Brevet FR2896773A1 — publié le 20070803

PROCEDE DE PASSIVATION FLUIDIQUE D'UN SATELLITE EN FIN DE MISSION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé de passivation fluidique d'un satellite, par exemple géostationnaire, en fin de mission. Dans la suite, pour simplifier la description, on considère à titre d'exemple un satellite géostationnaire. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Depuis 1957, plus de 4 000 lancements de satellites ont eu pour conséquence l'existence d'un ensemble d'environ 13 000 objets localisables en orbite dans l'espace proche de la terre. Seulement 600 à 700 de ces objets sont des véhicules spatiaux opérationnels. Les autres sont des débris spatiaux, c'est-à-dire des objets qui n'ont plus aucune utilité. A peu près la moitié de ces objets localisables sont des fragments provenant d'explosions ou de dislocations de satellites ou de corps de lanceurs. Il y a aussi un très grand nombre d'objets en orbite qui ne peuvent être localisables du fait de leur petite taille. Il faut remarquer que, du fait de leur vitesse relative élevée en orbite, des débris spatiaux d'une taille centimétrique peuvent endommager sérieusement ou même détruire un véhicule spatial opérationnel. La réduction de tels débris spatiaux en fin de mission satellite est l'un des sujets étudié par le comité de coordination I. A. D. C. ( Inter-Agency Space Debris Coordination Commitee ). Une notion d'étape de mise au rebut a été introduite entre la fin de la mission d'un satellite et l'état définitif d'objet spatial non contrôlé. Pendant cette étape de mise au rebut, il est recommandé à l'opérateur de libérer l'orbite utilisée pendant la mission et de minimiser le potentiel de création de débris supplémentaires résultant de l'énergie emmagasinée : Toutes les sources d'énergie stockée à bord, telles que les ergols résiduels, les batteries, les éléments haute pression, les dispositifs auto destructifs et volants d'inertie doivent être passivés ou en bon état. Lorsqu'un satellite arrive en fin de mission, il doit donc être réorbité et ses réservoirs doivent être vidangés. Comme décrit dans le document référencé [1] en fin de description, une étape de la passivation fluidique consiste alors à diminuer au maximum la pression dans les réservoirs d'un satellite une fois que celui-ci a été réorbité sur une orbite cimetière située au dessus ou en dessous de l'orbite opérationnelle. Elle intervient généralement lorsque l'on détecte des bulles sortant des réservoirs. Une telle étape consiste à réaliser la vidange des réservoirs de leurs ergols résiduels puis du gas utilisé pour la pressurisation de ces réservoirs. Afin de réaliser une telle vidange, on ouvre les tuyères. Les forces ainsi générées peuvent être aléatoires du fait d'une absence de conditions nominales de fonctionnement, à savoir la présence de deux ergols nécessaires à une utilisation nominale de ces tuyères, ce qui a un impact sur la maîtrise du contrôle de l'attitude du satellite et sur l'orbite du satellite. Il y a un risque de modification importante de l'orbite et donc de retour vers l'orbite opérationnelle, ce qui est en contradiction avec les recommandations internationales. Il y a également un risque de perte du contrôle du satellite et donc de la maîtrise de fin du processus de vidange. La figure 1 schématise un exemple d'évolution de la position orbitale d'un satellite géostationnaire 10 maintenu à poste dans une zône 11 située à l'intérieur de la zône géostationnaire protégée 12 (inclinaison de l'orbite : i EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de passivation fluidique d'un satellite, par exemple géostationnaire, comprenant un système de détermination et de contrôle d'attitude, plusieurs tuyères, et au moins un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes programmées à l'avance et réalisées automatiquement : - au moins une étape de vidange contrôlée, durant laquelle ce système contrôle l'attitude du satellite tout en permettant la vidange du (des) réservoir(s), et qui est arrêtée automatiquement lorsque le contrôle du satellite commence à devenir divergent, par exemple en utilisant au moins un critère de