Brevet FR3123892A1 — publié le 20221216

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de désorbitation de satellites artificiels de l'orbite terrestre, le satellite artificiel comprenant une isolation multicouche. Dans le cadre de l'invention, il est proposé qu'au moins une couche de l'isolation multicouche soit détachée, au moins partiellement, du satellite artificiel. Le détachement de la couche expose aux influences de l'environnement la structure du satellite située dessous. Cela accélère l'autodésintégration du satellite artificiel, réduit ainsi sa masse et augmente son coefficient balistique. L'écartement de la couche augmente la surface de sa section transversale et entraîne une rentrée prématurée dans l'atmosphère terrestre par réduction de l'énergie. Plusieurs couches peuvent être disposées de manière à ce que, indépendamment de la rotation du satellite, il y ait toujours au moins une surface orientée à l’encontre l'écoulement aérodynamique. Procédé et dispositif pour désorbiter un satellite artificiel de l'orbite terrestre La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour désorbiter un satellite artificiel de l'orbite terrestre, le satellite artificiel comprenant une isolation multicouche. Les isolations multicouches sont utilisées pour l'isolation thermique de presque tous les satellites artificiels. Ils recouvrent l'extérieur des satellites afin de les protéger, ainsi que leurs sous-systèmes, des influences de l'environnement en orbite. Ils se composent de plusieurs épaisseurs de fines couches en matière plastique réfléchissantes et revêtues de métal qui sont séparées par des matériaux de remplissage peu conducteurs ou isolants. Pour les satellites terrestres, 15 à 20 couches sont généralement utilisées (Flegel, S. K., Gelhaus, J., Möckel, M., Wiedemann, C., Krag, H., Klinkrad, H., & Vörsmann, P. (2011). Multi-layer insulation model for MASTER2009. Germany : Elsevier). Ces couches peuvent avoir une épaisseur totale de 5 à 12 mm. De tels revêtements sont par exemple connus de Gabryel, W., Hoidn, W., & Wolf, J. (2016). Alternative Bonding Methods for MLI blankets, 46th International Conference on Environmental Systems (p. 121). Austria: ICES et Finckenor, M., & Dooling, D. (1999). Multilayer Insulation Material Guidelines. Alabama: NASA Marshall Space Flight. Il y a 34 000 objets d'une taille supérieure à 10 cm, 900 000 objets d'une taille supérieure à 1 cm et 128 millions d'objets d'une taille supérieure à 1 mm en orbite terrestre basse (LEO). Ces objets se déplacent à des vitesses supérieures à 11 km/s. 26 600 de ces objets ont été identifiés selon l'ESA (ESA Space Debris Office, 2020). Chaque lancement de satellite ajoute au moins deux objets, qui peuvent ensuite se diviser en de nombreux objets plus petits. L'un au moment du lancement du satellite, sous la forme du dernier étage de la fusée, et l'autre en fin de vie du satellite, à savoir le satellite sans fonction lui-même. Depuis l'avènement de la nouvelle ère spatiale avec des petits satellites, le nombre de lancements de satellites a augmenté de manière exponentielle. Au cours de la période 2014-2019, le nombre de lancements de satellites en orbite basse est passé de 2 à 3 satellites par semaine à 13 à 14 satellites par semaine (Euroconsult, 2019). En 2020, 1 000 petits satellites de moins de 500 kg ont été lancés. Cela correspond à une moyenne de 20 satellites par semaine. Ce plus grand nombre de satellites en orbite a pour conséquence une augmentation du risque de collisions. Ces collisions peuvent entraîner l'introduction incontrôlée dans l'orbite terrestre de débris formant des objets supplémentaires. Ces débris peuvent à leur tour provoquer des collisions et générer d'autres débris par un effet de cascade. Cet effet est également connu sous le nom de syndrome de Kessler. L'ensemble des objets sans fonction en orbite terrestre est également appelé débris spatiaux. La menace des débris spatiaux ne cesse d'augmenter en raison du lancement de plusieurs constellations multisatellites, notamment en orbite terrestre basse. Afin de garantir un accès sûr à l'espace à l'avenir, l'ONU a introduit des directives visant à réduire les débris spatiaux pour tous les lancements. La norme ISO-24113 vise à garantir un accès sûr à l'espace. Selon cette norme, tout satellite ou objet non fonctionnel en orbite terrestre basse doit entrer dans l'atmosphère terrestre ou être placé sur une orbite cimetière dans les 25 ans de sa durée de vie. Des dispositifs et procédés de désorbitation des satellites artificiels sont connus. On connaît des dispositifs actifs de désorbitation des débris spatiaux. Dans ces dispositifs, les débris spatiaux sont collectés par un satellite lancé en plus, puis brûlés dans l'atmosphère avec le satellite. La collecte peut se faire par exemple à l'aide de bras robotisés, de filets ou de