Brevet FR2511970A1 — publié le 19830304

Dispositif de ravitaillement en orbite pour satellites géostationnaires. La présente invention concerne un dispositif de ravitaillement en orbite pour satellites, ou groupe de satellites géostationnaires à propulsion chimique. Une application particulière de ces satellites est, par exemple, celle des systèmes spatiaux de télécommunications et, dans le cas d'un groupe de satellites, ceux-ci peuvent être identiques ou de conception analogue et également etre indifféremment actifs ou au repos. Il est connu que l'économie d'un satellite géostationnaire, définie ici comme le coût total à payer pour maintenir en état de fonctionnement en orbite un kilogramme de charge utile pendant un an, peut en général être améliorée, soit par un accroissement de la charge utile, soit par accroissement de la fiabilité, c'est-à-dire de sa probabilité de bon fonctionnement pendant un temps donné, soit par accroissement de sa durée de vie. Dans le premier cas, l'augmentation de la charge utile permet d'augmenter les services fournis par le satellite. Dans le second cas, l'accroissement de la fiabilité est obtenu par l'introduction d'équipements redondants. Dans le troisième cas, l'accroissement de la durée de vie est obtenu par l'amélioration de la technologie prolongeant la durée d'utilisation avant usure de certains équipements, par la redondance des équipements à durée d'utilisation trop faible, et par l'augmentation de la masse des ergols à embarquer pour maintenir à poste le satellite durant toute sa vie. L'accroissement de l'économie par la première méthode est limité par la masse totale du satellite, elle-même limitée par la performance du véhicule lanceur. L'accroissement de l'économie d'un satellite géostationnaire par les deux dernières méthodes est limité par le fait que l'introduction d'équipements redondants et d'ergol supplémentaire, à bord d'un satellite dont la masse totale est limitée par la performance du véhicule lanceur, ce qui se traduit, pour les deux méthodes, par. une réduction de la charge utile, par exemple des équipements de télécommunications proprement dits, et donc du service que le satellite peut fournir. Les études détaillées montrent que l'économie d'une famille de satellites de télécommunications s1 améliore au fur et à mesure que la charge utile augmente, mais comme la masse du satellite augmente en même temps, il est nécessaire d'utiliser des lanceurs de plus en plus lourds. Les études détaillées montrent aussi que l'économie d'une famille particulière de satellites de télécommunications s'améliore jusqu'à ce que la durée de vie atteigne 10,5 années; au-delà de cette durée optimum l'économie diminue. De même, l'économie de cette même famille de satellites s'améliore lorsque les redondances augmentent, jusqu'à un degré de redondance optimum au-delà duquel l'économie diminue. La présente invention a pour but d'améliorer l'économie de satellites géostationnaires, c'est-à-dire de diminuer le coût total à payer pour maintenir en état de fonctionnement en orbite un kilogramme de charge utile pendant un an, au-delà de ce qu'il est possible d'obtenir par utilisation maximale de la capacité du lanceur, par optimisation du niveau de redondance et par optimisation de la durée de vie.. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de ravitaillement en ergol pour satellites ou groupe de satellites géostationnaires à propulsion chimique. Ce dispositif de ravitaillement est caractérisé en ce qu'il comprend un satellite ravitailleur équipé d'un ou plusieurs réservoirs dans lesquels le monergol ou les ergols sont amenés en orbite géostationnaire à un ou plusieurs satellites à ravitailler. Après rendez-vous avec le satellite à ravitailler, le satellite ravitailleur s'arrime à celui-ci, procède au ravitaillement, c'est-à-dire au transfert du monergol ou des ergols du satellite ravitailleur au satellite ravitaillé, puis s'en détache et, après une période d'attente en orbite, plus ou moins longue, procède de la même manière, s'il y a lieu, au ravitaillement d'un second satellite, puis d'un troisième, etc, jusqu'à épuisement. Gracie à cet agencement la quantité d'ergols à embarquer initialement lors du