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L'assemblage en orbite apportera des avantages majeurs au cours de la prochaine décennie

L'assemblage en orbite apportera des avantages majeurs au cours de la prochaine décennie


Iain D. Boyd Institut de science et de politique technologique, Washington DC, États-Unis

Institut de science et de technologie Bhavya Lal, Washington DC, États-Unis

Historiquement, l’assemblage de véhicules spatiaux au sol et leur intégration dans un véhicule de lancement imposent de nombreuses contraintes aux capacités pouvant être déployées dans l’espace, notamment au renchérissement du coût de lancement. En revanche, l’assemblage sur onglet offre un moyen de remédier à ces limitations de diverses manières. Ici, Iain Boyd et Bhavya Lal du Science & Technology Policy Institute (STPI) basé à Washington, évaluent la manière dont l’assemblée en orbite est sur le point de changer radicalement un certain nombre de missions spatiales clés au cours de la prochaine décennie.

La recherche d’exoplanètes est l’une des activités les plus passionnantes des sciences spatiales et, bien que le télescope James Webb de la NASA coûtera environ 9 milliards de dollars, il risque d’être trop petit pour fournir des conclusions scientifiques claires sur les exoplanètes.

Le déploiement d'un télescope avec une ouverture double de James Webb imposerait une augmentation de coût estimée à 36 milliards de dollars. Ces coûts monumentaux et finalement insoutenables découlent des concepts actuels en matière de conception et de fabrication d’engins spatiaux, reposant principalement sur la nécessité d’assembler intégralement des objets au sol avant leur lancement.

L’assemblage au sol et l’intégration dans un lanceur imposent des limitations importantes en termes de taille, de volume et de conception des charges utiles pouvant être logées dans le carénage d’un seul lanceur, dont le plus grand mesure moins de six mètres de diamètre.

En particulier, les limitations de diamètre de carénage limitent la taille et le nombre d'instruments pouvant être mis en orbite pour les missions scientifiques et de sécurité nationale, ce qui limite les données pouvant être obtenues à partir de charges utiles spatiales.

Le miroir en or à 18 segments du télescope spatial James Webb est spécialement conçu pour capturer la lumière infrarouge des premières galaxies qui se sont formées dans l'univers primitif.

La conception des engins spatiaux construits au sol exige également que les composants subissent une «robustesse» pour résister aux environnements de lancement difficiles - vibrations, acoustique, accélération et charges thermiques sévères -, ce qui impose des pénalités de masse et de taille qui limitent les capacités de charge utile et augmentent les coûts de lancement.

À cela s’ajoute la nécessité d’inclure des systèmes redondants afin d’éviter les dommages lors du lancement.

Les satellites de communication ont des contraintes similaires qui limitent la flexibilité et les opérations. La Figure 1 illustre leur incidence sur la rentabilité et les revenus.

Conception artistique du télescope spatial James Webb.

L’assemblage sur orbite peut être défini comme l’agrégation sur une plate-forme en orbite de structures prêtes à l’emploi fabriquées sur le sol (bien qu’elles puissent également l'être sur orbite). Nous examinons ici les implications potentielles de l’assemblage scientifique en orbite. , un vaisseau spatial d'exploration et de communication commerciale pour la science et l'exploration et, et examiner l'état de l'art et les tendances futures de la région.

L’idée est d’assembler un grand télescope dans l’espace à l’aide de grands éléments hexagonaux de 4 m d’un côté à l’autre

Avantages de l'assemblage en orbite

Sur le plan conceptuel, l’assemblage en orbite offre un certain nombre d’avantages qui peuvent permettre et améliorer différents types de missions spatiales:

