Utilisatrice:Alpha Orionis643/Brouillon

Trou dans le radiateur de la navette spatiale américaine Endeavour provoqué par un débris durant la mission ST-118. Le diamètre de l'orifice d'entrée est de 6,4 mm et celui de sortie est le double.

Test destiné à simuler l'impact d'un débris spatial dans un véhicule en orbite au centre de recherche de la NASA.

Un débris spatial, dans le domaine de l'astronautique, est un objet artificiel circulant sur une orbite terrestre amené là dans le cadre d'une mission spatiale et qui n'est pas ou plus utilisé. Les débris spatiaux de grand taille comprennent les étages supérieurs des lanceurs spatiaux et les satellites artificiels ayant achevé leur mission. Mais la majorité des débris spatiaux résultent de l'explosion accidentelle d'engins spatiaux ou, phénomène récent, de leur collision. La dimension de ces débris peut aller d'une fraction de millimètre à la taille d'un bus. On a identifié, début 2016, environ 17 000 débris de plus de 10 cm circulant en orbite basse et on estime qu'il existe environ 500 000 débris de plus de 1 cm et 100 millions de débris spatiaux dont la taille est supérieure à 1 mm. Les débris spatiaux sont progressivement éliminés car leur altitude diminue en raison de la perte de vitesse due aux frottements dans l'atmosphère résiduelle. Ils finissent par brûler dans l'atmosphère terrestre lors de leur rentrée atmosphérique. Mais leur nombre est en augmentation constante du fait de l'activité spatiale et d'une élimination naturelle très lente dès que leur orbite dépasse 700 km.

Ces débris présentent un danger pour les engins spatiaux opérationnels. En effet, ils circulent à des vitesses très élevées (de l'ordre de 8 km/s pour les débris en orbite basse) et l'impact d'un débris, même petit, sur un satellite peut entraîner des dégâts importants et dans certains cas sa destruction. Seuls les débris de plus de 10 cm circulant en orbite basse peuvent être suivis systématiquement grâce à des systèmes de surveillance mettant en œuvre principalement des radars terrestres. Pour tenter de réduire le risque associé aux débris spatiaux, les constructeurs d'engins spatiaux ajoutent dans certains cas des blindages qui peuvent stopper les débris de petite taille (de l'ordre du millimètre). Lorsque la trajectoire d'un débris spatial identifié peut constituer une menace, les opérateurs modifient l'orbite du satellite menacé. Toutefois la mesure la plus efficace consiste à limiter le nombre de débris spatiaux produits. Les principales agences spatiales, pour tenter d'endiguer ce qui est identifié comme une menace pour la poursuite de l'activité spatiale à moyen terme, ont édicté des recommandations visant à réduire le phénomène notamment en limitant le nombre de débris générés au moment du déploiement du satellite, en déclenchant la rentrée de l'étage supérieur du lanceur et en s'assurant que le satellite en fin de vie soit placé sur une orbite garantissant une rentrée atmosphérique à une échéance de 25 ans. Selon ces recommandations, les satellites circulant en orbite géostationnaire doivent être placés sur une orbite cimetière. Toutefois faute d'un accord international sur ces dispositions qui augmentent de manière sensible les coûts de lancement, celles-ci restent des recommandations qui peuvent ne pas être appliquées.

Définition

Un débris spatial est défini comme un objet artificiel (fabriqué par l'homme) qui se trouve en orbite autour de la Terre et qui n'est pas ou plus utilisé. Un satellite artificiel lorsqu'il arrive en fin de mission devient un débris spatial. L'étage supérieur d'un lanceur resté en orbite après avoir rempli sa tache est également un débris spatial.

Origine des débris spatiaux

Répartition des débris selon leur origine.

Depuis le début de l'ère spatiale, qui débute avec le lancement de Spoutnik 1 le 4 octobre 1957, plus de 5 000 engins spatiaux ont été lancés dans l'espace par les différentes puissances spatiales de la planète. La majorité d'entre eux (environ 4 800 en 2007) ont été placés sur une orbite terrestre et quelques centaines, les sondes spatiales, ont quitté l'environnement immédiat de la Terre pour explorer la Lune ou les autres planètes du système solaire. Chacune de ces missions a généré un certain nombre de débris spatiaux.

Ces débris ont différentes origines :

• les plus gros débris sont constitués par le dernier étage du lanceur qui est placé en orbite en même temps que sa charge utile. Les recommandations appliquées par les principales nations spatiales préconisent que l'étage dispose de suffisamment de carburant (si le moteur-fusée peut être remis à feu) ou dispose d'un système propulsif spécifique lui permettant de réduire son orbite et d'effectuer une rentrée atmosphérique peu de temps après avoir achevé sa mission.
• Une fois leur mission achevée les satellites restent généralement sur leur orbite car un retour sur Terre nécessiterait de disposer d'une masse d'ergols qui imposerait de réduire à sa conception la part du satellite consacrée à sa mission. En 2007, sur les 2 400 satellites en orbite on estime que plus des trois quarts étaient des engins spatiaux ayant achevé leur mission.
• Les débris spatiaux dits opérationnels sont produits volontairement au moment du déploiement du satellite. Ce sont par exemple les caches protégeant les optiques des caméras, les réservoirs largables, les dispositifs utilisés pour larguer la charge utile, l'adaptateur utilisé lors de l'emport d'une charge double (Sylda), etc. Ces équipements sont de plus en plus souvent conçus pour qu'ils restent solidaires de l'engin spatial sur lesquels ils sont fixés.
• La principale source de débris spatiaux est la fragmentation d'engins spatiaux existants. La fragmentation a pour origine dans la plupart des cas une explosion. On recensait ainsi 2 à 9 explosions par an entre 1965 et 1995 (moyenne environ 4). Les processus à l'œuvre comprennent l'explosion de batteries, les explosions à haute énergie dues à la présence d'ergols dans les réservoirs, l'implosion de réservoirs normalement sous pression (faible énergie) ou la destruction intentionnelle d'engins spatiaux. Jusqu'en 2007 aucun cas de fragmentation lié à une collision n'avait été recensé. Mais les deux collisions de 2007 et 2009 ont à elles toutes seules augmenté de 30 % le nombre de débris de plus de 10 cm.
• De manière anecdotique certains débris spatiaux sont des équipements perdus par des astronautes, alors qu'ils effectuaient des opérations de montage et de réparation durant une sortie extravéhiculaire.