dépointage par rapport à au moins une direction de référence, au moins une étape de vidange non contrôlée, durant laquelle plusieurs tuyères sont ouvertes en boucle ouverte sans aucun contrôle par ce système, et qui est arrêtée automatiquement lorsqu'un niveau de vidange déterminé est atteint, par exemple en utilisant au moins un critère de pression à l'intérieur du (des) réservoir(s), une étape d'extinction électrique du satellite. Dans un mode de réalisation avantageux on considère que : - le satellite commence à devenir divergent lorsque l'angle entre l'axe satellite-soleil et un axe 4 de référence d'un senseur solaire est supérieur à un seuil déterminé, par exemple 30 , le niveau de vidange déterminé est atteint lorsque la pression interne au(x) réservoir(s) est inférieure à une valeur déterminée, par exemple 2 bars. L'invention ainsi revendiquée permet d'enchaîner et programmer automatiquement au moins deux étapes de vidange, et de bénéficier ainsi des avantages de chaque type de vidange : - La (ou les) étape(s) de vidange contrôlée permet(tent) de commencer la passivation fluidique en maîtrisant l'effet résultant sur l'orbite du satellite et en gardant l'accès à celui-ci. - La (ou les) étape(s) de vidange non contrôlée permet(tent) de résoudre le problème de perte de contrôle possible du satellite durant la (ou les) étape(s) de vidange contrôlée. -L'enchaînement de ces deux types de vidanges permet de poursuivre au maximum la réalisation de la passivation fluidique, même en cas de perte de contrôle du satellite. - La programmation automatique des débuts et fins des étapes de vidange contrôlée ou non contrôlée ainsi que du début de l'étage d'extinction électrique permet de résoudre le problème de maîtrise de la chronologie complète de la passivation même en cas de perte d'accès télécommande.30 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un exemple d'évolution orbitale d'un satellite géostationnaire en fin de mission. La figure 2 illustre schématiquement un exemple d'implantation des automatismes à bord d'un satellite géostationnaire. La figure 3 illustre la succession des étapes du procédé de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention concerne un procédé de passivation fluidique d'un satellite géostationnaire en fin de mission. Ce procédé comporte successivement 15 plusieurs étapes programmées à l'avance et réalisées automatiquement : au moins une étape de vidange contrôlée permettant au système de détermination et contrôle d'attitude du satellite de continuer à 20 contrôler l'attitude de celui-ci, tout en réalisant une vidange de ses réservoirs ; ce qui permet d'avoir une attitude connue du satellite et donc de maîtriser les effets de cette au moins une étape de vidange, de continuer à suivre le satellite et de pouvoir à tout 25 moment reprendre la main sur ce qui se passe à bord du satellite, au moins une étape de vidange non contrôlée , permettant l'ouverture d'un certain nombre de tuyères en boucle ouverte sans aucun contrôle exercé 30 par le système de détermination et contrôle d'attitude 10 du satellite ; ce qui permet de continuer à vidanger les réservoirs, même en cas d'incapacité du système de contrôle d'attitude à maîtriser les perturbations sur le satellite, une étape d'extinction électrique du satellite. Le mode dit contrôlé est déjà utilisé par certains opérateurs, par exemple en gardant le satellite dans une attitude pointée vers la terre ou vers le soleil. L'inconvénient de ce mode réside dans sa robustesse face à des fonctionnements hors plage de qualification des tuyères lorsque des bulles arrivent à leur niveau : ces bulles peuvent générer des poussées erratiques, pouvant entraîner une perte du contrôle du satellite. Il est difficile de garantir à l'avance par des études que le système est robuste à un tel phénomène, compte tenu de la complexité de la modélisation du déplacement des bulles dans le sous-système propulsif et de leurs effets sur les tuyères. Il se révèle donc impossible de réaliser alors la vidange des réservoirs, ou d'envoyer des ordres au satellite, notamment pour l'éteindre définitivement, tel que l'exige les recommandations internationales. Le