lancement sur le ou chaque satellite ravitaillable peut être considérablement réduite, par exemple jusqu'd 20 z seulement de la quantité à embarquer en l'absence de ravitaillement. Ceci permet de manière concomitante d'augmenter très notablement la charge utile des équipede télécommunications, les redondances et la durée de vie. De manière très avantageuse le satellite ravitailleur, de réalisation simple, doit comporter, en plus du ou des réservoirs d'ergol qui constituent sa charge utile, une structure, des sous-systèmes de propulsion, de contrôle d'attitude, d'alimentation en puissance, de contrôle thermique et de télémesure, télécommande et poursuite, ainsi que les équipements nécessaires au rendez-vous et à l'arrimage avec le ou les satellites à ravitailler, par exemple un radar pour l'acquisition éloignée, un laser pour l'acquisition proche, un calculateur de guidage, une caméra de télévision avec projecteur d'éclairage et un mécanisme d'arrimage. De manière très avantageuse également, le rendez- vous doit s'effectuer en amenant lentement, au moyen de petits propulseurs, les deux satellites à proximité l'un de l'autre dans les attitudes permettant l'arrimage. De manière particulièrement avantageuse, le ravitaillement proprement dit, c'est-d-dire le transfert du ou des ergols, du satellite ravitailleur au satellite ravitaillé, peut s'effectuer par l'expulsion du ou des ergols, du ou des réservoirs du satellite ravitailleur vers le ou les réservoirs du satellite ravitaillé, l'expulsion s'effectuant soit à l'aide d'une membrane flexible gonflable sous pression, soit par capillarité. De préférence lesdits moyens de transfert comprennent,sur le satellite ravitailleur et sur le satellite ravitaillé, une ou des canalisations protégées par des électrovannes; les canalisations correspondantes des deux satellites peuvent s'accoupler de manière étanche par l'intermédiaire d'une partie flexible, pour permettre le transfert d'ergol. Le transfert d'ergol peut aussi être accompagné du transfert de gaz de pressurisation, par exemple, de l'azote, utilisé pour chasser le ou les ergols, du ou des réservoirs vers les propulseurs-fusées. Très avantageusement, dans le cas où le satellite ravitaillé comporte un moteur d'apogée à propulsion liquide, il peut être prévu, lors du ravitaillement, de remplir partiellement les réservoirs presque vides après injection en orbite géostationnaire, ce qui évite de devoir lancer des réservoirs vides supplémentaires. Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, le ou les réservoirs d'ergol peuvent être transférés remplis du satellite ravitailleur pour être montés à demeure sur le satellite ravitaillé. Considérons, par exemple, un satellite géostationnaire dont la durée de vie est de 10 ans et dont la masse est de 1400 kg après mise à poste en orbite géostationnaire. En l'absence de ravitaillement en orbite, ce satellite devrait emporter environ 315 kg d'ergols pour son maintien à poste (y compris la correction de la dérive nord-sud) pendant toute la durée de vie en utilisant un système de propulsion biergols. Dans le cas d'un système de propulsion monergol, la consommation serait de l'ordre de 420 kg et le ravitaille menX n'en Ee:ait que plus intéressant. La masse sèche du satellite est donc de 1085 kg qui se répartit en 514 kg de plate-forme, c'est-à-dire de structure, propulsion, contrôle d'attitude, alimentation en puissance, contrôle thermique, télémesure, télécommande et poursuite, et en 571 kg de charge utile, c'est-à-dire les équipements de télécommunications et/ou d'observation de la terre, ainsi que la partie des sous-systèmes d'alimentation et de contrôle thermique qui en dépend directement. Conformément à l'invention, si on ravitaille en orbite ce satellite dans les deux ans après le lancement, il ne doit plus emporter initialement que 70 kg d'ergols et de ce fait sa charge utile peut atteindre 798 kg, soit une augmentation de presque 40 %, ce qui est considérable, sans changement de sa masse initiale, 1400 kg, après mise à poste, et donc sans devoir avoir recours à un lanceur plus puissant. Dans ce cas, 303 kg d'ergols doivent être apportés par le satellite ravitailleur. Une partie des 221 kg supplémentaires