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2010, l’année où l’ultra léger décollera.

Avoir une bonne idée, c’est bien. Savoir comment la mettre en œuvre, c’est encore mieux. Une technologie envisagée dès les années 1960, celle des structures ultra légères, arrive aujourd’hui à maturité et devrait prochainement rejoindre l’espace avec la mission Microscope du CNES.

« Gossamer ». Ce mot anglais, équivalent de l’expression française « fil d’ange » est une façon poétique de désigner les toiles d’araignées, symbole à la fois de légèreté et de résistance. Un parfait résumé des exigences de l’industrie spatiale où, compte tenu des performances limitées des lanceurs, tout est fait pour optimiser le poids des satellites.

Les premiers tests de structures Gossamer ont été menés dès les années 1960 avec les satellites américains ECHO, vastes ballons réfléchissants de 30 m de diamètre utilisés comme antennes relais. Mais faute de pouvoir adopter des formes plus élaborées que la sphère, la filière Gossamer restera longtemps en enfance.

Gonflage du ballon américain ECHO dans les années 60. Crédits : NASA

L’ultra léger prend forme

Pourtant, les bénéfices que ces structures ultralégères pouvaient apporter aux missions étaient tels que l’idée ne quittera jamais l’esprit des ingénieurs du spatial. Si bien qu’aujourd’hui, grâce à l’évolution des techniques de mise en œuvre des matériaux composites, on peut réaliser des structures à la fois légères et adoptant des formes complexes.

Les structures ultra légères peuvent dès lors se transformer en autant de pare-soleil, bras déployables, et pourquoi pas voiles solaires suffisamment vastes et légères pour récolter efficacement la pression des photons émis par notre étoile.

Mais en attendant qu’elles autorisent peut-être un jour le départ de la première régate solaire, les structures ultra légères auront déjà aidé à concrétiser une belle idée : débarrasser l’espace des satellites en fin de vie qui constituent autant de débris spatiaux. Premier bénéficiaire de cette technologie, la mission scientifique Microscope, qui doit gagner l’espace en avril 2010.

Une fois sa mission accomplie, le satellite verra son orbite abaissée grâce à une structure ultra légère se déployant en voile, IDEAS, acronyme de Innovative DEorbiting Aerobrake System, soit « système innovant de désorbitation par aérofreinage ».

Ce système est développé par EADS Space Transportation sous la supervision du CNES et vient d’être testé avec succès lors d’une récente campagne de vols paraboliques à bord d’un Airbus zéro-G.




Prototype de tube gonflable déplié. Crédits : CNES

2010, l’année où l’ultra léger décollera - Regagner la Terre « à la voile »

À partir de 2011, lorsqu’il aura mené à bien sa mission d’étude du principe d’équivalence, le satellite Microscope deviendra un débris inerte tournant sur une orbite de basse altitude déjà très encombrée.

Le CNES, signataire de traités internationaux visant à la réduction des débris spatiaux, a imaginé une méthode originale pour faire redescendre Microscope dans l’atmosphère : le freiner avec IDEAS, une structure ultra légère qui jouera sensiblement le même rôle que les parachutes de freinage dont sont équipés certains avions de chasse, mais sur une durée beaucoup plus longue.

Comme le précise Loïc Boloh, sous-directeur technique véhicule au CNES, « à l’altitude de 730 km, si Microscope était livré à lui-même à la fin de sa mission, il mettrait plus de 60 ans à retomber dans l’atmosphère. En déployant une voile ultralégère de 5 m2 seulement, on réduit cette durée à 25 ans ».

En effet cette voile, démultipliant la traînée du satellite au travers des rares particules atmosphériques croisant encore à cette altitude, accélèrera l’érosion naturelle de son orbite.

La phase la plus délicate pour une structure ultra légère sera sans nul doute celle de son déploiement en impesanteur. C’est la raison pour laquelle une campagne d’essais en microgravité a récemment été menée à bord d’un Airbus Zéro-G de la société Novespace.
Vue d’artiste du satellite Microscope. Crédits : CNES/Ill. D. Ducors

IDEAS apprend à déployer ses ailes

Pendant les phases d’impesanteur, une maquette de mat de 1 m de long a été mise sous pression par gonflage avec un gaz inerte (azote).
« L’idée était de valider le début de déploiement du tube, qui au départ est plié » précise Loïc Boloh. « Une autre maquette nous a permis de tester le déploiement des 2 membranes associées qui serviront de voile. Les retours de cette expérience ont été très riches d’enseignements ». Ces tests ont notamment permis au CNES, qui fournit à EADS ST les spécifications afin de rendre le système compatible avec la plate-forme Microscope, de vérifier de façon très fine les paramètres présidant au guidage du déploiement.
L’influence de la méthode de pliage sur le déroulement des opérations a également été évaluée. Afin de pouvoir prendre place sous la coiffe du lanceur en même temps que Microscope, le mat et les voiles doivent en effet occuper un volume ne dépassant pas 60 x 60 x 10 cm, pour un poids de 12 kg.

Pour tenir un tel cahier des charges, il a fallu réunir des matériaux hors normes, comme le kapton, un film polymère très fin et peu sensible aux variations de température, qui constitue l’essentiel de la voilure. Ce Kapton est posé sur un treillis en Nomex, fibre elle aussi très résistante à la chaleur. Et pour éviter que la voile ne se déchire en orbite pendant les 25 ans que durera son odyssée, elle comprend également de l’aluminium contre les ultraviolets solaires, et de l’oxyde de silicium contre la corrosion due à l’oxygène atomique.

Ces tests de déploiement de structures ultra légères, les premiers menés lors d’une campagne de vol parabolique en Europe, ont été couronnés de succès. Fort de ces résultats très prometteurs, le CNES va pouvoir poursuivre avec EADS ST le dialogue technique fructueux grâce auquel MICROSCOPE mettra un jour les voiles pour revenir sur Terre.
Satellite Microscope équipé de ces 2 ailes de désorbitation déployées (4m 60 de long). Crédits : CNES