Vaisseau spatial robotique

Un vaisseau spatial robotique est un vaisseau spatial non habité, généralement sous contrôle télérobotique. Un engin spatial robotisé conçu pour effectuer des mesures de recherche scientifique est souvent appelé sonde spatiale. De nombreuses missions spatiales sont plus adaptées aux opérations télérobotiques qu’aux opérations pilotées, en raison de leur coût et de leurs facteurs de risque moins élevés. De plus, certaines destinations planétaires telles que Vénus ou les environs de Jupiter sont trop hostiles à la survie humaine, compte tenu de la technologie actuelle. Les planètes extérieures telles que Saturne, Uranus et Neptune sont trop éloignées pour être atteintes avec la technologie actuelle des vols spatiaux habités. Les sondes télérobotiques sont donc le seul moyen de les explorer.

De nombreux satellites artificiels sont des engins spatiaux robotisés, de même que de nombreux atterrisseurs et rovers.

L’histoire
Le premier engin spatial robotisé a été lancé par l’Union soviétique (URSS) le 22 juillet 1951, un vol suborbital transportant deux chiens, Dezik et Tsygan. Quatre autres vols de ce type ont été effectués au cours de l’automne 1951.

Le 4 octobre 1957, le premier satellite artificiel, Sputnik 1, a été mis sur une orbite terrestre de 215 km sur 939 km par l’URSS. Le 3 novembre 1957, l’URSS a effectué une orbite autour de Spoutnik 2. Pesant 113 kg (249 lb), Spoutnik 2 a mis en orbite le premier animal vivant, le chien Laika. Comme le satellite n’était pas conçu pour se détacher de l’étage supérieur de son lanceur, la masse totale en orbite était de 508,3 kilogrammes (1 121 lb).

Dans une course serrée contre les Soviétiques, les États-Unis lancèrent leur premier satellite artificiel, Explorer 1, sur une orbite de 193 x 1337 milles marins (357 km sur 2 543 km) le 31 janvier 1958. L’explorateur I était un satellite de 80,75 pouces (205,1 cm) de long pour un diamètre de 15,00 cm (6,00 pouces) pesant 14 kg (30,8 livres), par rapport à Spoutnik 1, une sphère de 58 centimètres (23 pouces) pesant 83,6 kilogrammes (184 livres). Explorer 1 portait des capteurs qui confirmaient l’existence des ceintures de Van Allen, une découverte scientifique majeure de l’époque, alors que Spoutnik 1 ne portait aucun capteur scientifique. Le 17 mars 1958, les États-Unis ont mis en orbite leur deuxième satellite, Vanguard 1, qui avait à peu près la taille d’un pamplemousse et qui demeurait sur une orbite de 360 ​​milles nautiques (670 km, 3 850 km) en 2016.

Neuf autres pays ont lancé des satellites avec succès en utilisant leurs propres lanceurs: France (1965), Japon et Chine (1970), Royaume-Uni (1971), Inde (1980), Israël (1988), Iran (2009), Corée du Nord ( 2012) et en Nouvelle-Zélande (2018).

Conception
Dans la conception des engins spatiaux, l’US Air Force considère qu’un véhicule est composé de la charge utile de la mission et du bus (ou de la plate-forme). Le bus fournit la structure physique, le contrôle thermique, l’alimentation électrique, le contrôle d’attitude et la télémétrie, le suivi et la commande.