disponibles, au lieu d'être utilisée pour augmenter la charge utile, peut l'être pour augmenter les redondances et de ce fait la fiabilité du satellite. De même, il est possible d'augmenter la masse d'ergols apportés par ravitaillement, au-delà de 303 kg, pour augmenter la durée de vie du satellite ravitaillé. Ces trois méthodes, augmentation de la charge utile sans. devoir recourir à un lanceur plus puissant, augmentation des redondances et augmentation de la durée de vie, permettent d'améliorer de manière considérable l'économie du satellite ravitaillé. Il convient de noter que l'on peut procéder au ravitaillement d'un satellite donné, soit en une seule intervention, auquel cas cette dernière doit avoir lieu avant que l'ergol initialement embarqué. ait été consommé, c'est-a-dire assez tôt dans la vie du satellite, soit en plusieurs interventions échelonnées au cours de sa vie, ce qui est plus onéreux et présente plus de risques. Il en résulte que la solution la plus avantageuse, donnée plus haut à titre d'exemple, réside dans une intervention de ravitaillemen unique. Comme la quantité d'ergol à transférer au cours du ravitaillement est plus élevée que la quantité initiale après mise à poste, l'utilisation des réservoirs ayant servis le moteur d'apogée biliquide est particulièrement avantageuse. Les études prouvent que l'amélioration de l'économie d'un satellite ravitaillé est d'autant plus grande que la quantité d'ergol transférée par ravitaillement est grande. Par ailleurs, avec un lanceur de performance donnée, et pour une durée de vie déterminée, le ravitaillement en orbite fournit une augmentation de charge utile disponible qui est modérée pour les courtes durées de vie, mais de plus en plus importante pour des durées de vie élevées (typiquement 22 % d'accroissement relatif pour une durée de vie de 7 ans, de 37 % pour 10 ans et de 49 % pour 12 ans, lorsque la quantité d'ergol initialement embarquée est suffisante pour 25 % de la durée de vie). Dans l'exemple donné plus haut, l'économie d'un satellite ravitaillé unique s'améliore, mais il est bien clair qu'un seul et même satellite ravitailleur peut être utilisé pour plusieurs satellites opérationnels. Etant donné que, comme déjà indiqué, l'économie de chaque satellite s'améliore d'autant plus que la masse d'ergol transférée augmente, mais que simultanément le.nombre de satellites qui peuvent être desservis par un satellite ravitailleur de masse donnée diminue, il en résulte que, pour un groupe de n satellites desservis, la quantité d'ergol à transférer à chacun de ces satellites desservis par le satellite ravitailleur se trouve déterminée et qu'il en est de même de l'écono- mie de chaque satellite, lorsque par exemple la quantité d'ergol transférée est la même pour chaque satellite desservi. Considérons, par exemple, un groupe de quelques satellites géostationnaires de 10 ans de durée de vie et de 1400 kg de masse après mise à poste, qui ont déjà été pris comme exemple ci-dessuso En l'absence de ravitaillement en orbite, sept de ces satellites seraient nécessaires pour avoir une charge utile totale de 4000 kg (7 x 571 kg) environ. Par contre, avec un ravitaillement conforme à l'invention à concurrence d'environ 303 kg d'ergol par satellite desservi, cinq satellites seulement seraient nécessaires pour emporter approximativement la même charge utile (5 x 798 kg). Dans ce premier cas, l'amélioration de l'économie du groupe de satellites résulte de la diminution du nombre de satellites nécessaires pour fournir un service donné. On notera que dans ce cas le satellite ravitailleur doit être plus lourd que les satellites ravitaillés, puisqu'il doit emporter au moins 1515 kg (5 x 303 kg) d'ergol à transférer. De même, en l'absence de ravitaillement en orbite, cinq de ces satellites fourniraient une charge utile totale d'environ 2855 kg (5 x 571 kg), alors qu'avec ravitaillement encore à concurrence d'environ 303 kg d'ergol par satellite desservi, les cinq satellites pourraient emporter une charge utile totale de 4000 kg (5 x 798 kg) environ. Dans ce dernier cas, l'économie résulte du fait que la plate-forme de satellite, dont le coût ne dépend pratiquement que de la masse du satellite, supporte