mode dit non contrôlé a pour inconvénient majeur le fait que l'attitude du satellite devient aléatoire et donc non contrôlée, ce qui rend plus difficile la modélisation et la maîtrise des effets générés sur l'orbite de ce satellite, ceux-ci pouvant conduire à une perte d'altitude plus importante qu'en mode contrôlé. De plus, l'accès télécommande/télémesure du satellite n'est pas garanti : la maîtrise du contrôle notamment en durée de ce type de vidange n'est donc pas certain. L'intérêt du procédé de l'invention est d'enchaîner et de programmer automatiquement ces deux modes de vidange, afin d'utiliser les avantages de chacun de ces modes tout en s'affranchissant d'inconvénients inhérents à chacun de ceux-ci. L'utilisation de la vidange contrôlée permet de commencer la passivation fluidique en maîtrisant l'effet sur l'orbite et en gardant l'accès au satellite, aspects que ne garantit pas la vidange non contrôlée. L'utilisation de la vidange non contrôlée permet de résoudre le problème de perte de contrôle possible en vidange contrôlée. L'enchaînement des deux modes permet ainsi de poursuivre au maximum la réalisation de la passivation fluidique, même en cas de perte de contrôle. La programmation automatique des débuts et fins de phases de vidange ainsi que du début de la passivation électrique permet de résoudre le problème de maîtrise de la chronologie complète de la passivation même en cas de perte d'accès télécommande. Cet enchaînement repose alors sur l'utilisation d'automatismes bord permettant: - A l'opérateur : • de programmer à l'avance depuis le sol un certain nombre d'étapes de vidange contrôlée, • de programmer à l'avance depuis le sol un certain nombre d'étapes de vidange non contrôlé, • de programmer à l'avance depuis le sol l'extinction électrique du satellite, - Au satellite : • de réaliser automatiquement les programmations réalisées par l'opérateur (étapes de vidange contrôlée, étapes de vidange non contrôlée et étape d'extinction électrique), • d'arrêter automatiquement une étape de vidange contrôlée lorsque le contrôle du satellite commence à devenir divergent, en utilisant des critères de dépointage par rapport à au moins une direction de référence : par exemple lorsque l'angle entre l'axe satellite-soleil et l'axe de référence d'un senseur solaire est supérieur à 30 , • d'arrêter automatiquement une étape de vidange non contrôlée lorsque le niveau de vidange souhaité est atteint, en utilisant au moins un critère de pression à l'intérieur des réservoirs : par exemple lorsque la pression interne aux réservoirs est inférieure à 2 bars, Comme illustré sur la figure 2, les automatismes bord utilisés, par ailleurs utilisés pour d'autres objectifs tout au long de la vie du satellite, sont de trois types : • le logiciel bord situé dans une zône 21 de la mémoire bord 20 : logiciel de vol permettant la détermination et le contrôle de l'attitude, qui est modifié depuis le sol afin de permettre les évolutions nécessaires du satellite par rapport aux modes standards utilisés pendant sa mission, • des programmes d'application, situés dans une zône 22 : programmes automatiques téléchargeables depuis le sol, qui utilisent sous forme de modules des logiques d'enchaînement d'actions sur le satellite à partir de conditions sur des états de télémesures du satellite, • une pile de télécommandes datées situées dans une zône 23 : ordres de télécommandes stockés à bord en attendant leur exécution à une heure donnée. Ces télécommandes 25 sont envoyées depuis le sol à l'avance en association avec leur date d'exécution. Sur cette figure 2 sont également représentés les équipements (tuyères...)28 du satellite 10 ainsi que les ordres 29 et télémesures 30 échangés entre ces équipements 28 et les différentes zones 21, 22 et 23 de la mémoire 20. L'invention permet donc à l'opérateur, en fonction de l'état atteint en fin de réorbitation (altitude atteinte, état du satellite) de définir une programmation complète de la passivation fluidique du satellite. Cette programmation correspond à l'envoi d'un certain nombre d'ordres 26 au niveau de la pile télécommandes datées, ces ordres permettant de définir: • l'heure