Les débris spatiaux

    Malgré l'immensité de l'espace circumterrestre, des millions de déchets gravitent au-dessus de nos têtes. Ils encombrent l'espace depuis 1957 avec le lancement de Spoutnik. Aujourd'hui, les débris sont un problème grave pour l'orbite géostationnaire. Le NORAD et le CNES surveillent les déchets. Un hublot de la Navette en fut victime.

   Ils représentent un danger potentiel qu'il va être très difficile de combattre. La figure ci-dessous représente le résultat d'une simulation par ordinateur, des débris tournant autour de la Terre et recensés par le NORAD (North American Air Defence Command). On remarquera 2 orbites caractéristiques: orbite géostationnaire et l'orbite polaire entre 200 et 2000 km. Les risques y sont maximum. Sur les 17000 objets répertoriés depuis le début de l'ère spatiale, 5500 proviennent de satellites désintégrés. La désintégration des satellites en fin de vie fut une des principales causes de l'accroissement des débris dans l'espace. De 1981 à 1985, 32 satellites furent désintégrés, dont 17 volontairement.

Voir aussi les images d'autres études: http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/photogallery/beehives.html#leo

   Depuis le lancement par l'URSS de Spoutnik 1, le 4 octobre 1957, la banlieue de la Terre s'est remplie en 40 ans, de déchets spatiaux, constitués des débris des fusées ou autres satellites qui ont pris la route de l'espace depuis cette date. On y trouve aussi bien des satellites entiers que des fragments issus d'explosions volontaires ou accidentelles. Les explosions accidentelles sont causées par une défaillance, mais aussi par le restant des ergols résiduels, se trouvant dans les réservoirs des étages supérieurs. Soumis à des contraintes thermiques importantes (la mise en rotation sur eux-mêmes provoquant l' alternance jour/nuit), ils explosent. Les 7 désintégrations des seconds étages des lanceurs US, Delta, sont responsables d'un tiers des débris des satellites désintégrés. Elles sont dues à des erreurs de conception des réservoirs de combustibles, dans lesquels le restant de carburant formait un mélange explosif.

Ainsi ces débris vont des écailles de peintures jusqu'aux vieux satellites ou derniers étages de lanceurs, en passant par des morceaux de toutes tailles, qui sont des cordons détonants, des boulons explosifs, des batteries, des mécanismes de séparations, etc... Il y a même un tourne-vis égaré par un astronaute, lors d'une sortie dans l'espace. Et il y a sûrement des débris divers (plus de 750 répertoriés), occasionnés par des essais d'armes anti-satellites (Asat). Puis chaque débris en occasionne d'autres, lors de percussions entre eux. Il y a un accroissement de 100. Pour 1 g de débris, un impact en produit 100 g. La population des débris s'auto-alimente. Il se créerait ainsi plus de débris qu'il ne s'en éliminerait naturellement, par perte d'altitude. Un autre exemple est celui du ballon Pageos, lâché en 1966, qui continue à perdre le mylar de sa protection.

    La première désintégration détectée fut celle du dernier étage du lanceur de Transit-4A, moins de 2 heures après un lancement parfaitement réussi. Aucune cause ne fut trouvée. Une autre désintégration mystérieuse fut celle de Cosmos 1275, 7 semaines après son lancement. 242 fragments furent détectés, mais leur nombre est certainement très supérieur.

     Récemment furent détectés, sur une orbite de 1000 km, des milliers de débris de 1 à 2 cm, laissés par des satellites Russes chargés d'observations océaniques, Rorsat, qui furent lancés entre 1972 et 1988. Leurs radars étaient alimentés par des réacteurs nucléaires. En fin de vie, ils furent envoyés sur cette orbite et les débris seraient des billes de sodium et de potassium, issues des circuits de refroidissements.