  • Une capacité à déployer des structures qui ne peuvent pas être lancées depuis la Terre à cause des contraintes imposées par la taille et la forme des coiffes des lanceurs. Les structures sont intégrées plus efficacement dans le carénage de lancement qu’un vaisseau spatial entièrement intégré
  • Une capacité à obtenir une flexibilité et une résilience accrues des actifs des véhicules spatiaux, rendue possible par un assemblage impliquant des ajouts, des remplacements et des mises à jour technologiques des charges utiles sur une plate-forme en orbite conforme
  • Capacité à générer des économies de coûts liées au transport de masse plus utile - moins de matériau d'emballage (structure) pour une robustesse accrue, et moins de matériau de plate-forme
  • Capacité à réaliser des économies de coûts grâce à la réduction du nombre et de l'intensité des tests au sol d'engins spatiaux et de sous-systèmes spatiaux
  • Une capacité à créer des structures qui ne peuvent absolument pas être créées sur Terre à cause des contraintes imposées par la gravité terrestre.

Ces avantages, à leur tour, peuvent offrir des avantages considérables de différentes manières pour diverses opérations spatiales.

Figure 1. Illustration de la manière dont l'approche actuelle pour déployer des satellites de télécommunication impose des limites au revenu.
En haut à droite: Figure 2. Le rendement de l'exoplanète en fonction du diamètre du télescope (adapté de AURA, 2015).

En astronomie, l’assemblage en orbite peut permettre la construction de télescopes trop volumineux pour être entièrement construits sur Terre et lancés en orbite. Les télescopes spatiaux haute définition (HDST) sont de très grands observatoires spatiaux dotés d'un certain nombre de missions principales, notamment la caractérisation des exoplanètes et la recherche de la vie sur des exoEarths grâce à l'utilisation de marqueurs biologiques spectroscopiques.

Une analyse réalisée par l'Association des universités pour la recherche en astronomie («De la naissance cosmique aux terres vivantes: l'avenir de l'astronomie spatiale UVOIR», 2015) a montré qu'au moins 30 candidats devaient être caractérisés afin de tirer des conclusions statistiquement significatives sur les perspectives. pour la vie biologique sur d'autres planètes.

La même analyse a révélé que le diamètre d'ouverture du télescope est le paramètre le plus important pour déterminer le nombre de candidats pouvant être caractérisés, et la relation est tracée à la Figure 2. Des points de données sont inclus pour le télescope spatial Hubble (HST) et pour le James Webb. Télescope spatial (JWST), ce dernier étant la prochaine mission HDST de la NASA dont le lancement est prévu pour 2018. Avec un diamètre d'ouverture de 6,5 m, il est estimé que le JWST identifiera environ 10 exoEarths.

Pour faire progresser la recherche de candidats exoEarth au-delà de JWST à un niveau de rigueur scientifique plus élevé, une augmentation significative du diamètre d'ouverture du télescope est nécessaire pour les futures missions HDST et la figure 2 montre qu'une ouverture de 12 m donnerait plus de 30 candidats.

L'ouverture du JWST se rapproche de la limite de taille pour ce qui peut être adapté aux carénages actuels des lanceurs; Même dans ce cas, cette taille nécessite l'utilisation d'un agencement de pliage complexe, avec de nombreux risques associés et des exigences en matière d'essais au sol.

Tandis que des carénages de lancement plus importants sont envisagés dans le développement de futurs systèmes de lancement, une croissance importante au-delà des capacités actuelles est à la fois techniquement difficile et extrêmement coûteuse.

L'assemblage en orbite constitue une voie potentielle pour relever les défis de taille des HDST de nouvelle génération. Par exemple, considérons le concept de télescope spatial évolutif à trois étages décrit dans Polidan et al., (Proceedings of SPIE, 9143, 2014) et représenté schématiquement à la figure 3.

Figure 3. Concept de télescope spatial évolutif à trois étages conduisant à une ouverture de 20 m (Polidan et al., 2014)

L'idée est d'assembler un grand télescope dans l'espace en utilisant des éléments hexagonaux de 4 m d'un côté à l'autre. Le télescope évoluerait au cours de trois lancements séparés par des cycles budgétaires étalés sur plusieurs années. Dans la première étape, le miroir secondaire circulaire central et deux éléments hexagonaux formant l’assemblage de miroir primaire (PMA) sont lancés en une seule pile et assemblés sur orbite pour former une ouverture asymétrique de 4,5 m x 12 m.