de début et l'heure de fin d'au moins une étape de vidange contrôlée, • les caractéristiques de chacune de ces étapes de vidange contrôlée, comme par exemple le débit contrôlé de vidange ou l'intensité estimée des forces au niveau des tuyères, • l'heure de début et l'heure de fin d'au moins une phase de vidange non contrôlée, • les caractéristiques de chacune de ces phases de vidange non contrôlée, comme par exemple le débit contrôlé de la vidange ou l'intensité estimée des forces au niveau des tuyères, • l'heure de début de l'extinction électrique du satellite. Ces ordres déclenchent alors les autres automatismes bord, que ce soit des boucles du logiciel bord ou bien des modules des programmes d'application. Cette programmation permet ainsi : • de maîtriser les heures et durées d'ouverture des tuyères et donc les effets sur l'orbite du satellite. Une stratégie optimale, définie lors d'une analyse mission préliminaire, peut donc être mise en oeuvre, • d'adapter au dernier moment la stratégie de vidange à l'état atteint en fin de réorbitation. Par exemple, dans le cas où l'altitude atteinte est proche de l'orbite géostationnaire, l'opérateur peut programmer une passivation partielle, lui garantissant que le satellite ne va pas redescendre dans la zone interdite, • de garantir la poursuite de la vidange, 20 même jusqu'à la limite fixée initialement, même si on perd le contrôle du satellite, • de garantir l'extinction finale du satellite et donc de répondre à une des autres exigences des recommandations internationales. 25 Comme illustré sur la figure 3, l'enchaînement des activités de préparation depuis le sol 41 puis la logique d'enchaînement automatique des opérations à bord 42 comprend les étapes suivantes : - dernière manoeuvre de réorbitation du 30 satellite (étape 31), chargement à bord des automatismes (logiciel + programmes d'application (étape 32), - chargement à bord de la programmation une fois que celle-ci a été calculée (étape 33), - test 34 de comparaison du temps courant t au temps t1 de début de vidange contrôlée et au temps t2 de fin de vidange contrôlée, - étape de vidange contrôlée 35, - test 36 de vérification de bon contrôle du satellite, - test 37 de comparaison du temps courant t au temps t3 de début de vidange non contrôlée et au temps t4 de fin de vidange non contrôlée, - étape de vidange non contrôlée 38, - test 39 de comparaison de la pression P à une pression P cible, - étape d'extinction électrique 40. Exemple de mise en oeuvre de l'invention sur le satellite Dans le cadre de la préparation du retrait de service de satellites en fin de mission, par exemple de satellites de type Telecom 2 utilisant une plateforme de type Eurostar 2000, une stratégie envisagée est une passivation fluidique en mode pointé vers le soleil. Cette stratégie est basée sur l'utilisation de deux modes spécifiquement développés : • un mode contrôlé de vidange en gardant un 30 axe satellite pointé vers le soleil : une partie des tuyères effectuent le contrôle du satellite sur cet axe en utilisant les informations données par un senseur solaire et une tuyère est utilisée en parallèle pour vidanger les ergols, sachant qu'en cas de dépointage par rapport à cet axe de contrôle, la vidange voire le contrôle (dépointage plus fort) sont arrêtés, • un mode non contrôlé de vidange : six des douze tuyères du satellite sont alors ouvertes afin de minimiser les forces générées et donc limiter l'effet sur l'orbite du satellite. Les automatismes bord alors utilisés et spécifiquement développés sont les suivants : • Des reprogrammations partielles du logiciel bord permettent de vidanger dans un mode pointé vers le soleil et de contrôler le dépointage du satellite. • Un programme d'application spécifique permet de vidanger dans un mode non contrôlé. • Un programme d'application spécifique permet de faire l'extinction du satellite. • La pile de télécommandes datées permet de programmer les périodes de vidange contrôlée, le passage dans le mode non contrôlé, les périodes de vidange non contrôlée et l'extinction automatique du satellite. Exemple de mise en oeuvre opérationnelle de l'invention Dans un exemple de contexte de