harpons. Des cibles spéciales peuvent être fixées sur les satellites artificiels avant leur lancement afin de faciliter la collecte ultérieure. L'inconvénient des dispositifs actifs est qu'ils nécessitent des lancements supplémentaires. Outre les dispositifs actifs de désorbitation, on connaît également des dispositifs passifs de désorbitation. On connaît des dispositifs de désorbitation passifs sous la forme de dispositifs de traine. Dans ces dispositifs de désorbitation, l'augmentation de la surface du satellite permet d'obtenir un plus grand effet de freinage par les résidus atmosphériques dans l'orbite terrestre proche. L'effet de freinage accélère la rentrée des satellites dans l'atmosphère. Le dispositif de traine peut par exemple se présenter sous la forme d'une voile de traine ou d'une flèche déployable. Ce dispositif de traine est déclenché en fin de vie du satellite. Il est connu d'utiliser des câbles électromagnétiques pour désorbiter les satellites. Cette technologie utilise un câble conducteur pour générer une force électromagnétique lorsque le câble électromagnétique se déplace par rapport au champ magnétique terrestre. L'inconvénient des dispositifs connus est que ce poids supplémentaire doit être placé en orbite terrestre avec le satellite, ce qui augmente le coût du lancement de la fusée. En outre, il existe des restrictions quant à l'applicabilité aux petits satellites en raison des forces limitées pouvant être atteintes. La présente invention a pour objectif d'optimiser la désorbitation ciblée de satellites. Cet objectif est atteint avec un procédé pour désorbiter des satellites artificiels de l'orbite terrestre par le fait qu'au moins une couche de l'isolation multicouche, de préférence plusieurs couches, de manière particulièrement privilégiée toutes les couches, sont détachées au moins partiellement du satellite artificiel. Les satellites artificiels sont par exemple des fusées, des étages de fusées, des satellites de surveillance, d'information ou de communication ou des fragments de fusées. Le détachement au moins partiel des couches du satellite artificiel permet de l'exposer de manière ciblée, c'est-à-dire à un moment souhaité, aux influences de l'environnement en orbite. Le détachement partiel des couches permet d'enlever au moins partiellement les couches de protection du satellite contre les influences de l'environnement. Le satellite désormais sans protection est décomposé par les radicaux d'oxygène, les rayons ultraviolets et les fortes variations de température. Par exemple, le matériau du satellite artificiel se décompose en CO 2 , H 2 O et différents oxydes métalliques. Cette dégradation du matériau déclenche l'autodésintégration du satellite dès qu'il perd sa fonction ou sa liaison avec la Terre. Un mode de réalisation préféré de l'invention consiste en ce que le détachement d'au moins une couche intervient en fin de vie du satellite artificiel. De façon avantageuse, le satellite reste protégé des influences de l'environnement pendant sa durée de vie fonctionnelle. Lorsque le satellite atteint la fin de sa durée de vie fonctionnelle, par exemple en raison d'un défaut ou d'un arrêt programmé, l'autodésintégration peut être déclenchée de manière contrôlée. Le déclenchement peut être provoqué par un signal envoyé activement au satellite. Le déclenchement peut également être automatique, par exemple lorsqu'un certain temps de fonctionnement est atteint ou en cas de perte de contact avec un centre de contrôle. Il est utile à cet effet qu'au moins une couche de l'isolation multicouche soit au moins partiellement pelée. Par « pelage », on entend que la couche est retirée de telle sorte que des parties du satellite artificiel sont libérées des couches de protection de l'isolation multicouche et sont ainsi exposées aux influences de l'environnement. La couche n'est pas séparée du satellite, mais retirée d'une partie de la structure du satellite, par exemple par enroulement. Un autre mode de réalisation de l'invention consiste à écarter au moins une couche de l'isolation multicouche à la manière d’un volet. De façon avantageuse, le procédé permet d'utiliser des parties déjà présentes sur le satellite. Aucune membrane supplémentaire n'est nécessaire pour augmenter la surface du satellite artificiel. L'écartement de la couche augmente la surface de la section transversale du satellite artificiel. L'augmentation de la surface de la section transversale ralentit davantage le satellite artificiel, ce qui entraîne la désorbitation du satellite artificiel. La surface de la section transversale peut être augmentée en étendant la couche à la manière d'un volet. On écarte de préférence de grandes parties plates des couches. L'effet de freinage correspond alors à peu près à celui d'une voile tendue. Avantageusement, aucune membrane supplémentaire n'est nécessaire