     Aux Etats-Unis, le NORAD est  chargé de la surveillance de l'orbite de ces débris. Plus de 8500 objets, dépassant 10 cm, sont actuellement surveillés, dont 1200 sont situés à plus de 5000 km de la Terre. Sur ces 8500, 94% représentent des débris. De plus entre 50000 et 150000 sont de taille comprise entre 1 et 10 cm et ils sont des millions pour une taille inférieure. On compte 35 millions pour > 1 mm. Le NORAD dispose de radars et d'un réseau de 7 télescopes répartis sur l'ensemble des Etats-Unis. Ils permettent de suivre un objet d'un trentaine de centimètres sur l'orbite géostationnaire. En général, un objet de 2 cm est détecté à 1600 km. Ainsi début juin 2003, le NORAD a permis de manœuvrer l'ISS  pour éviter une collision avec le micro satellite italien Megsat-0.

   En France,  le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales)  est chargé de cette surveillance. Une petite équipe, dirigée par Fernand Alby, suit tous les débris catalogués par le NORAD, qui sont  susceptibles de croiser des satellites gérés par le CNES. Elle surveille leurs orbites et vérifie si elles croisent celles d'un objet non contrôlé. En cas de risque, les radars de la DGA (Délégation Générale de l'Armement) sont sollicités pour les confirmer, afin de modifier la trajectoire du satellite concerné.

    Le CNES effectue aussi des études dans le domaine optique, qui est la seule méthode d'étude des satellites en orbite géostationnaire. Cette étude se fait au travers d'une collaboration avec l'observatoire de la Côte d'Azur, doit voici un exemple de résultat.

    Les astronomes sont aussi concernés, car, chaque nuit,  pendant les pauses très longues, ils voient apparaître sur leurs photographies un ou plusieurs traits, dégradant sérieusement la photo.

  Quant aux satellites automatiques, un certain nombre ont déjà été détruits par un débris. Jusqu'à présent, la seule collision enregistrée remonte au 24 juillet 1996, lorsqu'un fragment du 3ième étage d'Ariane 4, qui avait  lancé Spot 1 en 1986, heurta le satellite militaire français, Cerise, à la vitesse de 14 km/s. Cerise avait était largué en même temps que le satellite Hélios 1A, le 7 juillet 1995. Sous le choc, son mât de stabilisation fut arraché. C'est un radar anglais qui a repéré la déstabilisation de Cerise. Plus tard le réseau de surveillance américain découvrira un nouvel objet. Depuis sur les cartes, il figure sous la dénomination: "mât Cerise". Il faut savoir, par exemple, qu'une bille d' aluminium de 1 mm à la vitesse de 10 km/s, à la même énergie cinétique qu'une balle de fusil. Au delà de 1 cm, rien ne résiste. Pour mieux faire comprendre, un objet de 3 mm à une énergie correspondante à un coffre-fort tombant d'une hauteur de 30 m.

  Les déchets deviennent un problème préoccupant. Ils sont la principale source d'accidents pour les engins spatiaux. Les astronautes risquent, eux aussi,  leur vie, car un débris peut percer leur scaphandre lorsqu'ils iront travailler dans l'espace ou bien les vitres de leur station. En juillet 1982, la station orbitale soviétique, Saliout 7, fut percutée par un débris dont la taille était très inférieure à 1 mm. Il laissa une trace de 4 mm sur une des fenêtres de la station. D'autre part, en 1991, la Navette Discovery fut obligée d'entreprendre une manœuvre d'évitement afin de s'éloigner d'un 3ième étage d'une fusée Russe. Il en fut de même en 1992, pour un débris de plus de 10 cm. Le 12 janvier 1996, la Navette Endeavour a dû dévier sa route précipitamment pour éviter un vieux satellite militaire américain. Heureusement, les consignes sont strictes et les navettes ne doivent pas passer à moins de 1 mille (1852 m) d'un objet. Une navette est revenue sur Terre avec un impact sur un hublot. Depuis, les navettes n'ont plus de verrière. Un blindage remplage les hublots. Ces manœuvres n'auraient pas été possibles sans le réseau de surveillance des USA, avec notamment, un super télescope à miroir de mercure liquide, installé à Cloudcroft (Nouveau-Mexique). Il est capable de distinguer des objets de 1 cm passant à sa verticale.  L'ESA (Agence Spatiale Européenne) va mettre en place aux Canaries, un nouveau télescope muni d'une caméra CCD de 4096 X 4096 pxl, dans le but de poursuivre les débris. Il aura une précision de 2 à 6 cm sur l'orbite basse et 10 à 30 cm pour l'orbite géostationnaire.

