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Le service en orbite dans la nouvelle course à l’espace. De la réparation de satellites à l’exploitation des ressources spatiales

Tandis que la population de satellites tend à se densifier, le service en orbite, ou On-orbit servicing (OOS) s’apprête à ouvrir de nouvelles perspectives et à devenir structurant dans la nouvelle course à l’espace. Du ravitaillement jusqu’à la réparation, en passant par l’assemblage en orbite, l’OOS permettra bientôt l’émergence d’un spatial modulaire capable d’ajuster son architecture de manière continue. Qui prétend être une puissance spatiale doit aujourd’hui s’intéresser de près à ces nouvelles dynamiques, dont beaucoup sont guidées par le domaine militaire.

Le 25 février 2020, le remorqueur spatial Mission extended vehicle 1 (MEV‑1) de Northrop Grumman effectuait son premier amarrage avec le satellite de télécommunication Intelsat 901, alors situé sur une orbite cimetière proche de l’arc géostationnaire. En orbite depuis 2001 et à court de carburant depuis décembre 2019, il sera exploité cinq années supplémentaires. Malgré des précédents à titre expérimental, cette manœuvre a inauguré le service commercial en orbite d’extension de vie, tout en démontrant publiquement sa faisabilité technique. Le 12 avril dernier, un second MEV s’est arrimé à un autre Intelsat (10‑02) pour une manœuvre similaire, tandis que le 21 mars la mission ELSA‑D d’Astroscale, visant à mettre au point des techniques de rendez-­vous, de maintenance et de désorbitation, avait décollé depuis Baïkonour.

Les projets de véhicules remorqueurs, de ravitaillement, de maintenance, d’assemblage, d’inspection, de réparation ou de désorbitation de satellites et de débris en orbite se multiplient. On en recense aujourd’hui une cinquantaine, dont plus de la moitié aux États-Unis. Selon une étude publiée en février 2021 par le cabinet de conseil North Sky Research (NSR), parmi toutes les possibilités qu’offre le service en orbite, le domaine de l’extension de vie, tel que le MEV le propose, représenterait 51 % du marché à venir du service en orbite. L’orbite géostationnaire concentrerait 17 % de l’activité, avec un marché de 3,2 milliards de dollars d’ici à 2030, tandis que les orbites non géostationnaires capteraient les 83 % restants avec 230 satellites clients potentiels (1). Compte tenu du coût d’envoi d’un véhicule de service en orbite, considérons aujourd’hui que cela s’adresse à des satellites à haute valeur ajoutée (satellites GNSS, gouvernementaux, militaires, scientifiques, etc.).

Le service en orbite trouve ses origines dans les techniques de rendez-­vous et d’opération de proximité, que l’on peut définir par une manœuvre intentionnelle visant à rapprocher physiquement un satellite artificiel d’un autre objet en orbite, en vue de s’y amarrer ou de mener des opérations à ses abords. L’amarrage d’un Soyouz à l’ISS est une opération classique de ce type. Toutefois, les progrès en matière d’automatisation, de guidage ou de navigation ouvrent des perspectives nouvelles. Tandis que l’intérêt pourrait être commercial ou scientifique, il revêt également une dimension militaire lorsqu’il s’agit d’opérations antisatellites.

Principaux pays à l'origine de la pollution spatiale

De fortes potentialités économiques et stratégiques : le service en orbite pour quels usages ?
Inspection, déploiement et réparation

Depuis 1959, les opérateurs et les assureurs de satellites ont fait état de 200 anomalies imputables à des panneaux solaires ou à des antennes mal déployés. Ces dysfonctionnements qui dégradent les performances des satellites ont coûté plus de 4,4 milliards de dollars aux assureurs (2). En 2018, le satellite de télécommunication Viasat‑2, initialement conçu pour émettre 350 Gbps, a vu ses capacités limitées à 260 Gbps après un déploiement partiel de ses antennes. Là encore, l’assurance a couvert financièrement l’opérateur à hauteur de 215 millions de dollars (3). Mais, à terme, un véhicule inspecteur équipé d’un bras articulé pourrait résoudre ces problèmes en déployant les antennes et les panneaux solaires bloqués. À plus long terme, nous pourrions même imaginer le remplacement en orbite de composants défectueux.