JPL divise le “système de vol” d’un engin spatial en sous-systèmes. Ceux-ci inclus:

Structure
C’est la structure physique de l’épine dorsale. Il:

fournit l’intégrité mécanique globale de l’engin spatial
s’assure que les composants de l’engin spatial sont pris en charge et peuvent résister aux charges de lancement

Le traitement des données
Ceci est parfois appelé le sous-système de commande et de données. Il est souvent responsable de:

stockage de séquence de commande
maintenir l’horloge du vaisseau spatial
collecte et communication des données de télémétrie des engins spatiaux (p. ex. santé des engins spatiaux)
collecte et communication des données de mission (p. ex. images photographiques)

Détermination et contrôle d’attitude
Ce système est principalement responsable de l’orientation correcte de l’engin spatial dans l’espace (assiette) malgré les effets de gradient de perturbation-gravité externes, les couples de champ magnétique, le rayonnement solaire et la traînée aérodynamique; De plus, il peut être nécessaire de repositionner des pièces mobiles, telles que des antennes et des panneaux solaires.

Atterrissage sur un terrain dangereux
Dans les missions d’exploration planétaire impliquant des engins spatiaux robotisés, le processus d’atterrissage à la surface de la planète comporte trois étapes essentielles pour assurer un atterrissage sûr et réussi. Ce processus comprend une entrée dans le champ de gravité et l’atmosphère planétaires, une descente dans cette atmosphère vers une région de valeur scientifique voulue / ciblée et un atterrissage en toute sécurité garantissant l’intégrité de l’instrumentation sur l’embarcation. Pendant que le vaisseau spatial robotique traverse ces parties, il doit également être capable d’estimer sa position par rapport à la surface afin d’assurer un contrôle fiable sur lui-même et sa capacité à bien manœuvrer. Le vaisseau spatial robotique doit également effectuer efficacement une évaluation des dangers et des ajustements de trajectoire en temps réel pour éviter les dangers. Pour ce faire, le véhicule robotique nécessite une connaissance précise de son emplacement par rapport à la surface (localisation), des dangers pouvant être associés au terrain (évaluation des risques) et de son orientation actuelle (prévention des risques). Sans la possibilité d’opérations de localisation, d’évaluation des dangers et d’évitement, le vaisseau spatial robotique devient dangereux et peut facilement entrer dans des situations dangereuses telles que des collisions en surface, des niveaux de consommation de carburant indésirables et / ou des manœuvres dangereuses.

Entrée, descente et atterrissage
La détection intégrée incorpore un algorithme de transformation d’image pour interpréter les données de terrain d’imagerie immédiate, effectuer une détection en temps réel et éviter les aléas du terrain susceptibles d’entraver un atterrissage en toute sécurité, et augmenter la précision de l’atterrissage sur un site d’intérêt souhaité à l’aide de techniques de localisation de point de repère. La détection intégrée complète ces tâches en s’appuyant sur des informations et des caméras préenregistrées pour comprendre son emplacement et déterminer sa position, ainsi que la pertinence ou non des corrections (localisation). Les caméras sont également utilisées pour détecter tout risque éventuel, qu’il s’agisse d’une consommation de carburant accrue ou d’un risque physique, tel qu’un point d’atterrissage de mauvaise qualité dans un cratère ou une falaise, qui rendrait l’atterrissage très difficile (évaluation des risques).

Les télécommunications
Les composants du sous-système de télécommunications comprennent les antennes radio, les émetteurs et les récepteurs. Ceux-ci peuvent être utilisés pour communiquer avec des stations au sol sur Terre ou avec d’autres engins spatiaux.

Puissance électrique
L’alimentation électrique des engins spatiaux provient généralement de cellules photovoltaïques (solaires) ou d’un générateur thermoélectrique à radio-isotopes. Les autres composants du sous-système comprennent des batteries pour le stockage de l’alimentation et des circuits de distribution qui connectent les composants aux sources d’alimentation.

Contrôle de la température et protection de l’environnement
Les engins spatiaux sont souvent protégés des variations de température par l’isolation. Certains engins spatiaux utilisent des miroirs et des parasols pour une protection supplémentaire contre le chauffage solaire. Ils ont également souvent besoin d’une protection contre les micrométéorides et les débris orbitaux.

