Dernière étape avant l’amarrage de l’ATV-5 : Lemaître sur la bonne orbite…

L’ATV-5 George Lemaître photographié le 8 août 2014 depuis la Station Spatiale Internationale
pendant les manœuvres dites « fly-under », à une altitude légèrement inférieure (7 km)
à celle de l’ISS. Crédit image : ESA

En plein dans le mille…

Le 12 août, malgré le pic d’étoiles filantes des Perséides, ce n’étaient pas seulement les météores qui intéressaient les passionnés d’espace.

Mardi 12 août 2014 : c’était le jour J pour le cinquième et dernier ATV (Automatic Transfer Vehicle) de l’ESA, baptisé George Lemaître : à 13h30 UTC, exactement à l’heure prévue, l’ATV-5 s’est parfaitement amarré à la station spatiale internationale (ISS).

Le bon déroulement des opérations peut donner une impression de « routine » ou de simplicité apparente (on dirait que rien ne bouge…)

Détrompez-vous : ce rendez-vous, l’amarrage, ou « docking », est une des étapes les plus critiques de la mission de l’ATV, avec, par exemple, près de 150 de personnes sur le pont dans la salle de contrôle de l’ATV (ATV-CC), installée au CNES à Toulouse.

Une image du centre de contrôle ATV-CC au CNES Toulouse prise quelques minutes avant l’amarrage
réussi l’ATV George Lemaître. L’ISS n’est plus qu’à 11 mètres. Rien ne semble bouger, à 28000 km/h…
Crédit image : Gédéon

A 410 km au-dessus de nos têtes, de très belles photographies ont également été prises par l’équipage de l’ISS. Voici un exemple de photographie que l’Astronaute Reid Wiseman a posté le 12 août sur son compte twitter (#astro_reid).

George Lemaître au rendez-vous avec l’ISS.

Photographie prise le 12 août 2014 par l’astronaute Reid Wiseman.

Une photo très spectaculaire de l’amarrage de l’ATV-3 prise par l’astronaute américain Don Pettit en mars 2012 avait déjà servi pour un quiz du blog Un autre regard sur la Terre.

Rencontre du cinquième type pour Zvezda : un rendez-vous avec George, ça se prépare...

Pour permettre cette nouvelle réussite, plusieurs autres « étapes » ont été nécessaires depuis le lancement de l’ATV-5 Georges par une fusée Ariane en juillet 2014 pour préparer ce docking automatique à l’ISS. L’objectif : amener progressivement le cargo européen sur la même orbite que celle de la station spatiale internationale.

Par rapport à la mise à poste « classique » d’un satellite, en orbite basse ou en orbite géostationnaire, la difficulté des manœuvres de rendez-vous de l’ATV vient du fait que la destination visée est elle-même un vaisseau spatial qui se déplace à environ 28000 km/h sur sa propre orbite. On parle ainsi de manœuvre de « phasage ». Le fait que ce vaisseau spatial soit habité a amené à définir une procédure très particulière, destinée à assurer à tout moment la sécurité de l’équipage de l’ISS. Je vous renvoie à un article sur l’ATV-2 pour des explications plus détaillées sur cette procédure. Si nécessaire, l’ATV peut se mettre sur une des quatre orbites de « parking » à 1000 ou 2000 km devant ou derrière l’ISS. En cas de problème amenant l’équipage de l’ISS à interrompre la phase ultime du rendez-vous, l’ATV se place sur une orbite d’attente avant une nouvelle tentative de docking effectuée deux jours plus tard.

Changement d’altitude, changement de vitesse pour l’ATV

Pour la mission VA-216, la fusée Ariane 5 ES a mis l’ATV George Lemaître sur une orbite à une altitude de 270 km et une inclinaison de 51°, avec une très bonne précision par rapport au cahier des charges.

51°, c’est l’inclinaison de l’orbite de la station spatiale internationale, mesurée par rapport au plan de l’équateur. Un autre article sur l’ISS explique comme la diplomatie a influencé ce choix étonnant.

Par contre, l’altitude à laquelle Ariane 5 a injecté l’ATV-5 en orbite, à 270 km, est inférieure à celle de l’ISS, à une altitude d’environ 410 km, au moment du rendez-vous du 12 août. Après les vérifications de bon fonctionnement de l’ATV-5, toute une série de manœuvres de changement d’orbite de l’ATV ont été effectuées.