une charge utile plus importante avec ravitaillement que sans. Pour que le ravitaillement soit rentable, il ne suffit pas d'augmenter l'économie des satellites ravitaillés, mais il faut que la somme des économies réalisées, par rapport au coût d'un système comparable de satellites sans ravitaillement, soit supérieure aux coûts supplémentaires entrai- nés par le ravitaillement, ce qui implique une bonne utilisation du satellite ravitailleur et fixe le nombre de satellites qui peuvent être ravitaillés. L'étude détaillée, tenant compte des coûts d'achat, de gestion, d'essais, d'opérations et de lancement des satellites ravitaillés et du satellite ravitailleur, montre que le ravitaillement devient rentable lorsque la durée de vie des satellites ravitaillés dépasse 6 à 8-ans et qu'un satellite ravitailleur de taille importante est utilisé. Par exemple, une amélioration de l'économie globale du système (c'est-à-dire un abaissement du cott d'un kilogramme de charge utile pendant un an, compte tenu des trais de ravitaillement) de l'ordre de 5 % à 7 % peut être très avantageusement obtenue grâce à un satellite ravitailleur d'une masse de 2100 kg après injection en orbite géostationnaire, lancé par ARIANE 4, ravitaillant à concurrence d'environ 290 kg d'ergol chacun, quatre satellites de 1400 kg de masse après mise à poste, et de 10 ans de durée de vie, lancés par ARIANE 3. Dans ce cas particulier, la durée de vie en orbite du satellite ravitailleur ne devrait pas dépasser l'année si les satellites à ravitailler sont lancés à neuf mois d'intervalle. L'étude détaillée montre aussi que le ravitaillement permet d'allonger la durée de vie optimale des satellites ravitaillés, ce qui améliore encore plus leur économie. Dans l'exemple ci-dessus, la durée de vie optimale, c'est-à-dire la durée de vie pour laquelle l'économie est la meilleure (et au-delà de laquelle l'influence de la diminution de la charge utile qui résulte de la nécessité d'embarquer plus d'ergol l'emporte sur l'augmentation de la longévitéX,--qui de 10,5 ans pour les satellites non ravitaillés, passe à 11,5 ans pour les satellites ravitaillés sans en changer le degré de redondance, et probablement plus en augmentant les redondances. REVENDICATIONS 10) - Dispositif de ravitaillement en ergol nécessaire pour le maintien à poste de satellites à propulsion chimique, caractérisé en ce que un ou plusieurs réservoirs de satellites sont remplis en orbite géostationnaire par un satellite ravitailleur auxiliaire dont la charge utile comporte au moins un réservoir d'ergol de ravitaillement. 20) - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le satellite ravitaillé et le satellite ravitailleur comprennent des moyens de rendez-vous, des moyens d'arrimage et des moyens de transfert d'ergols 30) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que un ou plusieurs réservoirs de satellites ravitaillés sont constitués par un ou plusieurs réservoirs d'un moteur d'apogée à propulsion liquide, vidés complètement ou partiellement par injection en orbite géostationnaire. 40) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de transfert d'ergol comprennent des moyens d'expulsion des réservoirs du satellite ravitailleur, des moyens de canalisation reliant Les deux s-tellites d naiière étanc'le après arrimage et, le cas échéant,des moyens de transfert de gaz de pressurisation. 50) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le ou les réservoirs d'ergol du satellite ravitailleur sont montés de manière amovible sur celui-ci et les satellites ravitaillés comprennent des moyens de fixation et de connexion correspondant à ce ou ces réservoirs. 60) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la charge utile du satellite ravitailleur ne comprend que le ou les réservoirs d'ergol. 70) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la plate-forme du satellite ravitailleur comporte, d'une part, un dispositif simplifié de contrôle d'attitude et d'orbite, de contrôle thermique, d'alimentation en puissance électrique et de télémesure/télécommande et poursuite et, d'autre part, un dispositif de rendez-vous et un dispositif d'arrimage adapté au dispositif d'arrimage du ou des satellites à ravitailler.