Diagramme de Gabbard : la représentation des débris générés par la fragmentation

Diagramme de Gabbard des 300 débris issus de l'explosion du 3^e étage d'une fusée Longue Marche, 5 mois après son lancement.

Les groupes de débris issus de la désagrégation de satellites sont analysés grâce à un diagramme dit « de Gabbard » dans lequel le périgée et l'apogée de chaque débris est représenté en fonction de sa période orbitale. Les débris projetés dans le sens du déplacement orbital augmentent en apogée et en période, ils correspondent aux deux bras droits du X. Les débris projetés dans le sens rétrograde ont un périgée et une période diminués (les deux bras gauches du X). Les projections dans les directions perpendiculaires à l'orbite influent peu sur les caractéristiques de période, d'apogée et de périgée, les débris dans ce cas sont concentrés autour du centre de la croix. L'étude de la distribution des éléments de ce diagramme permet aussi de déterminer les causes de la fragmentation

Inventaire et caractéristiques

Le nombre de débris d'une taille supérieure à 10 cm est estimée à environ 21 000. Pour 17 000 d'entre eux on dispose des caractéristiques de leur orbite et leur trajectoire est suivie. La population des débris dont la taille est comprise entre 1 et 10 cm est évaluée à 500 000. Enfin on estime qu'il y a, en 2017, 135 millions de débris spatiaux dont la taille est supérieure à 1 mm. Le nombre de débris dont la taille est supérieure à 3 mm est évaluée par projection statistique à partir de données fournies par les radars au sol. En deçà de cette taille l'évaluation est estimée à partir du recensement des impacts sur la surface d'engins ou d'expérience ayant séjourné dans l'espace et revenus sur Terre. Ces méthodes statistiques consistent à déduire une estimation de la population totale d’une certaine catégorie de débris spatiaux en analysant la distribution des observations ou des impacts dans une zone limitée de l’espace.

La majorité des débris se trouvent à une altitude inférieure à 2 000 km à l'image de l'activité spatiale concentrée sur l'orbite basse. La concentration la plus importante se trouve à une altitude comprise entre 750 et 800 km. Les débris spatiaux qui circulent en orbite basse (altitude < 2 000 km) ont en moyenne une vitesse comprise entre 7 et 8 km/s. Lorsqu'une collision se produit la vitesse relative des deux objets concernés est en moyenne de 10 km/s.

Les débris spatiaux ne restent pas de manière permanente en orbite. Par exemple il ne subsiste plus en 2016 aucun des débris produits par l'explosion du satellite soviétique Cosmos 2421 qui avait eu lieu en 1986 à une altitude de 410 km et qui avait généré à l'époque 509 débris de plus 10 cm. En effet l'atmosphère résiduelle, qui subsiste dans l'espace près de la Terre, freine progressivement le débris spatial dont l'altitude s'abaisse jusqu'à ce qu'il soit ramené au niveau des couches denses de l'atmosphère lorsque son altitude approche les 100 kilomètres. Il effectue alors une rentrée atmosphérique au cours de laquelle il s'échauffe et se disloque. Certaines pièces peuvent survivre à cette phase et parvenir jusqu'au sol, mais la plupart sont vaporisées. L'orbite s'abaisse d'autant plus vite que la surface exposée aux forces de trainée est importante et que l'altitude initiale est faible (cas du satellite Cosmos 2421 cité plus haut). Si le débris spatial se trouve à 600 km d'altitude, il retombe sur Terre au bout de quelques années. À une altitude initiale de 800 km il ne revient au sol qu'au bout de plusieurs décennies. Au-dessus de 1 000 km d'altitude le débris spatial reste en orbite plusieurs siècles. La "durée de vie" moyenne élevée des débris spatiaux combinée avec une activité de lancement soutenue (environ 80 lancements par an au cours de la décennie 2010) ont pour conséquence une augmentation constante des débris spatiaux depuis le début de l'ère spatiale. Le nombre a fortement cru à la fin des années 2000 à la suite de deux collisions majeures (Destruction volontaire du satellite chinois Fengyun-1C et collision accidentelle de Iridium 33 et Cosmos 2251) qui ont accru d'environ 30 % le nombre de débris de plus de 10 cm.

Les observations effectuées périodiquement montrent une croissance régulière du nombre de débris en orbite. Deux nouveaux phénomènes propres à l'activité spatiale de la décennie 2010 pourraient contribuer à accélérer cette croissance. La progression très rapide de la population des CubeSats. Ces nano-satellites de quelques kilogrammes, du fait de leur taille, ne sont pas en mesure d'appliquer les règles élaborées pour accélérer la rentrée atmosphérique qui nécessitent l'emport d'ergols lorsque l'orbite dépasse les 700 km (environ). L'autre phénomène concerne l'étude en cours (2016) de méga constellations de satellites de télécommunications comptant des centaines d'engins spatiaux (OneWeb 650 satellites) qui, en saturant l'orbite basse, sont susceptibles de rendre inopérantes les méthodes utilisées pour le suivi des satellites et la gestion des risques de collision.

Évolution depuis le début de l'ère spatiale du nombre d'objets en orbite (> 10 cm en orbite basse et > 1 mètre sur les autres orbites) suivis par le réseau de surveillance américain USSTRATCOM. Ces 17 000 objets, pour lesquels ont une dispose des caractéristiques orbitales, ne représentent qu'une faible fraction des 500 000 objets d'une taille > 1 cm (Situation à la fin du premier du premier trimestre 2016).