Dans la seconde étape, quatre éléments hexagonaux supplémentaires sont lancés en une seule pile et assemblés pour former une ouverture symétrique de diamètre 12 m. La troisième étape lance 12 hexagones supplémentaires qui seraient ajoutés à la structure existante pour compléter un télescope d’un diamètre d’ouverture de 20 m. Les rendements en exoplanètes fournis par les trois étapes sont indiqués à la figure 2.

En plus de permettre une augmentation scientifique importante du retour d'informations pour les HDST en rendant possible l'évolution de la construction du télescope sur plusieurs années, l'assemblage en orbite permettrait probablement de réaliser des économies considérables.

La Station spatiale internationale et la navette spatiale amarrée Endeavour en mai 2011, à la fin de la phase de construction principale à LEO.

Pour les sciences de la Terre, l’assemblage en orbite peut réduire le nombre de lancements de satellites pour les observations météorologiques et climatiques grâce à la création d’une plate-forme persistante assemblée dans l’espace. Une illustration est la possibilité d’utiliser la plate-forme persistante pour remplacer la série de satellites A-Train qui passent au-dessus du même endroit de la Terre à quelques minutes l’une de l’autre en recueillant diverses mesures. Des capteurs pourraient être ajoutés régulièrement à la plate-forme, permettant un rafraîchissement plus rapide que ce qui est actuellement réalisable. De manière tout aussi importante, l'assemblage de plusieurs charges utiles (ainsi que l'actualisation) sur une plate-forme nécessiterait moins de lancements et permettrait des économies de lancement de plusieurs centaines de millions de dollars.

Communications satellites

L’assemblage en orbite peut également offrir des avantages pour les télécommunications en orbite géostationnaire (GEO). Prenons le secteur de la distribution de données où le satellite est utilisé pour déplacer des données d’un lieu central à d’autres régions du monde. Prenez un satellite de communication avec quatre antennes qui lui permettent de distribuer des données simultanément dans quatre régions différentes. En raison de la nature dynamique des demandes de distribution de données des utilisateurs finaux, ces systèmes à satellites n'atteignent généralement que des taux d'utilisation de 60 à 70%. Une augmentation du nombre d'antennes, sans changer aucune autre partie du satellite, permettrait une utilisation accrue.

Figure 4. Revenus totaux générés par un satellite de communication sur une durée de vie de 15 ans.

À titre d'illustration, nous supposons qu'une augmentation du nombre d'antennes de quatre à huit augmenterait l'efficacité d'utilisation de 10%. Les antennes ne sont pas assemblées sur le vaisseau spatial avant le lancement, mais sont plutôt placées efficacement dans le carénage au-dessus de la plate-forme satellite. Une fois en orbite, les antennes sont assemblées de manière robotisée sur le satellite avant leur transfert sur GEO.

En supposant que le satellite génère des revenus à un taux de 1,5 million USD par répéteur et par an (moyenne historique récente), un nombre typique de 36 répéteurs sur le satellite et une augmentation de 10% de l'utilisation résultant de l'utilisation de l'assemblage en orbite doubler le nombre d’antennes de quatre à huit, l’augmentation totale des recettes serait de 5,4 millions de dollars par an. Au cours des 15 années de vie d’un satellite classique, le chiffre d’affaires total a augmenté de 81 millions USD.

Une autre limitation importante des satellites de télécommunication entièrement assemblés au sol est qu’une fois déployés en orbite, les capacités technologiques restent fixes pendant toute la durée de vie de l’engin spatial. Ceci est une considération importante puisque la plupart des satellites GEO ont une durée de vie de 15 ans.

