^{Pavel Kassin/Roscosmos Media/TASS}

Mikhail Kotov

Les principaux dirigeants russes se sont intéressés à l’espace le plus proche de notre planète : ils ont donné l’ordre de créer des satellites nationaux conçus pour opérer sur des orbites dites « ultra-basses ». De quels types d’orbites et de satellites s’agit-il, pourquoi la création de tels véhicules est-elle la tendance la plus en vogue dans le domaine de la technologie spatiale aujourd’hui, et que peuvent-ils apporter à la Russie, notamment du point de vue de la défense et de la sécurité ?

Le président Poutine a demandé à Roscosmos et à l’Agence pour les initiatives stratégiques visant à promouvoir de nouveaux projets (ASI) d’envisager la création d’engins spatiaux pour des orbites extrêmement basses. Pour la planète Terre, les orbites extrêmement basses, ou VLEO (Very low Earth orbit), sont des orbites dont l’altitude ne dépasse pas 400 kilomètres.

Il s’agit d’orbites très spécifiques. À de telles altitudes, l’atmosphère terrestre exerce encore une forte influence, ce qui réduit rapidement la vitesse et l’altitude des engins spatiaux. En dessous de 170 kilomètres, la durée de vie du satellite se compte déjà en jours. À une altitude d’environ 120-150 km, le satellite effectue sa dernière révolution, après quoi il entre dans les couches denses de l’atmosphère et se consume.

Les orbites extrêmement basses nécessitent le fonctionnement du système de propulsion pour maintenir l’altitude, sans quoi le vaisseau spatial n’aura qu’une durée de vie de quelques années ou de quelques mois. De plus, ces orbites nécessitent un travail supplémentaire sur l’architecture du satellite afin de réduire les effets des courants d’air de l’atmosphère résiduelle.

En outre, plus le satellite est proche de l’atmosphère, plus il a besoin de carburant pour assurer son fonctionnement stable. Et la quantité de carburant augmente de manière exponentielle. Par exemple, au départ, la station spatiale internationale fonctionnait à une altitude d’environ 300 kilomètres, elle devait assurer la maintenance de la station Space Shuttle, et dépensait en même temps 8600 kilogrammes de carburant par an pour se maintenir en orbite. Une fois l’altitude portée à 400 kilomètres, la consommation annuelle de carburant tombera à 3 600 kilogrammes.

Sans moteur, la durée de vie d’un engin spatial en orbite ultra-basse est une question de mois, voire de semaines. Par exemple, le tout premier satellite PS-1 avait une orbite en forme d’ellipse, le point le plus éloigné de la Terre (apocentre) était à une distance de 939 km, le point le plus proche était déjà à la hauteur des orbites ultra-basses – seulement 215 km. En raison d’une telle orbite et d’un freinage important par l’atmosphère résiduelle, PS-1 n’a duré que trois mois, après quoi il a pénétré dans les couches denses et s’est consumé. Le deuxième étage de la fusée, qui s’est placé sur la même orbite en raison de sa grande taille, a vécu encore moins longtemps : il a quitté l’orbite au bout de deux mois.

Un autre problème est l’impact à de telles hauteurs de l’oxygène atomique, qui possède un électron non apparié, ce qui rend cet atome très réactif. Sous cette forme, l’oxygène est très réactif et corrode la plupart des substances. Pour s’en prémunir, les orbites ultra-basses utilisent un revêtement dont la surface atomiquement lisse disperse les atomes d’oxygène, ce qui réduit de moitié la résistance des matériaux traditionnels.

Alors pourquoi avoir besoin de telles orbites si y opérer entraîne de telles difficultés ? S’il est impossible d’y lancer un vaisseau spatial et de l’utiliser sans problème tant que l’électronique le permet ?

Le fait est que les orbites ultra-basses sont plus pratiques pour plusieurs types d’engins spatiaux. Il s’agit tout d’abord des satellites de communication, des satellites de télédétection de la Terre, des radars, etc.