Risques liés aux débris spatiaux

Risques en orbite

Temps moyen entre deux impacts de débris supérieurs à une taille donnée, sur un objet d'une section de 100 m² en fonction de son altitude

	400 km	800 km	1 500 km
>0,1 mm	4,5 jours	2,3 jours	0,9 jour
>1 mm	3,9 ans	1,0 an	1,5 ans
>1 cm	1 214 ans	245 ans	534 ans
>10 cm	16 392 ans	1 775 ans	3 109 ans

Malgré leur nombre relativement restreint, les débris spatiaux situés en orbite constituent une menace pour les engins spatiaux en activité du fait de leur énergie cinétique très élevée. Avec une vitesse moyenne en cas d'impact de 10 km/s, l'énergie cinétique (1/2 x masse x vitesse²) d'un débris spatial de 10 grammes est supérieure à celle d'un véhicule d'une tonne percutant un mur à 100 km/h. Si un débris dont la taille est inférieure à 1/10 mm ne fait qu'éroder la surface d'un satellite, les débris dont la taille est comprise entre 1/10 mm et 1 cm peuvent perforer des équipements et entrainer selon le cas une panne mineure, majeure ou la perte du satellite. Entre 1 et 10 cm les dommages sont très importants alors que les débris de cette taille ne peuvent être systématiquement détectés depuis le sol. L'utilisation d'un blindage ne permet de résister qu'à des débris dont la taille est inférieure à 2 cm.

Les accidents impliquant des débris spatiaux restent encore relativement peu fréquents, du fait de l'immensité de l'espace. À titre d'exemple, la Station spatiale internationale ne risque un impact critique avec un objet d'une taille comprise entre 1 et 10 centimètres que tous les soixante-dix ans ; si l'on exclut de la surface de la station ses immenses panneaux solaires dont la perte ne serait pas forcément critique, le risque tombe à un impact tous les trois siècles. Pour un satellite d'une durée de vie de dix ans, le risque d'être détruit par un débris spatial est à peu près identique à celui de l'être lors du lancement (soit une chance sur 100).

Ces probabilités relativement faibles peuvent conduire à sous-estimer l’importance du problème posé par les débris spatiaux. Cependant, en considérant le nombre élevé de satellites opérationnels actuellement en orbite, la probabilité que l’un d’entre eux percute un débris spatial de plus de 1 cm culmine à plus de 50% par année, en dépit des risques individuels bas. De plus, l’étendue de la menace augmente au fil des impacts, puisque chaque collision génère de nouveaux débris. Cette réaction en chaîne est connue sous le nom de syndrome de Kessler. Il est donc nécessaire de réaliser que les débris spatiaux constituent un risque non négligeable pour les instruments scientifiques coûteux placés en orbite ainsi que pour les missions habitées. Pour reprendre l’exemple de la Station spatiale internationale, cette dernière a déjà dû effectuer plusieurs manœuvres d’évitement afin de s’éloigner de débris potentiellement dangereux ; deux de ces épisodes ont même vu l’équipage forcé de se réfugier dans une capsule de secours Soyouz. Le syndrome de Kessler constitue également un risque à moyen et long terme pour l’avenir des missions spatiales: si l’orbite terrestre basse atteint la densité critique à partir de laquelle le nombre de débris créés par les collisions surpasse le nombre de rentrées atmosphériques, elle deviendra impraticable, ce qui pourrait s’avérer catastrophique étant donné que nos systèmes de communication actuels sont étroitement dépendants des satellites placés dans cette zone.

Risques au sol

Un débris du troisième étage PAM-D de Delta 2 retrouvé en Arabie saoudite le 21 janvier 2001.

Les risques au sol sont nettement plus faibles, car les fragments entrant dans l'atmosphère sont majoritairement carbonisés par la chaleur due aux frottements avec l'air. Pour autant, des débris de taille non négligeable sont parfois retrouvés sur Terre et des prévisions sont faites régulièrement par les organismes de surveillance. Bien que de tels atterrissages soient très peu fréquents, ils représentent un danger potentiel car les objets qui retombent sur Terre sont souvent hors de contrôle et peuvent par conséquent s’écraser n’importe où. Certains engins parviennent tout de même à faire une rentrée contrôlée dans l’atmosphère et sont alors dirigés vers le point Nemo, la zone du Pacifique Sud la plus éloignée des terres émergées. Jusqu’à présent, aucun impact destructeur n’est survenu dans des zones habitées.

Mesures de limitation des risques

La réduction des risques liés aux débris spatiaux se fait d'abord par une surveillance des plus gros d'entre eux à l'aide de radars ou de moyens optiques depuis le sol afin d'anticiper des collisions potentielles et de modifier en conséquence les trajectoires des satellites menacés. Mais ces mesures ne permettent pas d'éviter tout danger car les débris de quelques centimètres, potentiellement dangereux compte tenu de leur vitesse, ne peuvent être suivis avec les instruments existants. La deuxième mesure consiste à limiter la production de nouveaux débris par une conception adaptée des engins spatiaux : passivation des réservoirs d'ergols pour éviter une explosion ultérieure, limitation du largage de pièces au moment du déploiement en orbite des satellites... La réglementation doit définir également des règles, qui doivent être acceptées par tous car contraignantes sur le plan économique, pour limiter le séjour des satellites et des étages de fusée en orbite en obligeant les organisations spatiales à prévoir une réserve d'ergols permettant d'abréger la durée de séjour en orbite des engins arrivés en fin de vie. Les constructeurs d'engins spatiaux prennent déjà des mesures pour protéger les parties sensibles de ceux-ci lorsqu'ils circulent sur des orbites où les débris sont particulièrement denses. Enfin différentes solutions techniques ont été étudiées pour désorbiter les débris spatiaux à l'aide d'engins dédiés mais aucune solution économiquement viable n'a été imaginée jusque-là.