Représentation schématique du Mission extended vehicle 1 (MEV‑1) de Northrop Grumman

Extension de vie : ravitaillement et remorquage

Intelsat a déclaré en 2020 que chacun de ses satellites de télécommunication lui rapportait en moyenne 40 millions de dollars par an (4). Lorsque l’on sait que de tels satellites coûtent autour de 300 millions à l’unité et qu’une version militaire comme un Advanced EHF de l’US Air Force a coûté plus de 1,3 milliard de dollars (5), le ravitaillement prend tout son sens. Faute de carburant pour assurer le maintien à poste, les satellites de télécommunications sont envoyés vers une orbite cimetière après 15 années d’exploitation, et ce malgré le fonctionnement nominal des autres composants. Pourtant, on relève que la plupart des anomalies remontées par les opérateurs surviennent généralement lors de la première année d’exploitation, ou durant l’étape de placement en orbite. Selon la base de données Seradata-Spacetrack, 5 % des satellites en orbite géostationnaire rencontrent une anomalie majeure la première année de leur exploitation (6). On tombe à moins de 1 % pour les années suivantes. Bien que le MEV de Northrop Grumman ne propose pas un ravitaillement en tant que tel, il permet, en s’arrimant au satellite client, de lui apporter un support de propulsion pour cinq années supplémentaires. Par la même occasion, le client du MEV peut décider de déplacer son satellite sur une autre position, et ainsi ajuster l’architecture de sa constellation en fonction de la demande de ses utilisateurs.

Répartition des projets de service en orbite

Désorbitation de débris et de satellites

L’espace compte aujourd’hui plus de 24 000 débris de plus de dix centimètres et 300 000 entre zéro et dix centimètres. Ces risques rendent les manœuvres d’évitement fréquentes, et plus nombreuses au regard de la multiplication des satellites actifs en orbite (1 700 en 2017 pour 3 000 en 2021) (7). Bien qu’il existe des règles en matière de désorbitation, il arrive encore qu’elles ne soient pas respectées, volontairement ou non. Le satellite d’observation Envisat de l’Agence spatiale européenne, lancé en 2002 et avec lequel le contact a été perdu le 8 avril 2012, est aujourd’hui le plus gros satellite inopérant en orbite autour de la Terre. Il représente aujourd’hui un danger pour d’autres constellations compte tenu de son orbite située autour de 800 kilomètres. Un tel débris pourrait provoquer l’enclenchement d’un syndrome de Kessler (8) et pourrait rendre un plan orbital quasi inutilisable. Mais quel marché existe-t‑il aujourd’hui pour la désorbitation de débris ? Selon l’étude du NSR, cela représenterait 7 % du revenu global du service en orbite d’ici à 2030. C’est pour répondre à cette demande que le britannique Astroscale a lancé sa mission ELSA‑D le dimanche 21 mars dernier, qui vise à démontrer la faisabilité de l’assemblage et de la désorbitation de débris. Pour Mark Emerton, responsable de recherche en robotique à l’UK Research and Innovation (UKRI), l’équivalent du CNRS, « becoming a leader in in-orbit servicing serves as a steppingstone toward in-orbit manufacturing dominance (9) ». Cette approche nous amène à nous questionner sur l’intérêt stratégique à moyen et à long terme du service en orbite, et sur l’importance de mesurer cette perspective.

Assemblage et exploitation des ressources spatiales

Maîtriser aujourd’hui des missions de service en orbite terrestre, c’est assurer à moyen et à long terme sa capacité à se projeter sur des missions cislunaires. Puisque le service en orbite relève du domaine de la robotique en milieu contraint, ce qui est fait en orbite pourrait être fait directement sur le sol lunaire, en vue d’exploiter ses ressources et ainsi fabriquer à terme de manière in situ le propergol oxygène/hydrogène (LOX/LH2) ou oxygène/méthane (LOX/CH4) nécessaire pour rejoindre Mars depuis la Lune. Les défis sont encore immenses pour y parvenir. Avant de pouvoir fabriquer in situ, le dépôt de station de ravitaillement en orbite semble être une solution avantageuse. Une fois le décollage terrestre effectué, le lanceur pourrait se ravitailler en orbite basse pour continuer vers la Lune. C’est en ce sens que la start-up américaine Orbit Fab travaille. Pour stimuler ses recherches, la National Science Foundation (NSF) américaine lui a attribué en 2020 une subvention de 250 000 dollars (10). De son côté, l’US Air Force l’a choisie pour développer un connecteur universel destiné au transfert de fluides en orbite. Et preuve de son dynamisme, Orbit Fab s’apprêtait en juin à mettre en orbite son premier réservoir.

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