Séquence de manœuvres pour le rendez-vous et pour la phase « fly under » de
l’ATV-5 George Lemaître. Crédit image : ESA

Pour cette dernière mission, il y avait une nouveauté : dans la nuit de vendredi à samedi, une manœuvre de « fly-under », c’est-à-dire un passage sous la station spatiale, destiné à tester de nouveau capteurs. C’est l’expérience LIRIS (Laser InfraRed Imaging Sensor) avec 3 caméras qu’on voit très bien à l’avant de l’ATV-5 et qui n’existaient pas sur les versions précédentes. L’ATV ne disposant pas d’une capacité de transmission suffisante, les images sont enregistrées à bord : il faudra attendre le retour d’un Soyouz pour les voir…

A gauche, les trois optiques des caméras de l’expérience LIRIS bien visibles à l’avant de l’ATV-5
George Lemaître près du logo ESA. A droite, à titre de comparaison, une photographie de l’ATV-4
juste avant le docking. Crédit image : ESA

Le b.a.-ba des manœuvres orbitales

Ce dernier rendez-vous d’un ATV est donc l’occasion de parler un peu des manœuvres orbitales de manière générale.

Une planète, un satellite ou une sonde spatiale en orbite n’est soumis qu’à la force gravitationnelle de l’objet, étoile ou planète, autour duquel il tourne. Aucun système de propulsion n’est nécessaire pour assurer ce mouvement : c’est tout simplement une chute libre, avec une vitesse initiale qui détermine la trajectoire.

Néanmoins, pendant la phase de mise en orbite, au cours des opérations normales ou en fin de vie, il est souvent nécessaire d’effectuer des changements d’orbite ou de compenser les différentes perturbations qui peuvent affecter l’orbite nominale. Par exemple, l’ISS ne peut rester longtemps sur son orbite à 400 km à cause du frottement atmosphérique résiduel. C’est d’ailleurs une des fonctions de l’ATV de procéder à des opérations de « reboost » pour remonter son altitude. Le premier reboost effectué par George Lemaître est prévu fin août.

Qu’il s’agisse de satellite d’observation de la terre héliosynchrone, de mise à poste d’un satellite de télécommunication sur l’orbite géostationnaire, de manœuvres des sondes Rosetta ou Gaia, ou enfin de désorbitation ou de transfert sur une orbite « cimetière », les manœuvres orbitales et les changements d’orbite sont au cœur des opérations spatiales et reposent sur quelques principes simples. Là aussi, le diable est dans les détails.

Je vais essayer de présenter quelques bases. Le défi : ni formule, ni équation… Ou alors une toute petite pour conclure!

De Kepler à Tsiolkovski : changer la vitesse pour changer d’orbite

Delta V… C’est certainement une des expressions les plus utilisées par les spécialistes de mécanique spatiale, « flight dynamics » en anglais. Cela résume bien le mécanisme de base des manœuvres orbitales : changer la vitesse d’un vaisseau spatial pour changer son orbite.

Pourquoi ? Un petit rappel des lois de Kepler ne fera pas de mal.

Les lois de Kepler, ça ne peut que plaire...

Johannes Kepler, c’est le nom de baptême du deuxième cargo automatique ATV lancé en 2011. C’est surtout un grand savant qui a formalisé le mouvement des planètes autour du soleil. Les lois qu’il a formulées ont une portée très générale : elles s’appliquent au mouvement de tout objet subissant l’attraction gravitationnelle d’un autre corps. Je les présente ici dans le cas de satellites en orbite autour de la Terre.

Il y a trois lois de Kepler :

Première loi : les satellites parcourent des trajectoires elliptiques dont la Terre occupe un des foyers. Pour la plupart des satellites, on choisit des orbites quasiment circulaires mais ce n’est pas systématique.
Deuxième loi (loi des aires) : la vitesse d’un satellite devient donc plus grande lorsque le satellite se rapproche de la Terre. Elle est maximale au périgée et minimale à l’apogée. Les aires balayées pendant une période donnée par le segment reliant le satellite à la Terre sont constantes. Cette propriété est utilisée par certains satellites de télécommunications ou de surveillance (alerte) sur des orbites très elliptiques pour rester longtemps au-dessus d’une même région du globe.
Troisième loi (loi des périodes) : elle indique la relation entre la période de révolution et le demi-grand axe de l’ellipse parcourue par le satellite. Le carré de la période T est proportionnel au cube du demi-grand axe.

