Débris spatial

Un débris spatial, dans le domaine de l'astronautique, est l'objet résiduaire d'une mission spatiale, se trouvant sur orbite. Le terme correspondant en anglais est space debris.

Actuellement, les satellites artificiels modifient la vie sur la Terre et l'y organisent : satellites de communication pour les échanges de sons et d'images, satellites météorologiques pour la prévision de temps, satellites de navigation pour le guidage précis de navires sur l'ensemble des mers du monde, satellites scientifiques à missions hautement spécialisées, satellites militaires aux applications publiques ou secrètes multiples, etc.

Depuis Spoutnik 1, lancé le 4 octobre 1957, plus de 5 000 engins ont été expédiés dans l'espace par les diverses nations de la planète. Il s'agit tout autant de satellites positionnés sur l'une ou l'autre orbite terrestre que de sondes qui ont quitté l'environnement immédiat de la Terre pour explorer la Lune ou les autres planètes. Lors de chacune de ces missions, la plupart de débris spatiaux sont générés.

Ces débris sont de différentes origines : citons en premier lieu les gros débris, ceux-ci peuvent provenir de morceaux du lanceur lui-même, ou d'objets perdus par les astronautes, ou encore de vieux satellites inutilisés, etc. Le catalogue du North American ærospace defense (NORAD) qui est probablement le plus complet qui existe au monde, fait état de plus de 9 000 objets de plus de 10 cm en orbite autour de la Terre (en 2006). Si on s'intéresse désormais aux débris plus petits, de l'ordre du centimètre, on arrive déjà à plus de 200 000 objets répertoriés et on dépasse le million pour des débris de type «particules» de l'ordre du millimètre. Les temps de vie de ces débris sont aussi particulièrement différents, de l'ordre d'un an, ou d'une dizaine d'années, ou même de siècles pour les orbites les plus hautes.

Ces débris présentent un danger pour les satellites en orbite et un risque de retombée au sol. En effet, ils vont à une grande vitesse et l'impact d'un débris, même petit, sur un satellite peut entraîner de gros dégâts. Leur nombre, en constante augmentation, est par conséquent préoccupant. Certains satellites espions seraient répertoriés comme débris spatiaux, mais dans ce cas, il est environ certain que ces «débris» sont contrôlés^[1].

Origine des débris

Toutes les activités spatiales sont sources de débris. On peut citer surtout :

• les étages de lanceurs et les fragments issus de ces derniers comme les morceaux de boucliers thermiques
• les fragments d'engins spatiaux utilisés ou non ^[2]
• les satellites non utilisés
• les divers éléments qui ont échappé des mains de l'Homme, comme des outils utilisés lors de sorties spatiales.

Mesures de préventions

Pour diminuer le risque de création de nouveaux débris spatiaux, plusieurs mesures ont été proposées, surtout par le Inter-Agency Space Debris Coordination Committee fondée en 1993 par les principales agences spatiales pour étudier le problème :

La passivation des étages supérieurs après utilisation par largage du carburant résiduel, pour limiter le risque d'une explosion des imbrûlés hypergoliques qui génèrerait des milliers de nouveaux débris. Ou encore la désorbitation rapide de ces étages supérieurs en utilisant ce carburant résiduel.

La désorbitation des satellites en fin de vie serait une mesure efficace, une telle manœuvre volontaire a déjà été faite avec succès pour le satellite français Spot-1 fin 2003, réduisant sa présence post-mortem en orbite de 200 à 15 ans^[3]. Mais elle requiert quelquefois trop de carburant ou doit avoir lieu trop longtemps après la mise en orbite pour garantir son succès. Dans ces cas-là, elle pourrait être effectuée grâce à un câble électrodynamique déroulé depuis le satellite et qui le ralentirait et abaisserait son orbite jusqu'à une altitude où la traînée atmosphérique provoquerait rapidement la désorbitation^[4].

Pour les altitudes où la désorbitation n'est pas économiquement envisageable, telle que l'orbite géostationnaire, le satellite est transféré vers une orbite de rebut où ne se trouve aucun engin opérationnel.

Plusieurs propositions ont été faites pour rabattre les débris vers l'atmosphère terrestre telles que des remorqueurs automatisés^[5], un balai laser (pour détruire les particules ou les dévier vers une orbite plus basse), de gigantesques boules d'aérogel pour absorber les impacts et peut-être précipiter les débris capturés vers l'atmosphère. Néanmoins, aujourd'hui le principal effort est porté sur la prévention des collisions par la surveillance des plus gros débris et les mesures contre la création de nouveaux.