Surveillance des débris spatiaux

Cartographie des principaux débris spatiaux en orbite terrestre basse.

Cartographie vue d'au-delà de l'orbite géosynchrone.

Aux États-Unis

L'USSPACECOM tient à jour un catalogue (dénommé « Two Lines Elements » (TLE)) contenant environ 15 000 objets (de plus de 10 cm en orbite basse et de plus de 1 m en orbite géostationnaire), aussi dans le but de ne pas les confondre avec des missiles ennemis. Les observations collectées depuis plusieurs installations radars et télescopes, ainsi qu'un télescope spatial, sont utilisées pour entretenir ce catalogue. Cependant, la majorité des débris ne sont toujours pas observés.

Le satellite LDEF avant son déploiement par Challenger au-dessus de la Floride.

Le retour sur Terre de matériel orbital est aussi une précieuse source d'informations sur l'environnement de débris de tailles submillimétriques. Le satellite LDEF, déployé par la mission STS-41-C Challenger et récupéré par STS-32 Columbia, a passé 68 mois en orbite. L'examen minutieux de sa surface a permis d'analyser la distribution directionnelle et la composition du flux de débris. Le satellite européen Eureca, déployé par STS-46 Atlantis et récupéré 326 jours plus tard par STS-57 Endeavour a révélé un millier d'impacts sur ses panneaux solaires et 71 sur son corps, de 100 µm à 6,4 mm.

Les remplacements des panneaux solaires du télescope spatial Hubble lors des missions STS-61 Endeavour et STS-109 Columbia apportèrent incidemment de nouvelles précisions pour le modèle d'environnement des débris spatiaux.

Le catalogue du North American aerospace defense (NORAD) qui est sans doute le plus complet qui existe au monde, fait état de plus de 9 000 objets de plus de 10 cm en orbite autour de la Terre (en 2006).

Le Département de la Défense (DoD) américain vient d’accorder deux contrats pour le développement, d’ici mi-2012, d’un prototype de système de géolocalisation des débris spatiaux. Il dispose déjà, via des radars très haute fréquence installés dans le Sud du pays, d’un système de géolocalisation des débris et des satellites qui survolent l’atmosphère. Mais l’idée du nouveau bouclier spatial est de pouvoir accéder à tout moment à un catalogue exhaustif des objets spatiaux, notamment les plus petits, grâce à deux ou trois capteurs plus puissants répartis en des endroits stratégiques du globe.

En Europe

Selon l'Institute of Aerospace Systems de Brunswick, la trajectoire n'est pas connue pour 110 000 autres débris en orbite terrestre, compris entre 1 et 10 centimètres, ainsi que des objets artificiels allant du millimètre au centimètre dont le nombre est estimé à 330 millions et dont la trajectoire est erratique (sans compter les poussières indétectables allant du millimètre au micron). La masse totale de ces débris est estimée à 5 900 tonnes.

Cet institut est à l'origine du modèle de distribution et de vitesse des débris nommé MASTER (Meteoroid And Space debris Terrestrial Environment Reference) et utilisé par l'ESA pour calculer les probabilités et directions de collision en orbite. L'agence européenne possède un catalogue de 26 000 débris qu'elle suit avec un réseau d'observatoires et de radars pour corroborer ce modèle.

Dans le cadre du programme Space Situational Awareness (SSA) de l'Agence spatiale européenne (ESA), des chercheurs du Fraunhofer-Gesellschaft en Allemagne ont un rôle de premier plan dans ce projet : ils fournissent le récepteur du système radar.

L'institut Fraunhofer de la physique des hautes fréquences et des techniques radar (le FHR à Wachtberg) réalise le démonstrateur, en collaboration avec la société espagnole Indra Espacio qui se charge de l'ensemble émetteur.

En France

La France dispose depuis 2005 du radar Graves (un seul capteur) qui permet de détecter les satellites survolant la France et les régions périphériques à des altitudes compris entre 400 et 1 000 km et de mesurer leurs trajectoires. Ce radar remplit 3 missions dont deux ont un rapport direct avec les débris spatiaux :

• Détection des satellites de reconnaissance (satellite espion) survolant le territoire
• Détermination des risques de collision entre satellites impliquant au moins un satellite opérationnel
• Détection des satellites soit massifs soit polluants (radioactivité) susceptibles d'effectuer une rentrée atmosphérique et présentant donc un risque pour les habitants.

L'Armée française utilise ses radars SATAM pour déterminer de manière plus précise les objets d'intérêts (risque de collision ou retombées atmosphériques). Les données des radars SATAM et GRAVES sont traitées par le Centre opérationnel de surveillance militaire des objets spatiaux (COSMOS) créé en 2014 avec des objectifs à la fois militaires et civils (protection des populations.

Le CNES utilise par ailleurs à temps partiel (15 %) deux télescopes TAROT dont la mission principale est la détection des sursauts gamma et qui sont situés pour l'un sur le plateau de Calern en France et pour l'autre à l'observatoire de La Silla au Chili. Ceux-ci permettent d'identifier de manière expérimentale les objets situés en orbite géostationnaire ou géosynchrone.

Blindage des engins spatiaux

Parties les plus exposées à un risque de collision avec un débris spatial (en rouge).