Pour la télédétection de la Terre, tout est simple : plus un engin spatial est proche de la Terre, plus il sera en mesure de capturer une zone particulière de la surface avec une résolution élevée. À résolution égale, l’engin spatial lui-même peut être plus simple et plus compact. L’armée américaine envisage depuis longtemps l’option de créer un système de contrôle direct du champ de bataille à l’aide de constellations de satellites ISR (intelligence, surveillance et reconnaissance), capables de transmettre des informations visuelles avec une vue « comme en stratégie informatique » en temps quasi réel.

Pour les systèmes de communication, la faible altitude est également un très gros avantage. Elle permet de maintenir un bilan énergétique élevé de la liaison (Link budget). Lorsqu’on utilise des satellites, le processus de transmission de la Terre vers le satellite est appelé liaison montante et celui du satellite vers la Terre est appelé liaison descendante. Étant donné que la densité de puissance des ondes radio diminue proportionnellement au carré de la distance entre l’émetteur et le récepteur, principalement en raison de la propagation de l’énergie électromagnétique dans l’espace selon la loi de l’inverse des carrés, plus le satellite est proche de la Terre, moins il faut d’énergie pour envoyer un signal à la Terre ou au satellite, et meilleur sera le bilan énergétique de la liaison.

Cette amélioration de l’équilibre énergétique de la ligne peut être utilisée pour réduire la puissance au même débit de données, pour augmenter le débit de données à la même puissance, ou pour une combinaison des deux. Les émetteurs de puissance inférieure et/ou supérieure peuvent être terrestres, satellitaires ou les deux.

Il y a d’autres avantages. Le lancement sur des orbites très basses nécessite moins de puissance de la part du lanceur. En outre, les engins spatiaux en orbite ultra-basse n’ont pas besoin d’être équipés d’un dispositif de sortie d’orbite. Un satellite défaillant ne deviendra pas un débris spatial, mais sera éliminé rapidement et de manière indépendante en brûlant dans les couches denses de l’atmosphère.

Ces dernières années, presque tous les pays ont travaillé sur les orbites ultra-basses. Les États-Unis et l’Europe ont des projets. La Chine en général va créer une constellation permanente de satellites en orbite à moins de 300 kilomètres. Il est évident que cette constellation devra être constamment renouvelée.

Pour la Russie, une vaste conversation sur l’utilisation d’orbites ultra-basses a commencé fin juin 2023, lorsque, lors de la session plénière du forum de l’Agence pour les initiatives stratégiques (ASI) intitulé « Des idées fortes pour des temps nouveaux », le chef de l’État a été informé d’un projet privé visant à créer de tels satellites. Un mois et demi plus tard, on apprend que l’instruction d’envisager des travaux sur des orbites ultra-basses a été donnée au chef de Roscosmos, Youri Borisov, et à la directrice générale de l’ASI, Svetlana Chupsheva. D’ici au 1er décembre 2023, ils devront « envisager la création d’engins spatiaux opérant sur des orbites extrêmement basses (jusqu’à 200 km) et la fabrication de prototypes de ces véhicules à des fins d’essai ».

Que peut lancer la Russie sur des orbites ultra-basses ? Tout dépend du moment.

Si c’est maintenant, il s’agira plus probablement d’engins spatiaux d’essai sous la forme de cubesats, de démonstrateurs technologiques. Si c’est dans un horizon de plusieurs années, il s’agira principalement de petits satellites de télédétection de la Terre ayant la capacité de mettre à jour les données le plus rapidement possible et de satellites de communication spécialement conçus pour ce type d’orbite.

En attendant, les développeurs russes – le plus souvent de jeunes startups indépendantes – proposent leurs propres solutions pour des engins spatiaux utilisables sur des orbites aussi complexes. Il s’agit notamment de la possibilité d’utiliser l’azote et l’oxygène de l’atmosphère résiduelle pour faire fonctionner les moteurs des engins spatiaux en orbite ultra-basse, et d’éventuelles modifications de l’architecture des satellites pour travailler avec des flux d’air. Il est très probable que toutes ces solutions puissent être d’une grande utilité dans un avenir proche.

VZ