La possibilité de reconfigurer un satellite de télécommunication par le réassemblage sur orbite pourrait offrir aux opérateurs de précieuses améliorations en matière de capacités, ce qui peut être particulièrement important lorsque les opérateurs GEO commencent à se préparer pour faire face aux constellations en orbite terrestre basse (LEO) censées voir les taux de rafraîchissement aussi bas que 18 mois.

Les revenus générés par un satellite de communication dépendent principalement du débit de transfert d'informations dans le système, mesuré en bits par seconde. Semblable à la loi de Moore sur la vitesse du processeur, les données historiques sur l’évolution du débit binaire du satellite montrent une tendance à la hausse prévisible sans fin en vue. Plus précisément, on a constaté que le débit binaire était multiplié par 10 environ tous les sept ans environ.

L’ouverture du JWST se rapproche de la limite de taille pour ce qui peut être logé dans les carénages de lanceurs actuels

Lorsqu'un nouveau satellite est lancé, il offre, dès sa première année d'exploitation, le débit binaire le plus rapide du marché. Cependant, chaque année qui passe, de nouveaux satellites sont placés sur orbite avec des performances supérieures à celles de l’actif précédent. Ainsi, un satellite de sept ans fonctionne à un débit 10 fois plus lent que les satellites les plus récents en opération

Examinons maintenant la situation dans laquelle l’assemblage en orbite permet de remplacer la totalité de la charge utile de communications du satellite après sept ans d’exploitation. La nouvelle charge utile actualiserait la technologie et augmenterait instantanément le débit binaire de l'actif. À titre d’illustration, nous supposons encore une fois que le satellite génère des recettes d’un taux de 1,5 million de dollars US par répéteur et par an, et de 36 répéteurs sur le satellite. Nous supposerons en outre une augmentation du facteur binaire multipliée par 10 grâce à l'assemblage en orbite de la charge utile de communication mise à jour.

Cependant, cette amélioration des performances sera accompagnée d'une réduction du taux de facturation client. Pour notre analyse, nous supposons que le taux de facturation diminue par un facteur cinq. Le coût du deuxième lancement est estimé à 40 millions USD et celui de la nouvelle charge utile de communication à 100 millions USD. La figure 4 illustre l’accumulation de revenus au cours de la durée de vie opérationnelle du satellite dans le paradigme actuel et pour la nouvelle approche dans laquelle la technologie est actualisée au bout de sept ans. L’augmentation totale des revenus en fin de vie rendue possible par l’assemblage en orbite est d’environ 300 millions de dollars US par satellite.

La figure 5 montre comment l'assemblage de plusieurs antennes sur une plate-forme unique, la fabrication et l'assemblage en orbite pour éliminer les contraintes de lancement et l'assemblage de charges utiles actualisées sur une plate-forme existante contribuent tous à l'amélioration des performances du système et à la génération de revenus pour un satellite de communication.

Statut de capacité technique

Après avoir identifié les avantages potentiels de l’assemblage en orbite, il est instructif d’examiner la situation actuelle et les perspectives futures des capacités techniques attendues. L’assemblage des engins spatiaux en orbite nécessitera le développement d’un certain nombre de technologies et de processus impliquant la détection, la robotique, l’automatisation et des interfaces modulaires entre charges utiles et plates-formes.

Figure 5. Illustration de la manière dont les approches d'assemblage en orbite peuvent réduire les limitations associées au déploiement de satellites de communication afin d'améliorer les performances du système et d'accroître les revenus.

Les activités spatiales pertinentes qui représentent des étapes intermédiaires vers l’assemblage complet en orbite incluent l’inspection en orbite et la maintenance des engins spatiaux. Les astronautes qui ont réalisé l'assemblage en orbite ont acquis un patrimoine considérable au cours des 50 dernières années. Les enseignements tirés de ces activités guideront les futures missions et le développement de nouvelles techniques.

