Gérer et réduire le risque de collision dans l’espace

Le ciel est encom­bré de débris de toute taille. Pour les orbites très bass­es la dés­in­té­gra­tion par ren­trée dans l’at­mo­sphère se pro­duit rapi­de­ment. Ce n’est plus le cas à 1 200 km, à une alti­tude où l’on veut lancer des mil­liers de satel­lite en con­stel­la­tion. Pour le moment, ces débris sont suiv­is par radar et cat­a­logués. Des mod­éli­sa­tions sont en cours pour descen­dre la lim­ite de suivi de 10 à 1 cm. Ultérieure­ment, on envis­age de dévelop­per un “chas­seur” pour col­lecter ces débris. 

Autre­fois notre dernier hori­zon, l’atmosphère ter­restre n’est plus qu’une mince couche de gaz qui nous pro­tège d’un envi­ron­nement hos­tile où les vari­a­tions ther­miques et les radi­a­tions ren­dent la vie presque impossible. 

La con­science écologique mod­erne est née avec les pre­mières images qui, depuis les satel­lites de la guerre froide, ont mon­tré le frêle équili­bre de notre monde. Micromé­gas est passé du fan­tasme aux écrans de télévision. 

Soix­ante ans plus tard, l’orbite ter­restre fait par­tie de notre économie en ren­dant acces­si­bles un grand nom­bre de ser­vices en télé­com­mu­ni­ca­tions, car­togra­phie, météorolo­gie et surveillance. 

L’industrie spa­tiale génère aujourd’hui env­i­ron 300 mil­liards d’euros de chiffre d’affaires à l’échelle mon­di­ale avec une forte crois­sance soutenue par le secteur privé et les enjeux liés à la sécu­rité. Cette indus­trie a gag­né en matu­rité fia­bil­ité qui se rap­prochent de ceux des tech­nolo­gies terrestres. 

Plus d’un million de débris en orbite

Au cours du développe­ment de l’ère spa­tiale, l’homme a lais­sé dans l’espace des cen­taines d’objets intacts (derniers étages de lanceurs, satel­lites en fin de vie, pièces annex­es) dont cer­tains ont explosé ou causé des col­li­sions, et qui représen­tent tou­jours un dan­ger pour l’exploitation de l’orbite terrestre. 

“Le lancement de près de 15 000 satellites en orbite basse est prévu pour les dix prochaines années”

Aux orbites les plus bass­es, la traînée de l’atmosphère résidu­elle dis­sipe l’énergie ciné­tique des objets en orbite sur une échelle de temps de quelques mois ou années, ce qui entraîne une diminu­tion du demi-grand axe de la tra­jec­toire ellip­tique, jusqu’à ce que l’échauffement ther­mique dégrade les matéri­aux. Sauf excep­tion, comme pour des matéri­aux par­ti­c­ulière­ment dens­es et résis­tants (réser­voirs de vais­seaux spa­ti­aux en titane) ou pour des objets très mas­sifs (faible rap­port sur­face sur vol­ume), les objets sont inté­grale­ment brûlés dans l’atmosphère avant de touch­er le sol terrestre. 

Cepen­dant, au-delà de 400 km, la den­sité de l’atmosphère devient si faible que les effets de la traînée ne se font sen­tir que sur l’échelle du siè­cle. Ain­si, on estime à près d’un mil­lion le nom­bre d’objets de plus de 1 cm et on recense plus de 17 000 objets de plus de 10 cm. 

Des objets catalogués et suivis

Ces objets sont détec­tés et suiv­is par des radars ter­restres sou­vent pro­priété des armées nationales, à l’instar du réseau de sur­veil­lance de l’espace (Space Sur­veil­lance Net­work, SSN) aux États-Unis ou du radar Graves en France. 

La fig­ure 1 mon­tre la dis­tri­b­u­tion des objets cat­a­logués par l’US Air Force en alti­tude et en incli­nai­son du plan d’orbite. On y dis­tingue les orbites hélio­syn­chrones, autour de 800 km et avec des incli­naisons proches de 95°. Ces orbites, par­ti­c­ulière­ment utiles pour l’observation de la Terre, présen­tent de loin la plus forte den­sité de débris, avec près de 10^-7 objets de plus de 10 cm par km³. 

L’orbite géo­sta­tion­naire, qui sert de relais notam­ment pour les télé­com­mu­ni­ca­tions et la télévi­sion, est égale­ment encom­brée. His­torique­ment, une grande part des béné­fices de l’activité spa­tiale est réal­isée par les opéra­teurs de satel­lites de télé­com­mu­ni­ca­tions en orbite géostationnaire. 

Le prix des ban­des pas­santes a forte­ment chuté en 2016 et 2017 pour ce type de ser­vices et on prédit aujourd’hui que la cou­ver­ture inter­net par des méga­con­stel­la­tions en orbite basse devien­dra un enjeu économique majeur qui pour­rait boule­vers­er le statu quo. 

La menace des mégaconstellations de satellites

La trace de l’Homme dans l’espace. Den­sité d’objets référencés en fonc­tion de l’altitude et de l’inclinaison du plan d’orbite.

Boe­ing a annon­cé la mise en orbite de 2 956 satel­lites à 1 200 km, tout comme le con­sor­tium Air­bus OneWeb qui a déjà com­mencé à Toulouse la fab­ri­ca­tion en série des 1 000 satel­lites égale­ment des­tinés à rejoin­dre des orbites à 1 200 km. 