    Ce trou de 4 mm dans le pare-brise de la Navette Spatiale (image ci-contre) a été créé par un petit débris estimé à 0,2 mm qui se déplaçait entre 3 et 6 km/s.

  Les débris spatiaux se meuvent à des vitesses très élevées. A moins de 2 000 km d'altitude l'impact se fait à 10 km/s. A cette vitesse la moindre particule devient une balle de fusil qui  contient des quantités significatives d'énergie et de moments cinétiques. Par exemple, la NASA remplace fréquemment des hublots de la navette spatiale parce qu'ils sont sensiblement endommagés par des objets aussi petits qu'une écaille de peinture. Une bille en aluminium de 1,3 millimètres de diamètre possède un potentiel de destruction semblable à celui d'une balle de fusil de 22 long rifle. Une bille en aluminium de 1 centimètre de diamètre est comparable à un déplacement d'une masse de 500 g à 100 km/h et un morceau de 10 cm de long est comparable à 25 bâtons de dynamite.

 S'en débarasser  

     Mais comment se débarrasser des milliers de déchets (environ 100.000 soit environ 2.500 tonnes d'objets métalliques ) ?  7000 engins spatiaux tournent depuis 1957, au-dessus de nos têtes et  risquent d'endommager les engins spatiaux qui nous sont devenus indispensables. Cela va de fragments de peinture de fusées de la taille de têtes d'épingle à des satellites entiers, vieux ou hors d'usage. Lors du vol n°7 de la Navette, une écaille de peinture créa un cratère de 4 mm un hublot. L'on a apprit, lors de la première réunion européenne sur ce problème, à Darmstadt début avril 92, qu'au cours des 40 premiers vol de la Navette, les hublots avaient subi  40 impacts de micro-météorites d'origines artificielles. La question se pose avec d'autant plus de raison, que chaque jour de nouveaux engins décollent. Les risques de collision sont grandissants, si rien n'est fait.  Déjà des mesures sont prises en ce qui concerne les ergols restants. Les réservoirs seront vidangés et les vannes de pressurisation, ouvertes. Quant à accroître le blindage, il augmente la masse au décollage, oblige à modifier le lanceur ou bien à diminuer la charge utile en orbite, tout en augmentant les coûts.

     Les aspects scientifiques, techniques et juridiques sont à prendre en compte. Juridiquement des idées commencent à germer et il ressort que les débris spatiaux doivent être traités comme l'un des aspects de la protection de l'environnement spatial. Toutes les mesures concevables de prévention, réduction et enlèvement des débris doivent être prises en compte, avec toutefois une préférence pour les mesures préventives. Aujourd'hui, la forme à donner à de telles mesures est à l'étude et naturellement, les opinions divergent. Dans quelle législation les faire entrer ? Et comment définir la notion de débris et bien sûr, de responsabilités ? Que faire des débris de satellites possédant un générateur isotopique ? L'exemple  de Cosmos 954, qui s'est écrasé au Nord du Canada en janvier 1978, a provoqué beaucoup d'inquiétude. Selon le CNES, un satellite retombe sur Terre chaque semaine (en moyenne). Dix jours avant sa chute, on arrive à connaître le jour fatal. La veille de celui-ci, on connaît l'orbite sur laquelle se trouvera l'engin lors de son entrée dans l'atmosphère. Il restera au final une incertitude de 2 000 à 3 000 km sur le point de chute. Cette incertitude n'est pas due à une mauvaise modélisation des mécanismes de rentrée dans l'atmosphère, mais à une mauvaise connaissance de la position de l'engin (ou du débris) sur son orbite . A ce problème s'ajoute la faible connaissance de l'atmosphère entre 80 et 100 km d'altitude. Lorsqu'un satellite rentre dans l'atmosphère, il se consume en grande partie. Les morceaux qui atteignent le sol sont des parties très denses de l'engin ou des parties protégées par la structure de l'objet.