C’est donc en appliquant des variations de vitesse en certains points particuliers de l’orbite que sont modifiées les caractéristiques de l’orbite au cours des principales manœuvres spatiales.

Accélérer pour ralentir

Par exemple : augmenter la vitesse à l’apogée d’une orbite elliptique va… augmenter l’altitude du périgée et contribuer à circulariser l’orbite. C’est par exemple ce qui est fait pour mettre un satellite géostationnaire sur son orbite définitive après le lancement : Ariane 5 l’injecte sur une orbite très elliptique (dite GTO pour orbite de transfert géostationnaire). Plusieurs impulsions du moteur d’apogée du satellite vont progressivement circulariser l’orbite.

J’ai déjà évoqué dans d’autres articles les manœuvres de transfert de Hohman qui permettent de passer d’une orbite circulaire à une autre orbite circulaire, avec deux impulsions successives.

Orbites circulaires et orbites elliptiques. Illustration des manœuvres orbitales
créée par Jean-Pierre Penot et Bernard Nicolas pour le CNES.

Les changements d’altitude de l’ATV sont réalisés avec des variantes de ses manœuvres élémentaires. Les pages du site Internet de l’ESA ou le blog de l’ATV vous donneront tous les détails sur la série de manœuvres effectuées par George Lemaître depuis son lancement.

En voici quelques exemples extraits du blog ATV de l’ESA (date et heure, nom de la manœuvre, variation de vitesse recherchée, durée) :

Lundi 11/08/2014 20:34 UTC, TB-3, 2,87 m/s
Lundi 11/08/2014 19:44 UTC, TB-2, 8.48 m/s
Lundi 11/08/2014 18:56 UTC, TB-1, 3.70 m/s
Dimanche 10/08/2014 04:50 UTC, TA-3 1, 3.78 m/s (durée 177 s)
Dimanche 10/08/2014 04:05 UTC, TA-2, 5.197 m/s (durée 99 s)
Dimanche 10/08/2014 03:19 UTC, TA-1, 3.3 m/s (durée 62 s)
Vendredi 08/08/2014 14:58 UTC, 2.54 m/s
Vendredi 08/08/2014 14:16 UTC, 2.63 m/s
Jeudi 07/08/2014 14:40 UTC, TV3-2
Jeudi 07/08/2014 14:17 UTC, TV3-1
Jeudi 07/08/2014, TV2-2, 6.69 m/s
Jeudi 07/08/2014, TV2-1, 6.7 m/s
Mardi 05/08/2014 15:20, 2ème jeu de manœuvre Mid-course burns, 1.44 m/s (186 s)
Mardi 05/08/2014 12:35, 2ème jeu de manœuvre Mid-course burns, 1.44 m/s (187 s)
Samedi 02/08/2014 12:20, 1er jeu de manœuvre 1.75 m/s (33 s)
Samedi 02/08/2014 11:42, 1er jeu de manœuvre Mid-course burns, 1.77 m/s (34 s)

Comment sont réalisés ces changements de vitesse ?

Ici, Isaac Newton prend la suite de Kepler avec sa seconde loi et le principe fondamental de la dynamique : changer la vitesse, c’est accélérer ou freiner. Cela veut dire appliquer une force à un objet. C’est vrai pour un changement de la valeur de la vitesse (+11 m/s par exemple) ou un changement de la direction (une inclinaison de +5° par exemple).

Sachez que les changements d’inclinaison du plan orbital sont des manœuvres très coûteuses en carburant : même si la valeur absolue de la vitesse ne change pas, le delta V lié au changement d’orientation du vecteur-vitesse devient vite élevé.

Sur un satellite, le moyen d’appliquer une force c’est d’abord le système de propulsion et les moteurs fusées du satellite pour le contrôle d’orbite ou le contrôle d’attitude.

Pour information, l’ATV est équipé de 32 moteurs fusées ! 4 moteurs principaux (poussée de 490 N) et 28 moteurs (poussée de 220 N) de contrôle d’attitude.

Les valeurs delta V sont utilisées pour calculer la quantité de propergol qui est nécessaire pour accomplir une manœuvre orbitale ou un changement de trajectoire. Cette quantité qui va évidemment avoir un impact sur la masse initiale totale du satellite ou de la fusée à lancer et dépend de l’efficacité du système de propulsion et notamment du propergol utilisé.

