Brevet FR3024128A1 — publié le 20160129

PROCEDE DE MISE A POSTE D'UN SATELLITE ET DE TEST EN ORBITE DE SA CHARGE UTILE L'invention porte sur un procédé de mise à poste d'un satellite, incluant une étape de test en orbite de sa charge utile. L'invention s'applique en particulier aux satellites géostationnaires de télécommunications. Après leur lancement, les satellites de télécommunications doivent être positionnés sur leur orbite opérationnelle - souvent de type géostationnaire - et testés en orbite avant de pouvoir être livrés à l'opérateur de télécommunications qui les a commandés après une revue finale d'acceptation en orbite (10AR, de l'anglais « In-Orbit Acceptance Review »). De manière classique, on procède de la manière suivante. Tout d'abord, un lanceur injecte le satellite sur une orbite de transfert très elliptique et inclinée. Le transfert sur orbite géostationnaire (GEO) se fait par propulsion chimique : typiquement trois poussées de 1h chacune, sur 1 semaine. Les manoeuvres de transfert sont généralement effectués de telle sorte que le satellite parvient sur l'orbite GEO à une longitude différente de celle définitive, pour ne pas interférer avec les satellites opérationnels particulièrement dans le cas où le satellite à tester est destiné à remplacer, sans interruption du service, un satellite devant être décommissionné. Les tests en orbite (I0T, de l'anglais « In-Orbit Testing ») sont effectués dans ces conditions ; ils durent typiquement deux semaines. Puis, on fait dériver le satellite pour le repositionner à sa longitude définitive, ce qui prend encore quelques jours, voire une semaine ou plus. Au total, il faut compter entre trois semaines et plus d'un mois entre le lancement et l'IOAR. Il existe une tendance à remplacer, en totalité ou en partie, la propulsion chimique des satellites par une propulsion électrique, qui a la particularité de produire une poussée faible (de l'ordre de 1N ou moins) à impulsion spécifique élevée. Voir par exemple les documents US 5,595,360 et US 8,457,810. L'intérêt de cette approche est qu'elle permet une réduction significative de la masse du satellite, et donc du coût du lancement. Toutefois, elle entraine aussi un allongement considérable de la phase du transfert, qui 3024128 2 peut attendre entre 3 et 6 mois pour une propulsion entièrement électrique (à comparer avec une semaine environ en cas de propulsion chimique), ce à quoi il faudrait encore ajouter environ un mois pour les IOT et le repositionnement sur orbite GEO. 5 L'invention vise à réduire l'intervalle de temps séparant le lancement de l'IOAR d'un satellite géostationnaire portant une charge utile de télécommunications et utilisant, pour sa mise à poste, une propulsion électrique ou hybride chimique - électrique. Conformément à l'invention, ce but est atteint en modifiant la 10 phase de transfert du satellite de telle sorte que les IOT puissent être effectués au cours de cette phase, avant que le satellite atteigne l'orbite géostationnaire. La trajectoire de transfert modifiée n'est pas optimale (sa durée est augmentée de quelques jours par rapport à un cas optimal), mais cela permet d'effectuer les IOT « en temps masqué » et d'éviter la phase de 15 repositionnement. Un objet de l'invention est donc un procédé de mise à poste d'un satellite comprenant une phase de transfert, pendant laquelle ledit satellite se déplace sur une orbite elliptique géosynchrone, ladite orbite étant déformée de manière progressive par propulsion électrique ou hybride 20 électrique-chimique pour la rapprocher d'une orbite géostationnaire, caractérisé en ce que ladite étape de transfert comprend une sous-étape pendant laquelle, au cours d'une pluralité de révolutions du satellite, ladite poussée est arrêtée pendant une fraction de période orbitale et des tests d'une charge utile de télécommunications dudit satellite sont effectués en 25 absence de poussée. Le procédé peut, en particulier, comprendre les étapes suivantes : a) à l'aide d'un lanceur, injecter ledit satellite sur une orbite de transfert sub-géosynchrone, elliptique et inclinée par rapport à un plan 30 équatorial ; b) amener ledit