SpaceX a rejoint la course en 2015 avec sa con­stel­la­tion Star­link de plus de 4 425 satel­lites sur des orbites entre 1 100 et 1 325 km. Au total, le lance­ment de près de 15 000 satel­lites en orbite basse est prévu pour les dix prochaines années. 

Même si cer­taines de ces annonces res­teront let­tre morte, cela représente un enjeu sans précé­dent pour l’ensemble de l’industrie spa­tiale. Le secteur des télé­com­mu­ni­ca­tions inter­net est forte­ment com­péti­tif, notam­ment avec la con­cur­rence de tech­nolo­gies ter­restres telles que la fibre optique, et tous les coûts de développe­ment, qual­i­fi­ca­tion, pro­duc­tion et exploita­tion doivent être tirés vers le bas. 

Des orbites plus basses donc plus risquées

Afin de lim­iter la puis­sance du satel­lite (et donc son coût) et la latence lors de la com­mu­ni­ca­tion, les opéra­teurs ont intérêt à choisir une orbite la plus basse pos­si­ble. Or le pre­mier min­i­mum de la courbe de la den­sité de débris en fonc­tion de l’altitude se trou­ve aux alen­tours de 1 200 km. 

Tous les opéra­teurs se pro­jet­tent donc sur des orbites com­pris­es entre 1 100 et 1 300 km. Les satel­lites défail­lants et restant inertes sur leur orbite inter­secteront la tra­jec­toire de cen­taines d’objets appar­tenant à dif­férents con­cur­rents, les oblig­eant à manœu­vr­er pour éviter une collision. 

La fig­ure 2 présente un graphe de la prob­a­bil­ité d’occurrence d’un événe­ment lié à une activ­ité humaine en fonc­tion de son coût pour les assureurs, déter­miné à par­tir de dif­férentes sources publiques. Ces don­nées, représen­tées en échelle log­a­rith­mique, ne con­stituent qu’un ordre de grandeur. 

La courbe de ten­dance verte représente l’intervalle dans lequel un risque est accept­able pour le secteur privé. On observe que l’opération de satel­lites en orbite hélio­syn­chrone est d’ores et déjà une activ­ité par­ti­c­ulière­ment risquée. Le risque de col­li­sion pour les pre­miers satel­lites de OneWeb ou de Star­link autour de 1 200 km sera large­ment accept­able mais la mul­ti­pli­ca­tion de con­stel­la­tions avec une fia­bil­ité impar­faite fera aug­menter le risque de col­li­sion de plusieurs ordres de grandeur et peut com­pro­met­tre leur rentabilité. 

Modéliser l’évolution des débris pour gérer les risques associés

Pour répon­dre aux besoins des opéra­teurs de méga­con­stel­la­tions en ter­mes de ges­tion du risque lié aux col­li­sions en orbite, de nou­veaux ser­vices ont été conçus et dévelop­pés par la société Share My Space, créée en juin 2017. Elle donne accès à des mod­èles d’évolution de la den­sité de débris spa­ti­aux actu­al­isés quo­ti­di­en­nement, en prenant en compte l’ensemble des satel­lites du client dans le cal­cul du risque global. 

Cela per­met de réa­gir en temps réel aux événe­ments qui se pro­duisent sur les orbites d’exploitation, en ajus­tant les paramètres des futurs satel­lites, avec éventuelle­ment des impacts sur le design (par exem­ple pour le sys­tème propul­sif), et de s’assurer que les niveaux de fia­bil­ité sont sat­is­faisants sur le long terme. Une ver­sion web sim­pli­fiée de l’outil de sim­u­la­tion Indemn est disponible gra­tu­ite­ment à la demande. 

Suivre les débris de 1 cm à 10 cm

Prin­ci­paux risques liés à l’activité humaine en 2018. La prob­a­bil­ité annuelle est représen­tée pour un élé­ment (un loge­ment, un auto­mo­biliste, ou un pas­sager aérien moyen…). La zone verte représente une région de risque accept­able par la société. La flèche représente la ten­dance pour la prochaine décen­nie..

Les bases de don­nées actuelles ne recensent que les débris de plus de 10 cm qui ne représen­tent que 2 % des objets pou­vant causer des col­li­sions sévères. La néces­sité d’une meilleure car­ac­téri­sa­tion des objets dont la taille typ­ique est com­prise entre 1 et 10 cm a été soulignée par plusieurs acteurs. 

Par ailleurs de nou­veaux algo­rithmes sont en cours de développe­ment pour iden­ti­fi­er les débris de ce type à par­tir des don­nées des radars. Cette iden­ti­fi­ca­tion per­me­t­tra de prévenir un grand nom­bre de col­li­sions pour lesquelles les opéra­teurs ne sont pas pro­tégés à l’heure actuelle. 

En out­re, cette car­togra­phie con­tribuera à amélior­er sig­ni­fica­tive­ment le mod­èle sta­tis­tique d’Indemn. Ce logi­ciel est un out­il de mod­éli­sa­tion du risque, donc il s’adresse naturelle­ment aux assureurs des mégaconstellations. 

Des technologies pour capturer les débris

Dans une per­spec­tive de long terme, Share My Space con­tribue au développe­ment de tech­nolo­gies qui per­me­t­tront de cap­tur­er plusieurs débris sur des orbites voisines avec un chas­seur qui achem­inera les objets vers un cen­tre de stock­age en orbite, en vue de leur recyclage. 

Un con­sor­tium est en cours de déf­i­ni­tion avec notam­ment le Cen­tre spa­tial de l’École polytechnique.

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