Les petites particules de moins d'un centimètre, très courantes et difficiles à détecter, ne sont pas évitées, car les blindages permettent de s'en protéger. Il y a deux types de blindage : les blindages intrinsèques sont constitués par les parois du satellite tandis que les blindages spécifiques sont des ajouts à la structure qui permettent d'arrêter le débris avant qu'il ne perfore la paroi. Mais ces blindages alourdissent évidemment les véhicules spatiaux, diminuant leur charge utile, leur durée de vie, ou augmentant leur coût. Le dixième du poids de la station spatiale internationale est ainsi dû à son blindage Le blindage utilise le principe du bouclier Whipple (du nom de l'astronome américain qui l'a mis au point. Il est constitué de plusieurs couches minces d'aluminium séparées par un vide. La(s) première(s) couche est destinée à être perforée(s) mais elle fait éclater le débris en de multiples fragments qui lorsqu'ils frappent la paroi de l'engin spatial n'ont plus l'énergie permettant de la traverser. L'intervalle entre ces premières couches peut être remplis d'un matelas absorbant.

Le plus grand problème est posé par les débris de taille moyenne, entre un et dix centimètres, estimés à environ 200 000, qui ne sont pas catalogués alors qu'ils présentent un risque très important et surtout pour lesquels il n'existe pas de protection.

Gestion opérationnelle des risques de collision

Cette série de photographies capturée grâce à une caméra rapide représente un essai d'impact d'une bille en aluminium sur une plaque elle-même en aluminium à 4,5 km/s soit 16 000 km/h. Cet essai a été réalisé par Thiot Ingénierie dans le but de simuler l'effet d'un impact de débris spatiaux sur un satellite.

Au-delà dune certaine taille (environ 2 cm) aucune protection ne permet de protéger un engin d'un débris spatial. La seule solution consiste à modifier l'orbite pour éviter tout risque de collision. Ces manœuvres nécessitent d'utiliser la propulsion de l'engin spatial et sont coûteuses en carburant et diminuent d'autant la durée de vie des satellites ; à titre d'exemple, lors de l'évitement par le satellite Spot 2 d'un débris provenant d'un lanceur Thor-Agena en juillet 1997, 400 grammes d'ergols ont été utilisés, alors que sa consommation annuelle est de 150 grammes. Ces manœuvres sont fréquentes sur les orbites basses. La décision de modifier le satellite doit tenir compte de nombreux paramètres qui peuvent faire varier les orbites du satellite et des débris spatiaux. Celles-ci sont connues avec une certaine incertitude et elles peuvent dériver sous l'influence du Soleil, de la Lune et de l'atmosphère résiduelle.

Prévention : mise en place d'une réglementation

Pour limiter la multiplication du nombre de débris spatiaux, les principales puissances spatiales ont défini un certain nombre de règles de bonne conduite à appliquer lors de la conception des nouveaux engins spatiaux et durant les phases de déploiement en orbite puis en fin de vie. L'application des mesures les plus importantes ont un coût car elles entrainent généralement une réduction de la masse de la charge utile emportée par le lanceur. Dans un climat de concurrence économique entre les acteurs du secteur spatial seule une mise en œuvre rendue obligatoire pour toutes les puissances spatiales garantit leur application.

Action de l'IADC

Les principales agences spatiales - ASI (Italie), CNES (France), CNSA (Chine), Agence spatiale canadienne (Canada), DLR (Allemagne), Agence spatiale européenne (Europe), ISRO (Inde), JAXA (Japon), KARI (Corée du Sud), NASA (États-Unis), Roscosmos (Russie), NKAU (Ukraine) et UK Space Agency (Royaume-Uni) - adhèrent à l'Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) créé en 1993 pour faciliter l'échange de données sur les débris spatiaux, mener des études techniques (modélisation du comportement des débris en orbite, étude technique des systèmes de blindage), réaliser des campagnes d'observation et établir des recommandations. Ce comité a établi un recueil de principes à appliquer Space Debris Mitigation Guidelines (IADC-02-01, Rev. 2007) qui a été validé la même année par les 69 pays membres du Comité des Nations unies pour l'utilisation pacifique de l'espace extra-atmosphérique (COPUOS) consacré aux activités spatiales. Le comité scientifique et technique du COPUOS a établi et publié en 2009 son propre recueil de règles Space Debris Mitigation Guidelines of the Scientific and Technical Subcommittee of the Committee on the Peaceful Uses of the Outer Space (A/AC.105/890, 2009).

Règles

Les principales règles sont les suivantes.

• La passivation des étages supérieurs après utilisation par largage du carburant résiduel, pour limiter le risque d'une explosion des imbrûlés hypergoliques qui engendrerait des milliers de nouveaux débris.
• La désorbitation rapide des étages supérieurs, qui sont placés en orbite avec la charge utile, en utilisant le carburant résiduel.
• La règle dite des « 25 ans » qui impose que tout satellite se trouvant en orbite basse rentre dans l’atmosphère avant un quart de siècle. Ainsi pour remplir cet réglementation le satellite français Spot-1 a diminué son altitude en fin de mission à l'aide de sa propulsion (fin 2003), réduisant sa présence post mortem en orbite de 200 à 15 ans. Mais une telle manœuvre requiert parfois trop de carburant ou doit avoir lieu trop longtemps après la mise en orbite pour garantir son succès.
• Pour les satellites circulant à des altitudes où la désorbitation n'est pas économiquement envisageable, telle que l'orbite géostationnaire, le satellite est transféré vers une orbite de rebut où ne se trouve aucun engin opérationnel. Pour autant, aucune obligation n'est possible contre les sociétés gérant ces satellites : entre 1997 et 2000, 22 des 58 satellites géostationnaires ont été abandonnés, et pour 20 d'entre eux l'orbite n'a pas été modifiées de manière à éviter tout risque.
• Les recommandations internationales concernent également la « rentrée contrôlée » des satellites, l'homme guidant la rentrée de l'objet grâce à des moteurs vers une zone inhabitée de son choix comme l'océan.