satellite sur ladite orbite elliptique géosynchrone, inclinée par rapport audit plan équatorial ; et 3024128 3 c) par propulsion électrique ou hybride électrique-chimique, appliquer audit satellite une poussée - qu'on peut qualifier de « continue » adaptée pour rapprocher de manière progressive ladite orbite elliptique géosynchrone inclinée d'une orbite géostationnaire ; 5 et ladite étape c) peut comprendre ladite sous-étape c'), pendant laquelle, au cours d'une pluralité de révolutions du satellite, ladite poussée est arrêtée pendant une fraction de période orbitale et lesdits tests d'une charge utile de télécommunications dudit satellite sont effectués en absence de poussée. 10 Selon différents modes de réalisation d'un tel procédé : - Ladite orbite de transfert peut être une orbite de transfert géostationnaire. - Ladite étape b) peut comprendre l'application d'une poussée adaptée pour augmenter l'altitude de l'apogée et du périgée de 15 l'orbite dudit satellite. - Ladite orbite géosynchrone peut être elliptique avec son plus grand axe sur ledit plan équatorial et, au cours de ladite sous-étape c', lesdits tests de charge utile peuvent être effectués dans des fractions de période orbitale pendant lesquelles le satellite est le plus éloigné dudit plan 20 équatorial. - Au cours de ladite étape c), l'on peut appliquer audit satellite une poussée adaptée pour augmenter l'altitude de son périgée et abaisser celle de son apogée. - Au cours de ladite étape c), l'on peut appliquer audit 25 satellite une poussée adaptée pour diminuer progressivement l'inclinaison de son orbite par rapport audit plan équatorial. - Au cours de ladite sous-étape c', ledit satellite peut se déplace sur une orbite géosynchrone présentant une inclinaison d'au moins 5°, et de préférence comprise entre 5° et 20°, par rapport audit plan 30 équatorial. - Le procédé peut comprendre également l'étape suivante : d) positionner ledit satellite sur ladite orbite géostationnaire. 3024128 4 - Ledit satellite peut être un satellite de télécommunications à propulsion tout électrique ou à propulsion hybride chimique - électrique. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins 5 annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - La figure 1, certaines orbites de la trajectoire d'un satellite selon un mode de réalisation de l'invention, en vue polaire ; - La figure 2, les mêmes orbites, vue depuis un plan équatorial ; et 10 - La figure 3, l'orientation de la poussée d'un satellite pendant une portion d'orbite intermédiaire entre l'apogée et le périgée. Un lanceur (non représenté) injecte un satellite de télécommunications SAT sur une orbite de transfert OT, très elliptique et de préférence inclinée par rapport au plan équatorial EQ, typiquement avec une 15 inclinaison comprise entre 6° et 30°. Il peut s'agir, par exemple, d'une orbite de transfert géostationnaire (GTO) avec un périgée à une altitude de 290 km, un apogée à une altitude de 36.000 km et une inclinaison de 28°. Sur la figure 1, le satellite SAT parcourt son orbite dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. 20 Un ou plusieurs moteurs électriques, connus en soi, engendrent une poussée continue et de faible intensité, qui déforme l'orbite de manière progressive. Dans la suite, on entendra par poussée « continue » une poussée qui s'exerce sur au moins une, et généralement plusieurs, révolutions du satellite, et à chaque fois sur une fraction significative d'une 25 période orbitale, par exemple 50% ou plus et de préférence 75% ou plus (poussée continue « par intervalles »), par opposition à une poussée impulsionnelle qui s'exerce sur des durées très inférieures à une période orbitale. Dans une première phase du transfert, la poussée, identifiée 30 par la référence P sur la figure 1, est orientée de manière à augmenter l'altitude du périgée et de l'apogée, et par conséquent la période orbitale. Avantageusement, elle tend également à réduire l'inclinaison de l'orbite. La 3024128 5 figure 1 ne montre que la composante de la poussée dans le plan de l'orbite, responsable de l'augmentation d'altitude de l'apogée et du périgée ; la composante hors plan de la poussée, responsable de la réduction d'inclinaison, change de direction à chaque traversée du plan équatorial. 