Résumé :
Avec le nombre croissant de satellites en orbite terrestre basse, les débris spatiaux deviennent un problème important menaçant la sécurité des engins spatiaux. Face à un environnement orbital de plus en plus encombré, les fabricants de satellites et les instituts de recherche développent de nouveaux capteurs d'impact, des blindages de protection plus légers et des structures de blindage utilisant de nouveaux matériaux et la technologie d'impression 3D, dans l'espoir de permettre aux satellites de maintenir leurs opérations normales autant que possible, même s'ils sont heurtés par des débris à grande vitesse.
Actuellement, les débris spatiaux en orbite terrestre basse peuvent se déplacer à une vitesse d'environ 7 kilomètres par seconde. À de telles vitesses, même un petit fragment peut endommager l’électronique du satellite, pénétrer dans des composants externes ou même directement provoquer la panne de l’ensemble du satellite. Les données de l’Agence spatiale européenne montrent que le nombre d’objets artificiels en orbite terrestre a plus que doublé depuis 2017, et le problème s’aggrave à mesure que des constellations de satellites commerciaux continuent d’être déployées.
Les débris spatiaux ne comprennent pas seulement les satellites abandonnés et les débris de fusées, mais comprennent également les fragments de métal, de plastique, de peinture et d'autres objets minuscules produits après des collisions. En raison de leur petite taille, de nombreux débris ne peuvent pas être directement suivis par les systèmes au sol, mais la puissance destructrice produite par un vol à grande vitesse ne peut être sous-estimée. L'Agence spatiale européenne estime actuellement qu'il y a des dizaines de milliers d'objets traçables en orbite, et le nombre réel de débris de plus d'un centimètre, suffisamment gros pour causer des dommages catastrophiques à un vaisseau spatial, pourrait dépasser 1,2 million.
En plus d'essayer de réduire la génération de nouveaux débris spatiaux, les fabricants de satellites ont également commencé à réfléchir à une autre question pratique : comment rendre les satellites plus susceptibles de « survivre » lorsque les collisions ne peuvent être évitées. Odin Space à Santa Ana, en Californie, aux États-Unis, a commencé à vendre une bande de détection collante installée à la surface d'un satellite. Il est équipé d'un capteur de vibrations à l'intérieur, qui peut enregistrer les vibrations générées lorsque le satellite est touché et aider les opérateurs à déterminer la taille approximative et la force d'impact de l'impact.
Cette technologie promet de résoudre un problème de longue date dans l'industrie des petits satellites. Une étude de 2021 a révélé qu’environ un petit satellite sur cinq cesse de fonctionner dans l’année suivant son lancement, et la cause d’environ 60 % de ces pannes n’est pas claire. Les impacts de débris sont une cause possible, mais les pannes de satellite ne laissent souvent pas suffisamment de preuves aux opérateurs pour déterminer ce qui s'est passé.
Si les satellites peuvent enregistrer le moment, l'intensité et les caractéristiques des impacts, les fabricants peuvent corréler ces données avec les pannes des satellites afin de mieux déterminer les menaces réelles dans différents environnements orbitaux. Ces données peuvent également être utilisées pour améliorer la conception structurelle des satellites à l’avenir, permettant ainsi aux ingénieurs de renforcer les types de débris et les directions d’impact les plus courants sans simplement augmenter le poids protecteur de l’ensemble du satellite.
À l'heure actuelle, l'aluminium reste l'un des matériaux de protection les plus courants pour les engins spatiaux. De nombreux satellites utilisent des panneaux en aluminium et des structures en nid d'abeille en aluminium pour renforcer le fuselage. Cette solution est plus légère et relativement mature en termes de fabrication, mais ses capacités de protection sont limitées face aux débris à grande vitesse.
Une solution plus éprouvée est le Whipple Shield. Cette structure ajoute une fine couche tampon externe à quelques centimètres devant la coque principale du satellite. Lorsque des débris à grande vitesse heurtent la structure externe, ils seront d'abord brisés et vaporisés, puis le nuage de débris formé frappera ensuite la couche de protection principale arrière, réduisant ainsi l'énergie d'impact qui est finalement transmise à l'intérieur du vaisseau spatial. Le bouclier Whipple s'est avéré très efficace, mais le problème est qu'il ajoute du poids et occupe un espace interne précieux, deux des paramètres les plus sensibles dans la conception des satellites.
Atomic-6, près d'Atlanta, aux États-Unis, développe une alternative appelée « Space Armor ». La société n'a pas divulgué les ingrédients spécifiques des briques de protection composites, mais chaque brique de protection a à peu près la taille d'une paume, environ 2,5 centimètres d'épaisseur et pèse à peu près autant qu'un iPhone.