Mise en place de "règles de bonne conduite" nationales

Sans attendre la mise en place d'une réglementation internationale légalement contraignante pour tous les pays, les principales agences spatiales occidentales ont formalisé de manière interne des règles de bonnes conduite qui ne restent toutefois que des recommandations :

• NASA (États-Unis) : Safety Standard NSS-1740.14 - Guidelines and Assessment Procedures for Limiting Orbital Debris (1995)
• NASDA (Japon) : Space Debris Mitigation Standard NASDA-STD-18 (1996)
• CNES (France) : CNES Standards Collection, Method and Procedure Space Debris – Safety Requirements (RNC-CNES-Q40-512) (1999)
• Agence spatiale européenne : European code of conduct for space debris mitigation issue (2004).

Désorbitation des débris spatiaux

À la suite de différentes conférences sur le sujet, plusieurs propositions ont été faites pour rabattre les débris vers l'atmosphère terrestre telles que des remorqueurs automatisés, un balai laser (en) (pour détruire les particules ou les dévier vers une orbite plus basse), de gigantesques boules d'aérogel pour absorber les impacts et finalement précipiter les débris capturés vers l'atmosphère, un filet pour capturer le débris, des moteurs ioniques soufflant sur un satellite géostationnaire en fin de vie afin de le sur-orbiter. Néanmoins, la difficulté principale reste le « rendez-vous » avec ces « objets non coopératifs » en mouvement et actuellement le principal effort est porté sur la prévention des collisions par la surveillance des plus gros débris et les mesures contre la création de nouveaux.

• Le satellite emporte un dispositif spécifique destiné à accélérer la réduction naturelle de l'altitude sous l'effet de l'atmosphère résiduelle. Ainsi le satellite scientifique français Microscope emporte l'équipement IDEAS (Innovative DEorbiting Aerobrake System) dédié à la désorbitation. Celui-ci est constitué par deux structures souples qui sont gonflées en fin de mission avec de l'azote stocké sous haute pression. En augmentant la surface soumise aux forces de trainée de 6,3 m², l'altitude du satellite diminue plus rapidement ce qui réduit le temps de séjour en orbite. L'équipement a une masse totale de 12 kg.
• Création d'une « décharge » orbitale où seraient rassemblés les plus gros objets afin d'éviter les collisions et de stocker ces ressources de matériaux pour le futur.
• La désorbitation volontaire des satellites en fin de vie serait une mesure efficace,

La désorbitation pourrait dans ces cas-là être effectuée grâce à un câble électrodynamique déroulé depuis le satellite et qui le ralentirait et abaisserait son orbite jusqu'à une altitude où la traînée atmosphérique provoquerait rapidement la désorbitation.

Choix technologiques : aspects socio-économiques

Les choix technologiques en vue de la protection et de la fin de vie d’un satellite constituent un compromis entre les intérêts parfois divergents de nombreux acteurs des domaines de la recherche, l’industrie, l’économie et la politique notamment. A titre d’exemple, les blindages et les systèmes de désorbitation embarqués à bord des satellites alourdissent ces derniers et peuvent interférer avec les buts scientifiques de la mission ; ils représentent également un surcoût important. Cependant, les blindages sont une mesure de sécurité indispensable pour les véhicules habités en particulier, et la planification de la fin de vie du satellite est imposée par certaines agences spatiales telles que l’ESA. Cette contrainte est une conséquence des règles de bonne conduite que l’ESA cherche à respecter, et le soutien de l’agence peut être retiré aux missions qui ne s’y conforment pas. La conception d’un satellite impose ainsi d’établir un équilibre entre l’évaluation des risques, les intérêts scientifiques et économiques et la réalisabilité technique, tout en tenant compte des consensus internationaux auxquels adhèrent la plupart des agences spatiales majeures.

Relever ce défi représente une opportunité pour le développement de technologies innovantes, dont plusieurs centres de recherche et entreprises privées tirent parti. Un exemple notable est celui du CleanSpace One (en) conçu par l’EPFL (Suisse), un petit satellite visant à désorbiter le CubeSat SwissCube lancé en 2009. Il s’agit d’une technologie démonstrative, dont l’objectif principal  est d’illustrer la faisabilité du retrait actif des débris spatiaux et d’inciter les agences spatiales à adopter ce type de technologie. Le projet est actuellement dans une phase de recherche de fonds. Cette difficulté à trouver des financements illustre le peu d’intérêt que porte l’industrie aux techniques vouées à la préservation d’un bien commun (ici l’espace), qui n’ont aucune garantie d’être rentables pour l’entreprise et de pouvoir être massivement commercialisées. A l’image de CleanSpace One, de nombreuses autres solutions (par exemple de nouveaux types de capteurs ou des microsatellites dédiés à l’étude des débris spatiaux) sont actuellement au stade de technologies démonstratives, certaines déjà en phase de test et d’autres non encore concrétisées. L’avenir de telles innovations est incertain et dépendra directement des intérêts de l’industrie, ainsi que de l’évolution du cadre légal international. Cela illustre le fait que la gestion des débris spatiaux est un domaine en plein développement et en continuel changement, dont la complexité en fait bien plus qu’un simple défi technologique.

Enjeux juridiques

Bien que la plupart des acteurs importants du spatial tels que l’ESA ou la NASA cherchent à s’y conformer, les règles de bonne conduite adoptées pour limiter le risque dû aux débris ne font pas office de lois. Certaines agences spatiales reconnaissent donc leur devoir moral de préservation de l’espace ; elles respectent les règles fixées afin de montrer le bon exemple et par souci de leur réputation, mais elles ne sont contraintes par aucune obligation formelle. Afin d’assurer le respect systématique des règles, il serait nécessaire d’instaurer un cadre juridique international ainsi que des lois nationales, qui sont également très rares aujourd’hui. D’après le site officiel du CNES, la France est le seul pays à avoir adopté une loi traitant des débris spatiaux (la Loi sur les Opérations Spatiales, promulguée en 2010).