   Or, ce problème revient régulièrement tous les ans, au cours de discutions internationales au sein du Comité de coordination inter-agences pour les débris spatiaux (IADC). La principale difficulté vient du fait que la mise en application de règles communes peut être déterminante sur les coûts dans ce secteur qui se fragmente et où la concurrence est très exacerbée. Déjà, les USA ont dit qu'ils ne voulaient pas de régulations qui restreindraient leurs intérêts. L'accord global sera difficile à obtenir. En ne le respectant pas, un état pourra bénéficier d'un avantage certain, puisqu'il sera pénalisant pour les autres.

   Néanmoins des solutions sont envisagées. Par exemple, en ce qui concerne les satellites qui sont à 36000 km (450 sont actuellement dénombrés), sur l'orbite géostationnaire et en fin de carrière, une orbite cimetière pourrait être instaurée à 400 km au-dessus. En effet, la vitesse y est très faible et la durée de vie pratiquement infinie. Les risques de collisions y sont presque nuls, même ils sont presque sans risque. Cette mesure est déjà en application, pour certains. Mais le problème est de prévoir avec exactitude la fin de vie, afin qu'il reste juste assez de carburant pour la propulsion sur l'orbite de parking.  Les difficultés sont plus importantes pour les orbites inférieures à 2000 km.  Si on laisse la gravitation agir, il faut attendre quelques mois à 200 km, plusieurs siècles entre 400 et 900 km et des millions d'années sur l'orbite géostationnaire. La rentrée dans l'atmosphère, bien que possible, est coûteuse et complexe. Un satellite emporte en général 1,5 tonnes de carburant servant en grande partie pour la mise en orbite et le reste sert aux corrections d'attitude. Un freinage pour désorbiter, nécessite quelques 10% de la quantité emportée. On se trouve à la limite de la faisabilité économique.

    Et si on cherche une orbite cimetière, laquelle prendre ?  L'augmentation des constellations de satellites de télécommunications, placés à 700 km, ne fait que commencer. Un projet de Bill Gates prévoit 840 satellites. Le problème va devenir crucial.

    Pour ne pas sombrer dans le pessimisme, il faut aussi savoir que les estimations actuelles montrent que la station Alpha, en orbite basse, pourrait recevoir un impact de 1 cm tous les 200 ans. Ce n'est qu'une statistique....

Informations du NORAD

Current Catalog Status Summary

Définitions:

• Satellite - toute charge (opérationnelle ou non opérationnelle) mise en orbite autour de la Terre.

• ESV=Earth Space Vehicle - objets en orbite autour de la Terre.

• Sondes - Toute charge lancée en dehors de l'orbite terrestre.

• Débris - tout autre objet fait par l'homme, en orbite autour de la Terre.

• IC=International Consortium - Une association d'entreprises, de corporations, de gouvernements, etc... sans spécifications de pays d'origine.

Historical Catalog Status

Satellites Cataloged

Decayed Objects

Information provided as a service by Public Affairs, United States Space Command. Contents of this report reflect current information available at the time of request but are not necessarily the official tally endorsed by the United States Space Command. The United States Government, the Department of Defense, United States Space Command and its component commands and their employees will not be liable in any manner for any claim or loss attributed to reliance upon the accuracy of the data provided.

This Page Last Edited: 18 NOV 1999

à lire notamment: C&E no 326 - 299 - les docs de l'ESA et du CNES.

Débris spatiaux à la NASA:  http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/

L'ESA et les débris: http://www.esoc.esa.de/external/mso/debris.html

Le CNES s'est spécialisé dans les débris: http://www.cnes.fr/html/_115_248_257_.php

Le NORAD poursuit tous les objets autour de la Terre: http://celestrak.com/NORAD/elements/

 Agence internationale des débris spatiaux:   http://www.iadc-online.org/

Liste de liens sur les débris:  http://www.spaceref.com/directory/astronautics/space_debris/

Débris spatiaux, les bases: http://www.aero.org/cords/orbdebris.html