pour augmenter la surface de la section transversale. L'écartement permet de dégager des parties du satellite artificiel des couches protectrices de l'isolation multicouche et de les exposer ainsi aux influences de l'environnement. Avantageusement, l'autodésintégration du satellite artificiel est accélérée. Il est préférable d’orienter plusieurs couches écartées de telle sorte que, quelle que soit la position du satellite, il y a toujours au moins une surface orientée à l’encontre de l'écoulement aérodynamique. De façon alternative, des couches individuelles et/ou des parties d'une couche peuvent être pelées et/ou écartées. L’objectif est également atteint avec un dispositif de désorbitation de satellites artificiels de l'orbite terrestre en prévoyant des moyens pour détacher au moins partiellement au moins une couche de l'isolation multicouche du satellite artificiel. Un mode de réalisation d'un tel dispositif consiste en ce que le dispositif est disposé sous une isolation multicouche d'un satellite et comprend un élément ressort, un élément chauffant et un agent adhésif. Le dispositif est placé sous l'isolation multicouche. L'élément chauffant peut alors être conçu sous la forme d’un chauffage à couche mince. Il peut être imprimé sur des films minces de polyimide ou d'autres matériaux adaptés aux applications spatiales. Selon les besoins, il peut être imprimé dans n'importe quelle forme et taille. Un tel chauffage à couche mince est par exemple décrit dans le document WO 2005/051042 A1. Dans ce cas, le chauffage à couche mince est constitué de trois couches minces de faible épaisseur, par exemple L’agent adhésif lie au moins une couche de l'isolation multicouche du satellite artificiel à la structure du satellite. Il peut s'agir d'un adhésif détachable par la chaleur. Pendant la période durant laquelle le satellite exécute sa mission, l'élément chauffant reste inactif. Dès que le satellite perd sa capacité de fonctionnement, par exemple en raison de la perte de contact radio avec le sol ou d'une collision avec des débris spatiaux, l'élément chauffant est automatiquement connecté aux panneaux solaires ou à la source d'énergie principale du satellite. La chaleur générée par l'élément chauffant doit être telle qu'elle est capable, par l'apport d'énergie, de faire fondre le l’agent adhésif. La couche de l’isolation multicouche, qui était auparavant liée à la structure du satellite par le l’agent adhésif, se détache de la structure du satellite. La couche est séparée de la structure satellite par l'élément ressort. La structure du satellite est ainsi au moins partiellement dégagée de l'isolation multicouche protectrice. Le satellite est maintenant exposé aux influences de l'environnement. Les influences de l’environnement accélèrent l'autodésintégration du satellite artificiel. Il est avantageux de déclencher le processus décrit lorsque le satellite se trouve en dehors de l'ombre de la Terre, de sorte que le rayonnement solaire peut être utilisé à la fois pour produire de l'énergie et pour renforcer thermiquement le processus de détachement. Il fait partie de l'invention que l'élément ressort soit un ressort plat. Le ressort plat fonctionne de manière similaire à un bracelet à réglage automatique pour enfants. Après l'activation du dispositif et le détachement d'au moins une couche de l'isolation multicouche de la structure satellite, la couche est enroulée par le ressort plat. De façon avantageuse, la structure satellite située sous la couche est alors exposée aux influences de l'environnement. Le ressort plat est particulièrement adapté pour détacher la couche de l'isolation multicouche de parties non planes de la surface du satellite. Enfin, il est conforme à l’invention que l'élément ressort soit un ressort de torsion. Le ressort de torsion permet d'écarter la couche de l'isolation multicouche de la surface du satellite, à la manière d'un volet. Cet écartement permet d'augmenter la surface de la section transversale du satellite artificiel. Les grandes parties plates de l'isolation multicouche conviennent particulièrement bien à l'écartement. De façon avantageuse, il n'est pas nécessaire d'utiliser une membrane supplémentaire. Au contraire, l'isolation multicouche déjà appliquée sur le satellite sert à augmenter l'effet de freinage. De façon avantageuse, le satellite artificiel est freiné par l'effet de freinage accru jusqu'à ce qu'il se consume dans l'atmosphère terrestre. Il est également possible d'utiliser une combinaison de ressorts plats et de ressorts de torsion. Celle-ci peut être adaptée en fonction de la géométrie du satellite artificiel. Un exemple de réalisation de l'invention est expliqué plus en détail ci-après à l'aide de dessins. Les figures montrent : un satellite selon l'invention pendant la phase d'utilisation, un satellite selon l'invention après la phase