Un éventail de techniques d'assemblage robotique pourrait être utilisé pour remplacer l'assemblage des astronautes, des robots en tant qu'œil, subordonnés et auxiliaires aux robots en tant que mères porteuses et spécialistes.

Des capacités sont en cours de développement pour l'inspection automatisée en orbite des engins spatiaux. Aux États-Unis, le satellite de navigation aérienne ANGELS (Air Force Research Laboratory - AFRL) a étudié les technologies et les procédures de manœuvre et d’imagerie à quelques kilomètres d’un corps de fusée expansé.

Des concepts sont également mis au point à l’aide de capteurs pour l’inspection des engins spatiaux. La mission DARPA (DARPA) de la Défense américaine (DARPA), en 2007, a assuré les services en orbite autonome, y compris l’arrimage autonome. La mission comprenait un satellite de substitution de nouvelle génération et un prototype de vaisseau spatial de dépannage. Les satellites se sont amarrés à plusieurs reprises et le prototype du réparateur a fait le plein de carburant et échangé des modules.

L'exemple le plus impressionnant d'assemblage assisté par des astronautes est la construction de la Station spatiale internationale (ISS), qui a impliqué plus de 35 lancements de navettes spatiales et 160 sorties dans l'espace, d'une durée de 1 061 heures. La station a la taille d'un terrain de football pesant plus de 400 000 kg et englobant plus de 900 mètres cubes de volume sous pression. Elle a été appelée à la maison par plus de 200 personnes représentant 15 pays.

Assemblage robotique

Un éventail de techniques d'assemblage robotique pourrait être utilisé pour remplacer l'assemblage des astronautes, des robots en tant qu'œil, subordonnés et auxiliaires aux robots en tant que mères porteuses et spécialistes.

Le véhicule d’extension de mission (MEV) Orbital ATK des États-Unis est un exemple de capacité d’entretien. La mission Restore-L de la NASA est programmée pour 2020 et implique le ravitaillement en carburant de Landsat-7 par un MEV. Le MEV communiquera de manière autonome avec le vaisseau spatial Landsat, puis coupera les fils de manière télé-robotique, retirera les bouchons et ravitaillera le satellite en carburant. Landsat-7, un «client» non préparé, construit bien avant la technologie MEV, aura environ 20 ans à ce moment-là.

Restore-L démontre le potentiel de la maintenance robotique pour augmenter la durée de vie et la sécurité des missions actuelles. Le département de la dynamique spatiale de l’Institut allemand de robotique et de mécatronique dirige une mission appelée DEOS (Deutsche Orbitale Servicing) qui comprend deux satellites, un "client" et un "réparateur". Prévu pour être lancé en 2018, l'agent de service poursuivra le client et lui donnera rendez-vous, fera la démonstration du ravitaillement en carburant et de l'échange de modules, puis désorbitera le client en toute sécurité.

DARPA développe des véhicules de maintenance robotique pour les satellites GEO dans le cadre de son projet de maintenance robotique de satellites géosynchrones (RSGS). Les satellites de cette orbite haute pourront être réparés et entretenus au fil du temps, augmentant ainsi leurs capacités et leur valeur pour leurs propriétaires. En développement depuis 2016, la date de lancement prévue est 2021.

Au début de 2016, l'ESA a piloté le véhicule expérimental intermédiaire (IXV); en 2020, il est prévu de lancer le programme PRIDE (Demide Demonstrator) réutilisable en Europe. IXV a démontré de nombreuses fonctionnalités clés pour la maniabilité en orbite; PRIDE fournira une plate-forme pour l’expérimentation et le développement de capacités de service en orbite.

L’assemblage sur orbite pourrait modifier radicalement la façon dont les engins spatiaux sont déployés pour un certain nombre de missions spatiales importantes.

