# Les contraintes du milieu spatial/Des contraintes électrostatiques et magnétiques

Les contraintes électrostatiques sont en d'autres termes les contraintes dues aux différentes radiations venant au contact du satellite. Ces contraintes se font sentir jusque loin dans l'espace, puisqu'en 2003, la sonde Mars Odyssey de la NASA a perdu un de ses instruments après avoir reçu de fortes doses de radiation provenant du Soleil.

## Qu'est-ce qu'une radiation ?

Une radiation est un champ d'énergie qui se déplace à des vitesses très élevées, de l'ordre de 100 à 300 000 km/s. Ce champ d'énergie est composé de particules (électrons) et d'ondes électromagnétiques. Les radiations rencontrées dans l'espace sont dites ionisantes, c'est-à-dire que leur énergie est suffisante pour libérer des électrons des atomes qu'ils rencontrent. Il y a, dans l'espace, trois sources majeures de rayonnements :
* Le rayonnement piégé (ions et électrons capturés par le champ magnétique d'une planète) ;
* Le rayonnement cosmique galactique (GCR, constitué de particules très énergétiques éjectées par les gigantesques explosions de supernovæ, étoiles massives parvenues en fin de vie, ou provenant de noyaux actifs de galaxies) ;
* Les particules émises par le Soleil (SPE).

## Le vent solaire

Le vent solaire est un flux d'ions et d'électrons éjectés par le Soleil. Ce flux varie en vitesse et en température, et il dépend de l'activité solaire.
Le choc de chaque particule avec le satellite le freine ou le dévie de sa trajectoire. Lors d'un pic d'activité solaire, l'ionosphère se réchauffe à cause du vent solaire, ce qui provoque une dilatation des couches supérieures de l'atmosphère. La densité du milieu où se situe le satellite peut alors être multipliée par 10 : la force de traînée augmente fortement, et le satellite peut perdre jusqu'à 10 km d'altitude en quelques jours. Ces conséquences sont particulièrement problématiques pour les satellites d'observation — militaires ou civils — dont l'orbite doit être très régulière pour obtenir des images « compatibles » de bonne qualité.
Les photons émis par le Soleil exercent une pression de l'ordre de $10^{-5}$ Pa autour de la Terre. L'AOCS s'occupe de surveiller et de remonter l'orbite.

## Les effets électromagnétiques du Soleil
### Historique

L'astronautique permit de mettre en évidence les rayonnements du Soleil, grâce aux nombreux satellites scientifiques lancés, mais également de mettre en évidence sa dangerosité. Ainsi, en septembre 1997, le satellite de télévision Telstar perdit pendant plusieurs jours ses moyens de communication avec la Terre. L'année suivante, les deux processeurs du satellite de télévision et de radio Galaxy IV tombèrent en panne, après une probable irradiation à un flux intense de protons.

#### Le Bastille Day

Le 14 juillet 2000, une immense boucle de plasma apparut à la surface du Soleil. Puis, une éruption solaire, émettant beaucoup de rayons X, suivi. Environ 1 h 15 plus tard, les satellites d'observation SOHO, YOHKOH et TRACE, en orbite autour du Soleil, furent frappés par des protons et des ions, provoquant une saturation des capteurs CCD.
En quelques minutes, les rayonnements se propagèrent jusqu'à la Terre, et provoquèrent des pannes sur les satellites GOES-8 et 9. On constata alors que les capteurs de GOES-8 sont arrivés à saturation. Parmi les plus gros satellites de l'époque, ils ont été frappés de pannes relatives à ces rayonnements. Le flux important de protons affecta de nombreuses stations au sol.
Les détecteurs optiques, très utilisés dans l'AOCS, se sont retrouvés inopérants, comme les capteurs CCD.
Les systèmes de pointage étaient donc dans l'impossibilité de fonctionner, ne pouvant plus trouver l'objet céleste sur lequel ils se verrouillaient pour maintenir l'attitude.
D'autres satellites, utilisant le champ magnétique terrestre comme « boussole » pour se repérer se sont perdus lors de la « tempête magnétique ». Le contrôle au sol a donc un rôle primordial lors de ces périodes : il doit alors corriger manuellement l'orbite afin d'éviter une perte définitive du satellite.