d'utilisation dans un premier mode de réalisation, un satellite selon l'invention après la phase d'utilisation dans un deuxième mode de réalisation, un dispositif de désorbitation selon l'invention à l'état non activé, un mécanisme de déploiement selon l'invention à l'état non activé, un satellite selon l'invention après la phase d'utilisation avec un premier mécanisme activé, un satellite selon l'invention après la phase d'utilisation avec un deuxième mécanisme activé. La montre un satellite (1) selon l'invention pendant la phase d'utilisation. Le dispositif de désorbitation (2) est dissimulé sous l'isolation multicouche (3). En phase d'utilisation, l'isolation multicouche (3) protège la structure et la charge du satellite contre les influences de l'environnement, notamment les radiations et les changements de température. Le dispositif de désorbitation (2) selon l'invention modifie, après la phase d'utilisation du satellite (1), l'isolation multicouche (3) afin d'augmenter la surface du satellite (1). Cela peut se faire par pelage de l'isolation multicouche (3) au moyen d'un mécanisme de pelage ou par déploiement de l'isolation multicouche (3) au moyen d'un mécanisme de déploiement. La montre un satellite (1) selon l'invention après la phase d'utilisation avec le dispositif de désorbitation activé, qui est ici un mécanisme de pelage (4). Lors de l'activation du mécanisme de pelage (4), l'isolation multicouche (3) est enroulée et reste sur le satellite (1) qui est exposé aux radiations spatiales, ce qui amorce la décomposition de la structure du satellite, une réduction de la masse et finalement la désorbitation. La montre un satellite (1) selon l'invention après la phase d'utilisation avec un dispositif de désorbitation activé qui comprend un mécanisme de déploiement (5). Après le pelage de l'isolation multicouche (3), celle-ci est sortie à la manière d’un volet à l'aide du mécanisme de déploiement (5) et augmente ainsi significativement la surface de la section transversale du satellite (1), ce qui le ralentit fortement. La montre en détail un mécanisme de pelage (4) selon l'invention à l'état non activé, composé d'un élément chauffant (6) conçu comme un élément chauffant à couche mince, d'un ressort plat (7) intégré dans l'isolation multicouche (3) et d'un agent adhésif (8). La montre en détail un mécanisme de déploiement (5) selon l'invention à l'état non activé, composé d'un élément chauffant (6) conçu comme un élément chauffant à couche mince, d'un agent adhésif (8) et d'un ressort de torsion (9) précontraint dans l'isolation multicouche (3). La montre un satellite (1) selon l'invention après la phase d'utilisation avec un mécanisme activé après la phase d'utilisation, composé de l'élément chauffant à couche mince (6), du de l’agent adhésif (8) et du ressort de torsion (9), et dans lequel l'isolation multicouche (3) est sortie à la manière d’un volet par la force de tension du ressort de torsion (9). La montre un satellite (1) selon l'invention après la phase d'utilisation avec un mécanisme de pelage activé après la phase d'utilisation et composé du ressort plat (7), et dans lequel l'isolation multicouche (3) est enroulée par la force de tension du ressort plat (7). Procédé pour désorbiter des satellites artificiels (1) de l'orbite terrestre, le satellite artificiel (1) comprenant une isolation multicouche (3), caractérisé en ce qu 'au moins une couche de l'isolation multicouche (3) est détachée au moins partiellement du satellite artificiel (1). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détachement d'au moins une couche intervient en fin de vie du satellite artificiel (1). Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu 'au moins une couche de l'isolation multicouche (3) est au moins partiellement pelée. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu 'au moins une couche de l'isolation multicouche (3) est écartée à la manière d’un volet. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs couches écartées sont orientées de telle sorte que, quelle que soit la position du satellite (1), il y a toujours au moins une surface orientée à l’encontre de l'écoulement aérodynamique. Dispositif pour désorbiter des satellites artificiels de l'orbite terrestre selon un procédé conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens (6, 7, 8, 9) sont prévus pour détacher au moins partiellement au moins une couche de l'isolation multicouche (3) du satellite artificiel. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif est disposé sous l'isolation multicouche (3) d'un satellite et comprend un élément ressort (7, 9), un élément chauffant (6) et un agent adhésif (8). Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément ressort est un ressort plat (7). Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément ressort est un ressort de torsion (9).