Propulsion
La propulsion d’un vaisseau spatial est une méthode qui permet à un vaisseau spatial de voyager dans l’espace en générant une poussée qui le propulse vers l’avant. Cependant, il n’existe pas de système de propulsion universellement utilisé: monopropellant, bipropellant, propulsion ionique, etc. Chaque système de propulsion génère une poussée légèrement différente, chaque système ayant ses propres avantages et inconvénients. Mais la plupart des moteurs de propulsion utilisés aujourd’hui reposent sur des moteurs de fusée. L’idée générale derrière les moteurs de fusée est que lorsqu’un oxydant rencontre la source de carburant, il se produit une libération explosive d’énergie et de chaleur à grande vitesse, ce qui propulse l’engin spatial vers l’avant. Cela est dû à un principe de base connu sous le nom de troisième loi de Newton. Selon Newton, «chaque action entraîne une réaction égale et opposée». L’énergie et la chaleur étant libérées par l’arrière de l’engin spatial, des particules de gaz sont poussées pour lui permettre de se propulser vers l’avant. La principale raison de l’utilisation du moteur de fusée aujourd’hui est que les fusées sont la forme de propulsion la plus puissante qui soit.

Monopropellant
Pour qu’un système de propulsion fonctionne, il y a toujours une ligne de comburant et une conduite de carburant. De cette façon, la propulsion de l’engin spatial est contrôlée. Mais dans une propulsion monopropellante, une ligne d’oxydant n’est pas nécessaire et ne nécessite que la conduite de carburant. Cela fonctionne parce que l’oxydant est lié chimiquement à la molécule de carburant elle-même. Mais pour que le système de propulsion soit contrôlé, la combustion du carburant ne peut se produire que par la présence d’un catalyseur. Ceci est très avantageux car le moteur de fusée est plus léger et moins cher, plus facile à contrôler et plus fiable. Cependant, le produit chimique est très dangereux à fabriquer, à stocker et à transporter.

Bipropellant
Un système de propulsion bipropellant est un moteur de fusée utilisant un propulseur liquide. Cela signifie que la conduite d’oxydant et la conduite de carburant sont à l’état liquide. Ce système est unique car il ne nécessite aucun système d’allumage, les deux liquides brûleraient spontanément dès qu’ils se toucheraient et produiraient la propulsion nécessaire pour faire avancer le navire. Le principal avantage de cette technologie réside dans le fait que ces types de liquides ont une densité relativement élevée, ce qui permet de réduire le volume du réservoir propulsif, augmentant ainsi l’efficacité spatiale. L’inconvénient est le même que celui du système de propulsion monopropellant: très dangereux à fabriquer, à stocker et à transporter.

Ion
Un système de propulsion ionique est un type de moteur qui génère une poussée par bombardement d’électrons ou par accélération d’ions. En projetant des électrons de haute énergie sur un atome de propulseur (charge neutre), il élimine les électrons de l’atome de propulseur et l’atome de propulseur devient un atome chargé positivement. Les ions chargés positivement sont guidés pour passer à travers des grilles chargées positivement contenant des milliers de trous alignés avec précision fonctionnant à haute tension. Ensuite, les ions chargés positivement alignés accélèrent à travers une grille d’accélérateur chargée négative qui augmente encore la vitesse des ions jusqu’à 90 000 mph. La quantité de mouvement de ces ions chargés positivement fournit la poussée nécessaire pour faire avancer l’engin spatial. L’avantage de ce type de propulsion est qu’il est incroyablement efficace pour maintenir une vitesse constante, ce qui est nécessaire pour les voyages dans les espaces les plus lointains. Cependant, la quantité de poussée produite est extrêmement faible et nécessite beaucoup d’énergie électrique pour fonctionner.

Dispositifs mécaniques
Les composants mécaniques doivent souvent être déplacés pour le déploiement après le lancement ou avant l’atterrissage. Outre l’utilisation de moteurs, de nombreux mouvements ponctuels sont contrôlés par des dispositifs pyrotechniques.