### Le cycle solaire

Un cycle solaire est une période pendant laquelle l'activité du Soleil varie en reproduisant les mêmes phénomènes que pendant la période de même durée précédente. Chaque cycle est caractérisé par des pics d'activité, lequel s'exprime par une augmentation du nombre de taches solaires. Une tache solaire est une zone sombre à la surface du Soleil, avec une température inférieure à son environnement et une forte activité magnétique.
L'activité du cycle solaire fait varier la quantité de radiations émises, et a donc une incidence directe sur le bon fonctionnement des satellites

## Commandes fantômes et fausses opérations

Le NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), l'agence américaine pour l'étude de l'océan et l'atmosphère, a remarqué que leurs satellites géostationnaires GOES étaient sujets à de multiples erreurs. Les ingénieurs se sont penchés sur ces pannes en 1980, et les ont classées en plusieurs catégories :
* les commandes fantômes (Phantom Commands, PC) : il s'agit d'une anomalie où un instrument s'active alors qu'il est éteint, ou vice-versa, comme si il avait reçu une télécommande ;
* les perturbations isolées (Single Event Upsets, SEU) : elles sont provoquées par des particules chargées (protons, ions...) pénétrant les composants « sensibles » (mémoire vive, processeurs) et brûlent les conducteurs ou falsifient les calculs ;
* les pannes partielles aléatoires (Random Part Failures, RPF) : elles entrainent une panne complète d'un instrument ou d'un sous-système et son plutôt rares, les contrôleurs au sol les réparent avec des reconfigurations.
Ces anomalies sont gênantes pour le fonctionnement du satellite et les contrôleurs au sol, et peuvent dégrader foncièrement les sous-systèmes vitaux (TCS, AOCS...). Il existe également des problèmes qui touchent non pas les satellites mais les services qu'ils proposent : sous l’effet du rayonnement intense, les communications haute fréquence sont interrompues et il devient impossible de s’orienter à l’aide des satellites de la constellation GPS.
On observe un net accroissement des commandes fantômes entre minuit et 6 heures du matin, suite à l'arrivée d'électrons dans l'orbite géostationnaire, où se situe GOES, par les tempêtes magnétiques secondaires (se produisant après les principales).

## Solutions apportées

Peu de solutions sont possibles face à un problème de cette envergure. Une surveillance particulière est accordée, avec une sorte de « bulletin météo du Soleil », afin de prévoir les pics d'activité. Cependant, ce moyen reste limité, de l'aveu même de Jean-Jacques Valette, étudiant le Soleil, « Pour prévoir les éruptions, l'observatoire devra envoyer des informations toutes les 15 minutes, et pas toutes les 4 heures, comme c’est le cas actuellement ». Le Space Environment Center du NOAA faisait le même constat. Mais cela nécessiterait l'envoi en orbite de plusieurs satellites dédiés, afin de remplacer les quelques-un actuellement en service, qui commencent à vieillir (comme SOHO, lancé en 1995).
Lorsqu'une « tempête solaire » est annoncée, les contrôleurs n'ont d'autre choix que de se montrer vigilant, et d'éteindre les sous-systèmes critiques (instruments sensibles, AOCS).

## Notes

* ↑ L'ionosphère est une couche supérieure de l'atmosphère.
* ↑ Le plasma est une sorte de « soupe » d'électrons extrêmement actifs et de noyaux d'atomes.
* ↑ Bourdet, Julien. Bientôt le bulletin de météo solaire. Ciel & Espace. Mai 2007, n°444, pages 43-48.