D'autres idées impliquent la création d'une «décharge» orbitale où seraient rassemblés les plus gros objets afin d'éviter les collisions et de stocker ces ressources de matériaux pour le futur.

L'utilisation de blindage pour protéger des impacts est une solution coûteuse (poids) et peu efficace vis-à-vis des gros débris. Il est essentiellement mis en œuvre dans les modules habités. Une manœuvre d'évitement est envisageable si le débris est suffisamment important pour être répertorié. Elle a déjà été appliquée à plusieurs reprises sur plusieurs types de satellites^[6].

Surveillance des débris spatiaux

Cartographie des principaux débris spatiaux en orbite terrestre basse

Cartographie vue d'au-delà de l'orbite géosynchrone

L'USSPACECOM tient à jour un catalogue contenant à peu près 15 000 objets^[7] (de plus de 10 cm en orbite basse et de plus de 1 m en orbite géostationnaire), aussi dans l'objectif de ne pas les confondre avec des missiles ennemis. Les observations collectées depuis plusieurs installations radars et télescopes, ainsi qu'un télescope spatial^[8], sont utilisées pour entretenir ce catalogue. Cependant, la majorité des débris ne sont toujours pas observés. Selon l'Institute of Ærospace Systems de Braunschweig, il y aurait plus de 330 millions d'objets artificiels d'un diamètre d'au moins un millimètre en orbite terrestre ^[9].

Cet institut est à l'origine du modèle de distribution et de vitesse des débris appelé MASTER (Meteoroid and Space Debris Terrestrial Environment Reference) et utilisé par l'ESA pour calculer les probabilités et directions de collision en orbite. L'agence européenne possède un catalogue de 26 000 débris qu'elle suit avec un réseau d'observatoires et de radars pour corroborer ce modèle.

Le retour sur Terre de matériel orbital est aussi une précieuse source d'informations sur l'environnement de débris de tailles submillimétriques. Le satellite LDEF, déployé par la mission STS-41-C Challenger et récupéré par STS-32 Columbia, a passé 68 mois en orbite. L'examen minutieux de sa surface a permis d'analyser la distribution directionnelle et la composition du flux de débris. Le satellite européen Eureca, déployé par STS-46 Atlantis et récupéré 326 jours plus tard par STS-57 Endeavour a révélé un millier d'impacts sur ses panneaux solaires et 71 sur son corps, de 100 µm à 6, 4 mm^[10].

Les remplacements des panneaux solaires du télescope spatial Hubble lors des missions STS-61 Endeavour et STS-109 Columbia apportèrent incidemment de nouvelles précisions pour le modèle d'environnement des débris spatiaux.

Diagramme de Gabbard

Les groupes de débris issus de la désagrégation de satellites sont analysés grâce à un diagramme dit «de Gabbard» dans lequel le périgée et l'apogée de chaque débris est représenté selon sa période orbitale. Les débris projetés dans le sens du déplacement orbital augmentent en apogée et en période, ils correspondent aux deux bras droits du X. Les débris projetés dans le sens rétrograde ont un périgée et une période diminués (les deux bras gauches du X). Les projections dans les directions perpendiculaires à l'orbite influent peu sur les caractéristiques de période, d'apogée et de périgée, les débris dans ce cas sont concentrés autour du centre de la croix^[11].

L'étude de la distribution des éléments de ce diagramme permet aussi de déterminer les causes de la fragmentation^[12].

Créations significatives de débris

De 1967 à 1988, l'Union Soviétique lança des satellites espions RORSAT alimentés par réacteur nucléaire. À la fin de leur mission, ils éjectaient leur cœur sur une orbite de plusieurs siècles de durée de vie. Durant et après cette éjection, des fuites de fluide caloporteur NaK se sont produites, dispersant des gouttes entre 850 et 1000 km d'altitude. Ces débris, au nombre d'environ 110 000, d'une taille allant jusqu'à 7 cm et d'une masse totale de 165 kg, représentent toujours actuellement un danger pour les objets en orbite basse (ils furent détectés par LDEF dont l'apogée était à 580 km) ^[13]. De plus, il est envisageable qu'ils aient percuté les radiateurs des RORSAT en orbite de rebut, provoquant de nouvelles fuites de NaK^[14].