Vaisseau spatial robotique ou non habité
Les engins spatiaux robotiques sont des systèmes spécialement conçus pour un environnement hostile spécifique. En raison de leurs spécifications pour un environnement particulier, sa complexité et ses capacités varient considérablement. Un engin spatial non habité est un engin spatial sans personnel ni équipage et est exploité de manière automatique (procède avec une action sans intervention humaine) ou à distance (avec une intervention humaine). Le terme “vaisseau spatial non habité” n’implique pas qu’il est robotique.

Contrôle
Les engins spatiaux robotiques utilisent la télémétrie pour transmettre par radio les données acquises et les informations sur l’état des véhicules. Bien qu’ils soient généralement appelés “télécommandés” ou “télérobotiques”, les premiers engins spatiaux orbitaux, tels que Sputnik 1 et Explorer 1, n’ont pas reçu de signaux de commande de la Terre. Peu de temps après ces premiers engins spatiaux, des systèmes de commande ont été développés pour permettre un contrôle à distance depuis le sol. Une autonomie accrue est importante pour les sondes lointaines où le temps de déplacement de la lumière empêche une décision et un contrôle rapides de la Terre. Les sondes plus récentes telles que Cassini – Huygens et les robots d’exploration Mars sont très autonomes et utilisent des ordinateurs de bord pour fonctionner de manière indépendante pendant de longues périodes.

Sondes spatiales
Une sonde spatiale est un engin spatial robotique qui ne tourne pas autour de la Terre mais explore plus loin dans l’espace. Une sonde spatiale peut s’approcher de la Lune. voyager à travers l’espace interplanétaire; survol, orbite ou atterrissage sur d’autres corps planétaires; ou entrez dans l’espace interstellaire.

Le dragon de SpaceX
Un exemple de vaisseau spatial entièrement robotisé dans le monde moderne serait le Dragon de SpaceX. Le SpaceX Dragon est un engin spatial robotique conçu pour envoyer non seulement des cargaisons en orbite terrestre, mais également des êtres humains. La hauteur totale du SpaceX Dragon est de 7,2 m (23,6 pi) avec un diamètre de 3,7 m (12 pi). La masse totale de la charge utile de lancement est de 6 000 kg (13 228 lb) et une masse totale de retour de 3 000 kg (6 614 lb), avec un volume total de charge utile de lancement de 25 m ^ 3 (883 pi ^ 3) et un volume total de charge utile de retour de 11 m ^ 3 (388 ft ^ 3). La durée totale du dragon en orbite terrestre est de deux ans.

En 2012, le SpaceX Dragon est entré dans l’histoire en devenant le premier véhicule spatial robotisé commercial à livrer des marchandises à la Station spatiale internationale et à les ramener en toute sécurité sur Terre au cours du même voyage. Cet exploit que le Dragon a réalisé n’a été réalisé que par les gouvernements. Actuellement, le Dragon est censé transférer des marchandises en raison de sa capacité à restituer d’importantes quantités de marchandises sur Terre, alors qu’il avait été conçu à l’origine pour transporter des êtres humains.

Une sonde spatiale est une mission scientifique d’exploration spatiale dans laquelle un engin spatial quitte la Terre et explore l’espace. Il peut s’approcher de la Lune, pénétrer dans des corps interplanétaires, survoler ou orbiter, ou s’approcher de l’espace interstellaire.

Véhicules de service de robotique
Véhicule de dépannage pour infrastructures spatiales MDA – Dépôt de ravitaillement dans l’espace et engin spatial de service destinés aux satellites de communication en orbite géosynchrone. Lancement prévu pour 2015. [mise à jour nécessaire]
Mission Extension Vehicle est une approche alternative qui n’utilise pas le transfert de carburant RCS dans l’espace. Au lieu de cela, il se connecterait au satellite cible de la même manière que MDA SIS, puis utiliserait “ses propres propulseurs pour fournir un contrôle d’attitude à la cible”.