5 L'intensité de la poussée est typiquement comprise entre 0,25 N et 2 N, et notamment entre 0,5 N et 1 N. Au bout d'un certain temps, par exemple deux mois, l'orbite devient géosynchrone : sa période est de 24h, mais contrairement au cas d'une orbite géostationnaire elle est elliptique. De préférence, en outre, cette 10 orbite géosynchrone - indiquée par la référence GSO1 sur les figures 1 et 2 présente une inclinaison non négligeable (5° ou plus, typiquement entre 5° et 20°). De préférence, le plan de cette orbite croise le plan équatorial en correspondance de l'apogée et du périgée ; en d'autres termes, son plus grand axe gît dans le plan équatorial. Dans l'exemple illustré par les figures, la 15 trajectoire GS01 présente un apogée à 10.000 km et un périgée à 60.000 km d'altitude. Dans une deuxième phase du transfert, dont la durée peut être également d'environ deux mois, la propulsion électrique agit de façon à baisser l'apogée du satellite et à rehausser son périgée, de façon à rendre 2 0 l'orbite plus circulaire, tout en maintenant la durée de sa période égale à 24h ; de préférence, en outre, elle réduit l'inclinaison de l'orbite. A la fin du transfert, le satellite se trouve sur orbite géostationnaire, c'est-à-dire géosynchrone, circulaire et d'inclinaison nulle. Sur les figures, la référence GEO indique l'orbite géostationnaire et GSO2 une orbite géosynchrone obtenue à un stade 25 intermédiaire du transfert. Conformément à l'invention, les IOT sont effectués au cours de ladite deuxième phase de transfert, et plus particulièrement en correspondance d'une portion de l'orbite qui est intermédiaire entre l'apogée et le périgée (sur les figures, la référence « IOT » identifie la portion de l'orbite 30 GSO2 en correspondance de laquelle on effectue les tests). A cet endroit, le satellite est le plus éloigné du plan équatorial, ce qui permet de minimiser les interférences avec les satellites géostationnaires opérationnels. Pour que ces 3024128 6 interférences restent à un niveau acceptable, il est préférable que l'inclinaison de l'orbite soit supérieure ou égale à typiquement 5° ; généralement, il n'est pas utile que cette inclinaison dépasse 20°. Il est facile de se rendre compte qu'au cours de la deuxième 5 phase de transfert, la poussée - ou au moins sa projection sur le plan équatorial EQ - garde une orientation quasi constante dans un référentiel inertiel centré sur la Terre T. Parmi les deux points de l'orbite qui présentent la distance la plus élevée par rapport au plan équatorial, un correspond à une orientation de la poussée qui est approximativement dirigée en direction de la 10 Terre (voir la figure 3). Ce point sera choisi de manière préférentielle pour effectuer les IOT ; en effet, étant donné que les antennes de télécommunications ANT sont généralement disposées à l'opposée des tuyères TME des moteurs électriques, cette configuration minimise les manoeuvres de réorientation du satellite requises pour établir une liaison radio 15 avec le sol. En général, au cours des IOT il est nécessaire de pouvoir modifier finement l'orientation du satellite, par exemple pour effectuer un balayage permettant de caractériser le diagramme d'émission d'une antenne. Pour cette raison, il est préférable d'arrêter la propulsion au cours des 10T. 20 Cet arrêt peut durer, par exemple, trois heures pour chaque période orbitale de 24h, et a par effet d'augmenter la durée de la deuxième phase de transfert. On peut vérifier, toutefois, que les parties de l'orbite situées à mi-chemin entre l'apogée et le périgée qui, comme expliquées plus haut, sont les mieux adaptées aux 10T, sont aussi celles où la poussée et le moins efficace, et 25 donc où un arrêt temporaire de ladite poussée est le moins pénalisant. Conformément à l'art antérieur, les IOT comprennent à la fois des périodes de mesure et des périodes de préparation et d'analyse des tests. Les périodes de mesure durent environ 5h par jour, reparties sur deux roulements impliquant deux équipes travaillant en 2 fois