d'aller dans l'espace revient tout simplement à se demander quelles sont les applications concrètes des satellites. Plus de 5 000 orbitent silencieusement au-dessus de nos têtes, entre 300 et 36 000 kilomètres d'altitude, pour nous rendre différents services.

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	Les technologies spatiales et leurs applications Historique des vols spatiaux Ariane 5, l'accès européen à l'espace Galileo, système de navigation Les vols habités Pour aller plus loin
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Principes physiques

Pour comprendre pourquoi les satellites tournent, nous allons imaginer que nous construisons une tour de 300 kilomètres de hauteur. En haut de cette tour, nous installons un canon. Nous tirons un premier boulet, avec une certaine quantité de poudre (cas A). Le boulet va décrire une trajectoire courbe, et retomber sur Terre sous l'effet de la gravité. Tirons un nouveau boulet, en mettant plus de poudre. Le boulet va partir avec plus de vitesse, il va aller plus loin, et retomber au sol (cas B). Nous essayons une nouvelle fois, avec une importante quantité de poudre. Le boulet va aller encore plus vite, il va à nouveau décrire une trajectoire courbe mais le sol va se dérober sous lui : la Terre est ronde ! Il va donc tomber indéfiniment autour de la Terre : il est sur orbite (cas C).

Les satellites sont mis sur leur orbite par un lanceur. Le lanceur est tiré à la verticale, puis basculé à l'horizontale pour donner de la vitesse au satellite. N'est-ce pas exactement la même chose que notre histoire du canon sur sa tour de 300 km ?

Le mouvement d'un satellite sur orbite est régi par les 3 lois de Kepler. De savantes formules montrerons que la vitesse à laquelle le satellite doit être mis sur orbite dépend de la masse de l'astre autour duquel il doit tourner et de l'altitude de l'orbite. Sur Terre, pour une orbite basse à 200 kilomètres, la vitesse sera de 7,78 kilomètres/seconde. Elle est de 3,074 km/s pour une orbite géostationnaire, à près de 36 000 kilomètres...

Comment mettre un satellite sur orbite ?

Le lanceur, dont nous avons parlé plus haut, est un véhicule capable de transporter une charge dans l'espace, en se propulsant à l'aide de puissants moteurs. Ces moteurs, pouvant utiliser des combustibles liquides ou solides, appelés propergols, fournissent une poussée. Les propergols sont brûlés, puis les gaz produits expulsés à grande vitesse. Le comburant est embarqué dans la fusée, le plus souvent sous forme d'oxygène liquide (sinon, comment faire fonctionner les moteurs dans le vide spatial ?). Les fusées sont constituées de plusieurs étages, chacun équipé de réservoirs et de moteurs. Au moment du décollage, le premier étage (celui qui est tout en dessous) est allumé. Quand ses réserves sont vides, il est largué ; le second étage prend le relais, et cætera, ce afin de diminuer au maximum la masse propulsée : il est inutile de transporter des réservoirs vides !

Aspects financiers

Le prix moyen d'un satellite artificiel — lancement compris — est de plusieurs centaines de millions d'euros. Il va de soit qu'après le lancement, le satellite ne se retrouve pas « livré à lui-même » sur son orbite ; il est en effet incapable d'effectuer seul certaines opérations et peut être victime de problèmes (techniques ou informatiques) qui pourraient l'endommager gravement. Ainsi, 24h/24, 7j/7, quelques personnes veillent sur l'état de chaque satellite. Ils programment par exemple les séquences d'opérations à effectuer. Pour communiquer avec ses satellites, l'ESA utilise 12 antennes paraboliques réparties de partout sur la planète. Le centre de contrôle européen est l'ESOC, situé à Darmstadt, en Allemagne.

Salle de contrôle principale de l'ESOC.

Quelles applications ?

On distingue trois aspects de l'utilisation des satellites :

les applications scientifiques: l'orbite terrestre est un lieu privilégié pour les satellites scientifiques. On trouve par exemple le célèbre Hubble, lancé en 1990 par une navette spatiale, qui orbite à 600 km d'altitude. Il permet d'étudier des astres lointains. Des satellites scientifiques étudient la Terre. Par exemple, la mission SMOS de l'agence spatiale européenne doit « mesurer l’humidité superficielle des terres émergées et la salinité de la surface des océans ». D'autres missions partent en direction d'autres planètes, comme Mars (mission Mars Odyssey de la NASA), ou vers des astéroïdes, comme Rosetta, lancée en 2004, qui doit observer en 2014 une comète, et y déposer un atterrisseur.

Le télescope spatial Hubble.

les applications militaires: dès 1959, en pleine guerre froide, les États-Unis ont développé des satellites militaires pour observer l'URSS. Ces satellites « espions » permettaient d'observer les mouvements de troupes des ennemis. Aujourd'hui, des satellites comme Hélios (Europe) sont utilisés pour localiser des installations stratégiques comme des bases militaires, des champs de bataille, des déplacements de troupes, etc... Les satellites de navigation (GPS, et prochainement Galiléo en Europe) permettent de guider un missile. Leur usage peut aujourd'hui être décisif pour l'issue d'une guerre !
les applications économiques et commerciales: grâce aux photographies haute résolution, les météorologues peuvent prévoir le temps qu'il fera (en Europe, les satellites Météosat sont utilisés à cette fin). Prévoir tempêtes et cyclones est un avantage incontestable pour les États ! Les satellites Spot photographient la Terre sous toutes ses coutures : les agriculteurs peuvent observer leurs récoltes, il est possible d'évaluer les dégâts causés par une catastrophe naturelle. Pour les particuliers, le CNES, en partenariat avec l'IGN (Institut Géographique National) a fourni des images qui permettent, depuis le site géoportail, d'observer la Terre depuis son ordinateur. De plus, les satellites de télécommunication permettent non seulement de relayer des télécommunications à l'autre bout du monde, mais également de transmettre des données, comme Internet ou des programmes télévisés, que les utilisateurs reçoivent avec une petite parabole d'une soixantaine de centimètres. Pour finir, les satellites de navigation permettent de connaître son emplacement exact sur la surface terrestre à n'importe quel instant, avec une précision de quelques mètres. Aujourd'hui, seul un système fiable existe, le GPS américain. Les Russes sont en retard, avec GLONASS. D'ici 2013, l'Europe se dotera de Galileo. D'un point de vue stratégique, les satellites de navigation permettent de guider une armée ou de lancer précisément un missile.

Les satellites sont constitués de deux parties :

la charge utile, qui regroupe les instruments nécessaires à la mission ;
la plate-forme, qui regroupe les moyens techniques nécessaires au support de la mission (contrôle thermique, propulsion, panneaux solaires, etc).

La masse des différents satellites a longtemps été limitée par les capacités des lanceurs. Aujourd'hui, on trouve de petits satellites de quelques tonnes, mais aussi de gros satellites de 10 tonnes.

La durée de vie nominale d'un satellite s'échelonne entre 5 et 15 ans. Les satellites de télécommunications sont généralement conçus pour fonctionner 15 ans, les satellites d'observation ont une durée de vie nominale de 5 ans. Les pannes peuvent êtres à l'origine de l'arrêt du fonctionnement d'un satellite. Entre 1990 et 1965, pour les seuls satellites en orbite géostationnaire, 13 ont connu une panne complète et 355 des pannes partielles. Ces pannes touchent dans 39 % des cas la charge utile, 20 % le système de contrôle de l'orientation et de l'orbite, 9,6 % la propulsion, 9,3 % l'alimentation électrique et 9,2 % des composants mécaniques.