Les tests d'Atomic-6 ont montré que le matériau peut arrêter des projectiles en aluminium de la taille d'un pois se déplaçant à 7,2 kilomètres par seconde. Le PDG de la société, Trevor Smith, a déclaré que contrairement aux structures de protection traditionnelles, ce matériau ne produit pas de grandes quantités de fragments à grande vitesse similaires à ceux formés après la rupture du bouclier métallique, mais peut vaporiser les fragments métalliques impactants et être absorbés par le matériau de protection.
Parallèlement, d'autres équipes de recherche tentent de réduire le poids des systèmes de protection grâce à une combinaison de différents matériaux. Par exemple, la fibre Kevlar a été utilisée dans des équipements pare-balles et a également été utilisée dans la structure de protection de la Station spatiale internationale. Les chercheurs expérimentent la combinaison du Kevlar avec le tissu céramique Nextel pour créer des couches de protection plus légères, en particulier pour les satellites plus petits et moins coûteux.
Des chercheurs de l'université de Padoue, en Italie, se sont tournés vers la technologie d'impression 3D. Ils utilisent de l'aluminium, du Kevlar et de la résine renforcée de fibres de carbone pour créer des structures de protection expérimentales. Le plus grand avantage de l’impression 3D est sa capacité à concevoir des structures de cavités complexes à l’intérieur des matériaux. Ces cavités permettent aux fragments à grande vitesse de subir de multiples fragmentations et consommations d'énergie pendant le processus de pénétration de la couche protectrice, obtenant ainsi un effet de protection par étapes similaire à celui du bouclier Whipple.
La NASA teste également une idée différente, utilisant de la mousse d'aluminium comme matériau de protection. Il y a un grand nombre de petits vides à l’intérieur de la mousse d’aluminium. Lors des tests, une couche protectrice en mousse d'aluminium d'un peu plus de 6 mm d'épaisseur a pu fournir une protection similaire à un bouclier Whipple traditionnel, qui pèse environ deux fois plus que la solution en mousse d'aluminium. Cela signifie que si la technologie pertinente évolue davantage, les fabricants de satellites pourraient être en mesure d’améliorer les capacités de protection sans augmenter considérablement le poids du lancement.
Cependant, il n’existe pas de « blindage universel » applicable à tous les satellites. L’environnement des débris sur différentes orbites n’est pas le même et la composition, la taille et la vitesse des débris peuvent varier. Les ingénieurs doivent décider quels matériaux et structures utiliser en fonction de l'environnement orbital spécifique dans lequel se trouve le satellite.
Rannveig Marie Faergestad, conceptrice de protection chez Thales Alenia Space, a déclaré que si des données plus précises sur l'environnement des débris orbitaux pouvaient être obtenues, les ingénieurs pourraient sélectionner les matériaux et concevoir des structures de protection de manière plus ciblée. En d’autres termes, le développement de la future protection des satellites ne reposera pas seulement sur des matériaux plus résistants, mais également sur une compréhension plus précise de l’environnement orbital.
C'est également là que les capteurs d'impact peuvent jouer un rôle important. Dans le passé, les fabricants de satellites s'appuyaient principalement sur des modèles théoriques pour prédire les éventuelles menaces de débris, tandis que les capteurs installés sur les satellites pouvaient fournir des données d'impact réelles. En collectant ces données au fil du temps, les opérateurs peuvent mieux comprendre les types de débris et les risques d'impact auxquels les satellites sont réellement confrontés, et optimiser davantage la conception de la protection des satellites de nouvelle génération.
Alors que de grandes constellations de satellites continuent d'entrer en orbite terrestre basse, l'environnement spatial passe d'un espace opérationnel relativement lâche à une infrastructure de plus en plus encombrée. L'Agence spatiale européenne prévient que même si elle arrête de lancer de nouveaux engins spatiaux à l'avenir, les débris existants pourraient continuer à augmenter en raison des collisions et de la désintégration. Par conséquent, réduire la génération de nouveaux débris, améliorer la résistance aux impacts des satellites et nettoyer de manière proactive les débris spatiaux existants deviendront des mesures clés pour maintenir la disponibilité à long terme de l’orbite terrestre basse.
Pour les fabricants de satellites, la concurrence du futur ne consiste pas seulement à rendre les satellites plus légers, moins chers et plus faciles à lancer, mais aussi à savoir comment les faire survivre plus longtemps dans un environnement orbital de plus en plus dangereux. Des technologies telles que les capteurs, les nouveaux matériaux composites, la mousse d'aluminium et les structures imprimées en 3D permettent progressivement aux satellites de passer du simple fait d'« éviter » les débris spatiaux à des capacités de détection active et de protection passive plus fortes.
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