huit heures (2x8) ; la 30 durée globale d'une campagne d'IOT est typiquement de deux semaines. Conformément à l'invention, par contre, les IOT sont effectués sur une période plus longue, mais moins d'heures par jour - par exemple 3h 3024128 7 de mesures consécutives par jour pendant un mois. Toutefois, ils se font « en temps masqué », pendant le transfert, ce qui permet au final de réduire le délai de mise en service du satellite. En outre, le fait que les IOT ne se déroulent que quelques heures consécutives par jour, et à des heures fixes, 5 permet de n'impliquer qu'une seule équipe de testeurs au lieu de deux, ce qui réduit les coûts. L'invention peut s'appliquer aussi bien au cas d'un satellite à propulsion tout électrique qu'à celui d'un satellite à propulsion hybride chimique - électrique. 10 15 REVENDICATIONS1. Procédé de mise à poste d'un satellite (SAT) comprenant une phase de transfert, pendant laquelle ledit satellite se déplace sur une 5 orbite elliptique géosynchrone (GS01, GSO2), ladite orbite étant déformée de manière progressive par propulsion électrique ou hybride électrique-chimique pour la rapprocher d'une orbite géostationnaire (GEO), caractérisé en ce que ladite étape de transfert comprend une sous-étape pendant laquelle, au cours d'une pluralité de révolutions du satellite, ladite poussée est arrêtée pendant 10 une fraction de période orbitale et des tests d'une charge utile de télécommunications dudit satellite sont effectués en absence de poussée. 2. Procédé selon la revendication 1 comprenant les étapes suivantes : 15 a) à l'aide d'un lanceur, injecter ledit satellite sur une orbite de transfert sub-géosynchrone (GTO), elliptique et inclinée par rapport à un plan équatorial (EQ) ; b) amener ledit satellite sur ladite orbite elliptique géosynchrone (GSO1), inclinée par rapport audit plan équatorial ; et 2 0 c) par propulsion électrique ou hybride électrique-chimique, appliquer audit satellite une poussée (P) adaptée pour rapprocher de manière progressive ladite orbite elliptique géosynchrone inclinée d'une orbite géostationnaire (GEO) ; dans lequel ladite étape c) comprend ladite sous-étape 25 c'), pendant laquelle, au cours d'une pluralité de révolutions du satellite, ladite poussée est arrêtée pendant une fraction de période orbitale et lesdits tests d'une charge utile de télécommunications dudit satellite sont effectués en absence de poussée. 30 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel ladite orbite de transfert est une orbite de transfert géostationnaire. 3024128 9 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel ladite étape b) comprend l'application d'une poussée adaptée pour augmenter l'altitude de l'apogée et du périgée de l'orbite dudit satellite. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4 dans lequel ladite orbite géosynchrone est elliptique avec son plus grand axe sur ledit plan équatorial et dans lequel, au cours de ladite sous-étape c', lesdits tests de charge utile sont effectués dans des fractions de période orbitale pendant lesquelles le satellite est le plus éloigné dudit plan équatorial. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dans lequel, au cours de ladite étape c), l'on applique audit satellite une poussée adaptée pour augmenter l'altitude de son périgée et abaisser celle de son apogée. 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 6 dans lequel, au cours de ladite étape c), l'on applique audit satellite une poussée adaptée pour diminuer progressivement l'inclinaison de son orbite par rapport audit plan équatorial. 8. Procédé selon l'une des revendications 2 à 7 dans lequel, au cours de ladite sous-étape c', ledit satellite se déplace sur une orbite géosynchrone présentant une inclinaison d'au moins 5° par rapport audit plan équatorial. 9. Procédé selon l'une des revendications 2 à 8 comprenant également l'étape suivante : d) positionner ledit satellite sur ladite orbite géostationnaire. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 30 dans lequel ledit satellite est un satellite de télécommunications à propulsion tout électrique ou à propulsion hybride chimique - électrique.