L’auto-assemblage, qui implique de petits satellites dotés de capacités spécialisées s’organisant pour remplir les objectifs d’une mission plus vaste, est rendu possible par les progrès du vol en formation. La DARPA poursuit le concept Phoenix Satlet dans le cadre duquel de petits modules autonomes intègrent les principales capacités des satellites et s’agrègent en diverses combinaisons pour atteindre différents objectifs. La modularité de Satlets augmente la résilience de la mission et la reconfigurabilité, réduit la conception des engins spatiaux et le temps d'intégration, et permet des redondances moins chères. Parallèlement au système POD (Payload Orbital Delivery), les coûts de déploiement sont réduits. Les satlets sont en développement depuis 2012 et le premier vol LEO est prévu pour 2017.

Défis opérationnels

De nombreuses capacités d'assemblage en orbite sont confrontées à des problèmes d'environnement spatial, tels que la microgravité, l'oxygène atomique (en LEO), les rayonnements et les impacts de micrométéoroïdes. Il peut donc être nécessaire de déployer une structure de coque de protection en orbite, dans laquelle l'assemblage peut se dérouler sans plusieurs de ces problèmes environnementaux. Pour les opérations LEO, il existe également une variation importante et continue de l'environnement d'éclairage causée par l'entrée et la sortie d'éclipse, qui peut avoir un impact négatif sur les opérations basées sur la vision.

Impression d'artiste du réparateur Restore-L qui étend son bras robotique pour saisir et ravitailler un satellite client en orbite.

Les missions de télé-robotique sont affectées par les latences de communication et nécessitent par conséquent des tâches telles que le rendez-vous et l'amarrage pour être entièrement automatisées. Lorsqu’il n’est pas supervisé par un astronaute, l’assemblage en orbite nécessite un système robotique extrêmement fiable et doté d’un degré élevé de «confiance» entre l’homme et le robot. De nouvelles étapes opérationnelles doivent être développées pour vérifier que les procédures d'assemblage ont été exécutées comme prévu.

Il est possible de relever certains des défis que pose l'assemblage robotisé et autonome en orbite en tirant parti des activités mondiales beaucoup plus étendues des applications terrestres des mêmes technologies. L'utilisation d'assemblages automatisés et robotisés de machines complexes est une pratique répandue et de plus en plus répandue sur le terrain dans de nombreux secteurs. Des exemples importants incluent les grandes industries telles que l’automobile et la micro-électronique, ainsi que l’assemblage de composants directement liés aux engins spatiaux tels que les antennes et les cellules solaires.

Impact futur

L’assemblage en orbite est susceptible de changer radicalement la manière dont les engins spatiaux sont déployés pour de nombreuses missions spatiales importantes. La longue histoire de l'assemblage en orbite assisté par des astronautes, conjuguée aux progrès constants en matière d'inspection et de maintenance en orbite, aura un impact significatif sur l'assemblage en orbite au cours de la prochaine décennie, en particulier si le secteur spatial est en mesure de mobiliser des investissements dans le secteur terrestre activités en robotique et automatisation.

À propos des auteurs

Dr Iain D. Boyd est chercheur invité au Science & Technology Policy Institute (STPI), un centre de R & D financé par le gouvernement fédéral et basé à Washington, où il soutient des études commanditées par le gouvernement américain sur des sujets allant de la physique spatiale à la physique quantique. Ses recherches portent sur la simulation par ordinateur des flux de gaz et de plasma. Il a publié plus de 200 articles et est l'auteur du livre intitulé Dynamique des gaz sans équilibre et simulation moléculaire.

Dr Bhavya Lal est membre du personnel de recherche de l’Institut d’analyses de défense (IDA) de la STPI, où elle dirige la stratégie, l’évaluation de la technologie, les études et analyses de politiques dans le secteur spatial. Elle est membre du comité consultatif US-NOAA sur la télédétection commerciale et copréside le comité de l'Académie nationale des sciences chargé d'évaluer l'infrastructure des tests de radiations spatiales.

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