Planification de missions pour ramasser les débris spatiaux

Les débris spatiaux sont tous les corps créés par l’Homme d’une taille supérieure à 10 microns évoluant autour de la Terre.

Notre planète est entourée d’une véritable déchetterie en apesanteur, constituée des innombrables débris provenant de vieux satellites hors d’usage. Depuis les débuts de la conquête spatiale dans les années 1960, des centaines de satellites ont été lancés, puis laissés à l’abandon dans l’espace à la fin de leur vie opérationnelle. Dans le cas des satellites géostationnaires utilisés pour la télévision et la météorologie, le satellite usagé est placé sur une orbite « cimetière » légèrement plus haute, afin de ne pas encombrer l’orbite géostationnaire. Une étude statistique récente a montré que le nombre de débris dans l’espace au-dessus de nos têtes a atteint un seuil critique.

Ce nombre augmente désormais de manière exponentielle à cause de l’érosion naturelle des matériaux constituant les satellites et des collisions de plus en plus fréquentes, génératrices de micro-débris. On dénombre environ 22 000 débris de plus de 10 cm (ce sont les plus dangereux), environ 500 000 dont la taille varie entre 1 et 10 cm, et des millions d’autres plus petits et impossibles à cataloguer.

Si la communauté internationale n’est pas capable de se mobiliser rapidement pour faire face à ce désastre, dans un avenir proche il deviendra très difficile, et parfois impossible, de lancer de nouveaux satellites en orbite. A l’heure actuelle, il est déjà nécessaire à chaque lancement d’Ariane de vérifier si aucun débris ne menace de détruire le lanceur ou le satellite. Ceci conduit parfois à des reports de tir dont le coût peut être très important. Pour les satellites en orbite, une surveillance continue est nécessaire, et des manœuvres d’évitement doivent être réalisées à chaque fois que le risque de collision devient trop grand. Du point de vue des télécommunications, les enjeux sont colossaux.

Max Cerf, ingénieur à EADS Astrium, a récemment soutenu une thèse pour trouver les trajectoires optimales qu’un engin devrait suivre afin de ramasser les débris les plus dangereux. Du point de vue mathématique, les techniques utilisées font appel à la théorie du contrôle optimal. Celle-ci permet de déterminer quelle trajectoire emprunter entre deux débris pour minimiser la consommation d’énergie du véhicule spatial. Le choix des débris à ramasser et l’ordre dans lequel on les ramasse est un problème difficile. Comme on cherche de plus à minimiser la consommation énergie, il faut être capable de résoudre efficacement un problème d’optimisation mixte, mélangeant des variables continues (optimisation de trajectoires entre deux débris) et discrètes (choix optimal d’un certain nombre de débris dans une liste de débris dangereux). Ces études doivent conduire à la conception d’un véhicule de nettoyage le moins coûteux possible, capable de ramasser suffisamment de débris à chaque vol.

Brève rédigée par Max Cerf (EADS Astrium) d’après ses travaux avec Thomas Haberkorn (Univ. Orléans) et Emmanuel Trélat (Univ. Paris 6).

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