Le cadre légal international en vigueur actuellement est fondé sur le Traité de l’espace signé en 1967. Ce document ne traite pas explicitement des débris spatiaux, qui ne constituaient pas encore une menace importante à l’époque de son adoption. Les articles qui le constituent sont par conséquent difficiles à interpréter et à appliquer dans le cadre de cette problématique. L’une des difficultés principales concerne la question de la responsabilité en cas d’accidents causés par des débris spatiaux. En effet, selon la réglementation actuelle, le pays qui lance un satellite est responsable des dommages causés par cet engin sur des objets appartenant à d’autres Etats. Une telle directive paraît claire à première vue ; il est cependant très difficile, en pratique, de déterminer l’origine d’un débris spatial puisque seuls les débris les plus gros (>10 cm) peuvent être suivis depuis le sol. De plus, pour les accidents survenus dans l’espace, le pays qui dépose une plainte doit être capable de prouver que l’Etat propriétaire de l’objet impliqué a commis une faute (par exemple une erreur de construction). En l’absence de législation globale sur la construction et la gestion des missions spatiales, définir de telles erreurs est délicat, et les démontrer lors d’un accident relève souvent de l’impossible.

Outre la question de la responsabilité en cas d’accident, d’autres enjeux juridiques complexes sont soulevés par le développement de techniques actives de désorbitation. En effet, le Traité de l’espace prévoit que chaque pays conserve la propriété et le contrôle des satellites qu’il met en orbite. Cela pose un problème pour le retrait actif, puisqu’aucun objet ne peut être désorbité sans l’autorisation du pays qui l’a lancé. De plus, des informations détaillées sur le satellite en fin de vie doivent être divulguées à l’organisme responsable de sa désorbitation, ce qui porte préjudice à la propriété intellectuelle et à la confidentialité. Le manque de dispositions légales constaté aujourd’hui et les difficultés d’interprétation des lois existantes permettent ainsi de mettre en évidence des enjeux juridiques complexes intrinsèques à la problématique des débris spatiaux. Aboutir à un cadre juridique international constitue donc l’un des défis qu’il faut relever rapidement afin de résoudre les problèmes liés à la prolifération incontrôlée de ces débris.

Événements ayant contribué à créer un volume significatif de débris

Les 10 événements ayant généré le plus grand nombre de débris catalogués par l'USSTRATCOM

Date de l'événement	Date de lancement	Lanceur et/ou satellite impliqué	Altitude de l'événement	Débris catalogués	Débris restant (début 2016)	Origine de l'événement
2007	1999	Fengyun-1C	850 km	3428	2880	Collision volontaire (test anti-satellite)
2009	1993	Cosmos 2251	790 km	1668	1141	Collision accidentelle avec Iridium 33
1996	1994	Étage HAPS fusée Pegasus (lancement STEP-2	625 km	754	84	Explosion accidentelle du réservoir
2009	1997	Iridium 33	790 km	628	364	Collision accidentelle avec Cosmos 2251
1986	1986	Cosmos 2421	410 km	509	0	Inconnue
1986	1986	3e étage Ariane 1 lancement SPOT-1	805 km	498	32	Explosion du réservoir
1965	1965	Étage Transtage Titan III lancement LCS 2	740 km	473	33	Explosion accidentelle du réservoir
2000	1999	Troisième étage Longue Marche 4 et satellite CBERS 1	740 km	431	210	Double explosion accidentelle du réservoir
1970	1970	Étage Agena lancement Nimbus 4	1075 km	376	235	Explosion accidentelle du réservoir
2001	2001	Dernier étage PSLV lancement TESTechnology Experiment Satellite	670 km	372	80	Explosion accidentelle du réservoir

Orbite des débris du Fengyun-1C détruit lors d'un essai antisatellite chinois en 2007.

De 1967 à 1988, l'Union Soviétique lança des satellites espions RORSAT alimentés par réacteur nucléaire. À la fin de leur mission, ils éjectaient leur cœur sur une orbite de plusieurs siècles de durée de vie. Durant et après cette éjection, des fuites de fluide caloporteur NaK se sont produites, dispersant des gouttes entre 850 et 1 000 km d'altitude. Ces débris, au nombre d'environ 110 000, d'une taille allant jusqu'à 7 cm et d'une masse totale de 165 kg, représentent encore aujourd'hui un danger pour les objets en orbite basse (ils furent détectés par LDEF dont l'apogée était à 580 km). De plus, il est possible qu'ils aient percuté les radiateurs des RORSAT en orbite de rebut, provoquant de nouvelles fuites de NaK.

Parmi les autres événements ayant produit un nombre de débris significatifs ou impliquant un débris spatial figurent :

• en décembre 1991, un satellite Kosmos aurait été touché par l'un de ses jumeaux selon des informations américaines ;
• le 24 juillet 1996, un fragment d'un troisième étage d'une fusée Ariane qui avait explosé en vol dix ans auparavant percute le microsatellite français Cerise ;
• le 17 janvier 2005, un étage d'une fusée Thor a été percuté par un débris chinois.
• Une des plus grandes créations de débris ne fut pas accidentelle : elle est due à un essai de missile anti-satellite chinois le 11 janvier 2007 causant la destruction de Fengyun-1C. Il provoqua la création de 2 300 débris de taille observable (i.e. de quelques centimètres, décompte de décembre 2007) et d'après les estimations, 35 000 débris d'au moins 1 cm et plus d'un million de débris d'au moins 1 mm. Cet événement est plus préjudiciable que les précédents essais de telles armes car il eut lieu à une altitude plus élevée (850 km) qui engendre une durée de présence en orbite d'au moins 35 ans. En juin 2007, le satellite Terra fut le premier à devoir être dévié pour lui éviter d'être touché par ces débris.
  