Trois accidents significatifs sont à noter : en décembre 1991, un satellite Kosmos aurait été été touché par l'un de ses jumeaux selon des informations américaines; le 24 juillet 1996, un fragment d'un troisième étage d'une fusée Ariane qui avait explosé en vol dix ans plus tôt a percuté le microsatellite français Cerise; le 17 janvier 2005, un étage d'une fusée Thor a été percuté par un débris chinois^[15].

Une des plus grandes créations de débris ne fut pas accidentelle, elle est due à un essai de missile anti-satellite chinois en 2007. Il provoqua la création de 2300 débris de taille observable (i. e. de quelques centimètres, décompte de décembre 2007) et selon les estimations, 35 000 débris d'au moins 1 cm et plus d'un million de débris d'au moins 1 mm. Cet événement est plus préjudiciable que les précédents essais de telles armes car il eut lieu à une altitude plus élevée (850 km) qui génère une durée de présence en orbite d'au moins 35 ans. En juin 2007, le satellite Terra fut le premier à devoir être dévié pour lui éviter d'être touché par ces débris^[16].

Un événement de magnitude identique survint le 16 février 2007 lorsque le dernier étage d'un lanceur russe Briz-M explosa en orbite au dessus de l'Australie. La fusée avait été lancée le 28 février 2006 transportant un satellite de communication Arabsat-4A, mais un dysfonctionnement l'empêcha d'achever la mise en orbite et il resta en orbite elliptique avec une grande quantité d'imbrûlés hypergoliques corrosifs. L'explosion fut photographiée par plusieurs astronomes, les observations radar n'ont pu établir exactement la trajectoire des débris à cause du caractère de leur orbite. Quoique d'une ampleur identique au test chinois, le nuage de débris passe par une altitude moindre et une grande partie des 1100 débris identifiés retombèrent dans l'atmosphère rapidement^{[17], [18]}. Une autre dislocation venait juste d'être observée le 14 février précédent^[19], ce qui en fait trois en l'espace de deux mois. Il y en avait eu 8 dans l'année 2006, ce qui n'était jamais arrivé depuis 1993^[20].

Le 10 février 2009, la collision entre les satellites Iridium-33 et Cosmos-2251 produit un nombre important de débris^[15].

Impacts de débris notables

La première collision avec un débris catalogué remonte à 1996 et provoqua l'arrachement d'un bras du satellite militaire français Cerise ^[21].

Lottie Williams est la première et l'unique personne à ce jour (septembre 2008) à avoir été touchée par un débris spatial d'origine humaine. Tandis qu'elle se promenait dans un parc de Tulsa, Oklahoma, le 22 janvier 1997 à 3h30, elle remarqua une lueur dans le ciel qu'elle prit pour une étoile filante. Quelques minutes plus tard, elle fut frappée à l'épaule par un objet métallique sombre de 15 cm qui s'avéra plus tard être une pièce de réservoir d'une fusée Delta II lancée en 1996. Elle ne fut pas blessée^[22].

Dans la culture populaire

• Le manga Planetes, adapté en anime, relate les aventures d'une équipe de collecteurs de débris spatiaux
• La série TV Dead Like Me débute par la mort du personnage principal, tuée par la chute de la lunette des toilettes de la station Mir
• Dans l'épisode Déchets dans l'espace de la série télévisée des années 1970 UFO, alerte dans l'espace, le héros découvre un satellite extraterrestre dissimulé parmi les débris orbitant autour de la Terre
• Dans le film d'animation WALL•E, une scène montre les deux personnages principaux quittant la Terre, entourée d'une ceinture de débris spatiaux

Notes et références

Droit français : arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales.

Voir aussi

• Objet géocroiseur
• Syndrome de Kessler
• Liste des objets artificiels sur la Lune
• Two-Line Elements (TLE), format de publication des paramètres orbitaux d'objets en orbite terrestre

Liens externes

• (fr) CNES - Débris spatiaux
• (fr) CNES - Les débris spatiaux font de la résistance (nov 2008)
• (en) NASA Orbital Debris Program Office
• (en) North American Ærospace Defense
• (en) Space Track Accès aux paramètres des objets en orbite

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