Le logarithme népérien pour attendre…

Comme promis, voici la seule formule de cet article. Elle est connue sous le nom d’équation de Tsiolkovski et donne la relation entre la variation de vitesse en valeur absolue et la différence de masse du vaisseau spatiale entre le début et la fin de la propulsion :

Deux expressions de Delta V (changement de valeur ou d'orientation de la vitesse) et
Deux écritures de l’équation de Tsiokovski qui donne la masse de propergol nécessaire pour
atteindre un delta V donnée pour un vaisseau spatial d’une masse donnée.
Et un mystère pour la rentrée des classes : comment les craies tiennent-elles sur le tableau ?
Crédit image : Planète Sciences Midi-Pyrénées

Être très impulsif : une bonne qualité…pour un moteur de fusée

Dans la formule de droite, on voit apparaître une caractéristique importante de l’efficacité d’un système de propulsion : l’impulsion spécifique, notée souvent Isp et exprimée en secondes.

Une efficacité exprimée en secondes ? Bizarre…

En fait, cela paraît plus logique si on considère que c’est la durée pendant laquelle un kilogramme de propergol produit une poussée capable de soulever sa propre masse sur Terre au niveau du sol (d’où le paramètre g₀ = 9,81 m/s² dans la formule du Delta V).

De manière équivalente, l'impulsion spécifique peut être aussi représentée par le quotient de la poussée d'un moteur à réaction par le « débit-poids » (débit massique multiplié par l’accélération de la pesanteur) du propergol consommé.

L’aspirine vous tente ?

Pour être pragmatique...

Plus l’impulsion spécifique est grande, plus le système de propulsion est efficace (selon le critère de la consommation d’ergols utilisés pour atteindre un delta V donné).

Par contre, impulsion spécifique élevée ne veut pas forcément dire poussée élevée…

Voici quelques exemples :

Les moteurs à poudre des fusées expérimentales lancées par les clubs de Planète Sciences pendant le C’Space fournissent des Isp de l’ordre de 200 à 240 secondes.
Les EAP, les boosters à poudre d’Ariane 5 ont une impulsion spécifique de 275 secondes.
Le couple N₂O₄ (peroxyde d’azote) et UDMH (diméthylhydrazine dissymétrique) atteint 305 secondes.
Le mélange LOX – kérosène est un peu meilleur avec 320 secondes
Le mélange hydrogène liquide – oxygène liquide (LH2 – LOX) utilisé sur Ariane 5 a une Isp de 435 secondes.
La propulsion électrique, qu’on voit se développer actuellement comme solution possible pour les moteurs d’apogée des satellites de télécommunication (EOR pour Electric Orbit Raising) atteint des impulsions spécifiques très élevées (1500 à 2000 secondes). Par contre, les poussées obtenues à ce jour restent très faibles comparées à la propulsion chimique : la phase de mise à poste peut prendre plusieurs mois…
Dans le cas de l’ATV, les quatre moteurs principaux ont une impulsion spécifique nominale de 310 secondes. Les 28 propulseurs de contrôle d’attitude ont une Isp de 285 secondes.

Les nouveautés au CNES pour le suivi de l’amarrage (docking) de l’ATV-5 en direct :

Pour la première fois, le CNES proposait de suivre l’amarrage du vaisseau cargo ATV-5en diffusion multi-caméras en HD. Le player Youtube, avec 5 choix, accessible ici, donne accès à l'émission réalisée en direct et en français depuis le centre de contrôle de l’ATV à Toulouse (ATV-CC).

En savoir plus :

Sur le blog Un autre regard sur la Terre :
- Un article sur le lancement de l’ATV-5 par la fusée Ariane 5.
- Les opérations d’amarrage (docking) des autres ATV : ATV-2, ATV-3 et ATV-4.
Sur Google+, une série de photographies des opérations de rendez-vous de l'ATV-5 vues en temps réel depuis le centre de contrôle ATV (ATV-CC) au centre spatial de Toulouse (CNES).
Sur le site du CNES, des informations sur la mission ATV et sur le dispositif mis en place pour la vidéotransmission de l’amarrage.
Sur le site de l'ESA, les pages sur l'ATV et le blog de l'ATV.