• Quelques mois plus tard, les Américains réalisent également une destruction volontaire d'un satellite espion, l'USA 193 ; le radar Sea-based X-band Radar a répertorié 169 débris à la suite de cette opération.
• Un événement d'une ampleur similaire survint le 16 février 2007 quand le dernier étage d'un lanceur russe Briz-M explose en orbite au-dessus de l'Australie. La fusée avait été lancée le 28 février 2006 transportant un satellite de communication Arabsat-4A, mais un dysfonctionnement l'empêche d'achever la mise en orbite et il resta en orbite elliptique avec une grande quantité d'imbrûlés hypergoliques corrosifs. L'explosion fut photographiée par plusieurs astronomes, les observations radar n'ont pu établir précisément la trajectoire des débris à cause du caractère de leur orbite. Bien que d'une ampleur semblable au test chinois, le nuage de débris passe par une altitude moindre et une grande partie des 1 100 débris identifiés retombèrent dans l'atmosphère rapidement. Une autre dislocation venait juste d'être observée le 14 février précédent, ce qui en fait trois en l'espace de deux mois. Il y en avait eu 8 dans l'année 2006, ce qui n'était jamais arrivé depuis 1993.
• Le 16 octobre 2012, un énorme nuage de débris spatiaux s'est formé après l'explosion mi-octobre du bloc d'accélération d'une fusée Proton-M, lancée début août, ayant échoué à mettre en orbite deux satellites de télécommunications en raison d'une défaillance technique.

Ainsi, alors que jusqu'en 2007, la courbe de croissance du nombre de débris était linéaire (environ 200 nouveaux objets par an), ces évènements ont généré une courbe de croissance exponentielle.

Impacts de débris notables

Représentation de l'impact sur le satellite Cerise.

La première collision connue entre un satellite et un débris spatial catalogué remonte à 1996 et concerne le satellite militaire français Cerise : le débris heurte à une vitesse relative de 14,8 km/s la partie supérieure de la perche au bout de laquelle se situe la masse permettant de stabiliser le satellite par gradient de gravité.

Lottie Williams est la première et la seule personne à ce jour (septembre 2008) à avoir été touchée par un débris spatial d'origine humaine. Alors qu'elle se promenait dans un parc de Tulsa, Oklahoma, le 22 janvier 1997 à 3 h 30, elle remarqua une lueur dans le ciel qu'elle prit pour une étoile filante. Quelques minutes plus tard, elle fut frappée à l'épaule par un objet métallique sombre de 15 cm qui s'avéra, plus tard être une pièce de réservoir d'une fusée Delta II lancée en 1996. Elle ne fut pas blessée.

Bibliographie

Documents de référence

• (en) National Science and Technology Council, Office of Science and Technology Police (États-Unis), Interagency Report on Orbital Debris, 1995, 83 p. (lire en ligne)
• (en) Committee on Space Debris; Commission on Engineering and Technical Systems; Division on Engineering and Physical Sciences; National Research Council (États-Unis), Orbital Debris : A Technical Assessment, 1995, 224 p. (ISBN 978-0-309-05125-5, DOI 10.17226/4765, lire en ligne)
• (en) Sous-comité technique et scientifique des Nations unies, Technical Report on Space Debris, Nations Unies, 1999 (lire en ligne)

Réglementation européenne

• (en) Agence spatiale européenne, Space Debris Mitigation Policy for Agency Projects (lire en ligne)
• (en) Agence spatiale européenne, ESA Space Debris Mitigation Compliance Verification Guidelines, 19 février 2015 (lire en ligne)

Réglementation française

• Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche, Arrêté du 31 mars 2011 relatif à la réglementation technique en application du décret no2009-643 du 9 juin 2009 relatif aux autorisations délivrées en application de la loi n°2008-518 du 3 juin 2008 relative aux opérations spatiales, 31 mars 2011 (lire en ligne)

Réglementation américaine

• (en) Gouvernement américain, U.S. Government Orbital Debris Mitigation Standard Practices (lire en ligne)
• (en) NASA, NASA Procedural Requirements for Limiting Orbital Debris, 2009 (lire en ligne)
• (en) NASA, Process for Limiting Orbital Debris, 25 mai 2012 (lire en ligne)

Nations unies

• (en) Nations Unies - Bureau pour les affaires spatiales, Space Debris Motigation Guidelines of the Committee on the Peaceful Uses of Outer Space, janvier 2010 (lire en ligne)

Divers

• (en) NASA, History of on-orbit satellite fragmentation (14^e édition), 2008 (lire en ligne)
• Fernand Alby, Jacques Arnould, André Debus, La pollution spatiale sous surveillance, Ellipses, 2007 (ISBN 978-2-7298-3395-4)
• (en) BenoitChamot, Mission and System Architecture Design for Active Removal of Rocket Bodies in Low Earth Orbit, 2012 (lire en ligne)
• Xavier Demeersman, Futura Sciences, 28 novembre 2016, « Combien de satellites artificiels y a-t-il autour de la Terre ? »
• Christophe Bonnal, Pollution spatiale, l'état d'urgence, Belin, 2016.

Annexes

Articles connexes

• Bouclier Whipple
• Pollution spatiale
• Objet géocroiseur
• Syndrome de Kessler
• Satellite artificiel
• RemoveDebris un mini-satellite expérimental de l'Agence spatiale européenne destiné à tester des techniques actives d'enlèvement de débris
• Two-Line Elements (TLE), format de publication des paramètres orbitaux d'objets en orbite terrestre

Liens externes

• (fr) Page du CNES consacrée aux débris spatiaux
• (en) Site de la NASA
• (en) Page de l'Agence spatiale européenne
• (en) Brochure présentant le programme de surveillance de l'Agence spatiale européenne
• (en) Site de l'IADC
• (en) Rapport de l'IADC (février 2016)
• (en) North American Aerospace Defense
• (en) Position paper on orbital debris - IAA (1999)
• (en) Base de données des paramètres des objets dont l'orbite est connue
• (en) Revue trimestrielle éditée par le bureau de la NASA chargé des débris spatiaux
• (en) Space’s Trash Collector? A Japanese Entrepreneur Wants the Job NYT 28 novembre 2016

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