Mécanisme déployable de capture de débris orbitaux

Une grande quantité et variété de débris — étages de fusée de lancement, satellites inutilisables et particules de toutes tailles (jusqu’à 10 – 15 kg de masse) provenant de sources naturelles (principalement des météoroïdes) et artificielles (humaines) — s’éparpillent sur les orbites les plus populaires. Il est généralement admis que l’impact de particules aussi petites que 0,5 cm peut mettre en péril le fonctionnement des engins spatiaux, de même que leur mission, et augmenter le nombre de débris spatiaux. De plus, en bombardant en continu les surfaces d’un engin spatial fonctionnel, les petites particules contribuent à la dégradation des instruments et des composants sensibles, comme des instruments optiques et des panneaux solaires. Dans cette perspective, nous proposons un nouveau concept pour la détection et la collecte de débris de moins de 10 cm de diamètre.

Le déploiement de grandes structures dans l’espace est un concept qui a été étudié et expérimenté dans de nombreuses missions, un exemple étant les panneaux solaires qui sont généralement déployés après que l’engin spatial a atteint son orbite opérationnelle. Récemment, plusieurs missions de démonstration ont utilisé des CubeSats pour déployer des voiles et des filets. La conception de notre structure déployable en orbite exploite les mécanismes à membrures rigides sous-actionnés — une stratégie bien connue pour déployer des structures robustes dans l’espace, comme l’a démontré l’antenne ERA‑9 déployée sur la station MIR. Plus récemment, des mécanismes à pantographe en forme d’anneau ont été utilisés pour déployer une antenne à faible erreur d’émission en orbite. Le concept de ce projet consiste en un mécanisme déployable pouvant atteindre un ratio d’expansion de 45. Ses membrures rigides sont pliées au transport et déployées une fois en orbite à l’aide d’un actionneur unique. Une grande membrane est déployée sur la surface, formant ainsi une structure en forme de coupole. La fonctionnalité du mécanisme a été étudiée de manière approfondie. L’analyse d’une mission complète de collecte de débris de taille petite à moyenne est réalisée à l’aide d’outils de simulation des agences spatiales européennes et américaines.

Le déploiement du mécanisme de coupole devrait avoir un effet minimal sur l’attitude de l’engin spatial, cette action étant radialement symétrique. Cependant, le déploiement de chaque module dans la coupole assemblée générera des perturbations d’attitude non négligeables. Un système de contrôle d’attitude de la base satellite peut être utilisé pour compenser ces perturbations pendant la phase initiale de la mission. Selon la conception du système de contrôle d’attitude, ce système peut convenir à maintenir l’attitude du dispositif entièrement déployé au cours de la mission. Cependant, nous avons étudié aussi un système de stabilisation basé sur un ensemble de roues d’inertie distribuées directement sur la coupole pour compenser le transfert du moment cinétique provenant des impacts des débris.

Nous estimons qu’un tel système peut récupérer des milliards d’objets de petite à moyenne taille au cours d’une mission d’un an. Par contre, notre estimation du coût de retrait d’un débris (880 000 $ / débris) comparé au résultat de l’analyse de la valeur rapporté par Vance et Mense (2013) (14 500 $ / débris) amène à conclure que le concept de mission proposé n’est pas économiquement viable pour le moment. Néanmoins, ces travaux ouvrent la voie à de futurs concepts de mission pour l’élimination des débris de petite à moyenne taille afin d’assurer des missions spatiales sécuritaires.