passage en phase de passivation fluidique : 25 • L'étape de réorbitation amène le satellite à une altitude de 330 km au dessus de l'orbite géostationnaire. • L'opérateur se fixe, afin de respecter les recommandations internationales, de ne pas redescendre au-dessous de 310 km. • L'analyse mission préliminaire montre que dans le cas optimal la passivation totale du satellite correspond à une perte pire cas de 40 kms en mode contrôlé, à condition de réaliser deux étapes de vidange de durée 2 heures à 6 heures et 2 heures à 18 heures. • L'analyse mission préliminaire montre que dans le cas optimal la passivation totale du satellite correspond à une perte pire cas de 60 kms en mode non contrôlé, à condition de réaliser deux étapes de vidange de durée 3 heures et distantes de 9 heures. • Les analyses de risque de perte du contrôle du satellite montrent que le risque est surtout présent pendant la première 1/2 heure de vidange. • L'opérateur définit alors la stratégie de programmer deux étapes de vidange contrôlée, d'une durée de 1 heure chacune et de programmer deux étapes de vidange non contrôlée d'une durée de 1 heure chacune. • Avec une telle stratégie, si le contrôle est conservé, on a donc au pire cas perdu 20 kms pour un taux de réalisation de 50% et si le contrôle est perdu (donc au pire au bout d' 1/2 heure), on a alors perdu 5 kms pendant la vidange contrôlée puis 15 kms pendant la vidange non contrôlée, avec un taux de réalisation de 58%. • Avec une telle stratégie, on garantit donc l'altitude minimale de 310 km, tout en maximisant le taux de réalisation, même en cas de perte du contrôle du satellite. La mise en oeuvre de l'invention se traduit alors par la programmation des ordres suivants : • jour JO, 6 heures . commencer vidange contrôlée , • jour JO, 7 heures arrêter vidange • jour JO, 18 heures : commencer vidange • jour JO, 19 heures arrêter vidange • jour JO, 20 heures : commencer vidange non contrôlée , 20 • jour JO, 21 heures : arrêter vidange non contrôlée , • jour JO + 1 jour, 5 heures : commencer vidange non contrôlée , • jour JO + 1 jour, 6 heures arrêter 25 vidange non contrôlée , • jour JO + 1 jour, 7 heures : éteindre le satellite . contrôlée , 15 contrôlée , contrôlée , REFERENCES [1] Tank passivation of geostationary satellites de Bertrand RAFFIER (Proceedings of the 5 fourth European Conference on space Debris, Darmstadt, Germany, 18-20 avril 2005, SP 587, pages 379-384) REVENDICATIONS 1. Procédé de passivation fluidique d'un satellite en fin de mission comprenant un système de détermination et de contrôle d'attitude, plusieurs tuyères, et au moins un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes programmées à l'avance et réalisées automatiquement : - au moins une étape de vidange contrôlée (35), durant laquelle ce système contrôle l'attitude du satellite tout en permettant la vidange du (des) réservoir(s), et qui est arrêtée automatiquement lorsque le contrôle du satellite commence à devenir divergent, au moins une étape de vidange non contrôlée (38), durant laquelle plusieurs tuyères sont ouvertes en boucle ouverte sans aucun contrôle par ce système, et qui est arrêtée automatiquement lorsqu'un niveau de vidange déterminé est atteint, - une étape d'extinction électrique du satellite (40). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour savoir si le satellite commence à devenir divergent, on utilise au moins un critère de dépointage par rapport à au moins une direction de référence. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le satellite commence à devenir divergent lorsque l'angle entre l'axe satellite-soleil et un axede référence d'un senseur solaire est supérieur à un seuil déterminé. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel pour savoir si le niveau de vidange déterminé est atteint, on utilise au moins un critère de pression à l'intérieur du (des) réservoir(s). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le niveau de vidange déterminé est atteint lorsque la pression interne au(x) réservoir(s) est inférieure à une valeur déterminée. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le satellite est un satellite géostationnaire.