Un satellite unique en son genre : Aeolus


La mesure des vents est un élément essentiel de notre quotidien. Que ce soit pour prédire la météo, savoir où placer des champs éoliens, où construire des aéroports ou encore savoir quand évacuer les populations lors de cyclones, il est très important pour nous de comprendre les vents mais surtout d’avoir un suivi de ces derniers. C’est dans cet objectif qu’est né Aeolus, premier satellite à mesurer cela depuis l’espace. Et pour ce faire, Aeolus est armé d’un appareil nommé ALaDIn qui est en fait un LIDAR couplé à des mesures de l’effet Doppler et plein d’autres phénomènes optiques qui seront détaillés dans quelques paragraphes.

Vue d’artiste de la séparation de la coiffe lors du lancement. On voit bien le télescope d’Aeolus au centre. Crédits : ESA

Histoire

Ce satellite qui tire son nom du dieu grec Eole, dieu des vents qui a notamment aidé Ulysse dans son voyage pour rentrer de Troie, fait parti du programme Living Planet de l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Ce dernier regroupe toutes les missions spatiales dédiées à l’observation de la Terre. La constellation Sentinel dont nous avons déjà parlé à l’occasion du lancement de Sentinel 3B fait parti de ce programme mais Aeolus appartient au groupe Earth Explorer. Celui-ci rassemble les satellites à but de recherche scientifique en opposition aux Sentinel qui recueillent en continue des données sur notre belle planète bleue (et verte).

Programme Living Planet. Crédits : ESA

Il existe actuellement huit missions Earth Explorer :

 -GOCE lancé en mars 2009 qui a mesuré avec une très grande précision le champ gravitationnel terrestre pour en faire une carte mondiale.

 -SMOS lancé en novembre 2009 a étudié le cycle de l’eau terrestre en mesurant la salinité des océans et l’humidité des sols.

 -CryoSat 2 lancé en avril 2010 après l’échec du lancement de CryoSat 1 en 2005 mesure les fluctuations dans l’épaisseur de la glace sur le sol mais aussi dans les océans

 -Swarm lancé en novembre 2013 qui a, depuis, fourni le meilleur modèle du champ magnétique terrestre et de son évolution dans le temps.

 -ADM-Aeolus lancé en août 2018 démontrera la possibilité de caractériser les vents grâce à des lasers.

 -EarthCARE dont le lancement est prévu en 2018 améliorera notre représentation et compréhension de la manière dont la Terre réfléchit, absorbe et conserve les rayonnements.

 -Biomass prévu pour un lancement en 2020 fournira des mesures sur la quantité de biomasse et de carbone stocké dans les forêts et ainsi nous permettra de mieux comprendre le cycle du carbone.

 -FLEX dont le lancement est prévu pour 2022 cartographiera la fluorescence végétale pour quantifier l’activité photosynthétique.

Les huit missions actuelles du programme Earth Explorer. Crédits : ESA

Le projet ADM-Aeolus (Atmospheric Dynamics Mission Aeolus) voit le jour à la veille de l’année 2000 et est sélectionné par l’ESA pour démarrer le programme Living Planet. Il est initialement prévu que le lancement ait lieu en 2007 mais les problèmes dans la conception de la fabrication de l’instrument principal du satellite repousseront la date ultime jusqu’à août 2018. En 2003, c’est le groupe EADS Astrium Satellites, ensuite devenu groupe Airbus, qui est choisi pour développer Aeolus. En 2000, un premier satellite avait été imaginé. Il devait peser 785kg, posséder un télescope de 1,10m et être alimenté en électricité par des panneaux solaires de 725W. Finalement, aux vues de son orbite basse et donc de la traînée atmosphérique importante et aussi du grand nombre de photons renvoyés par l’atmosphère, le modèle est modifié : on double la quantité d’ergols, on augmente la taille du télescope en le passant à 1,50m de diamètre, on optimise la forme du tube qui protège ce dernier… Au final, la masse d’Aeolus a quasiment été multipliée par deux pour un total de 1 400kg.

Vue d’artiste du satellite Aeolus en orbite et déployé. Crédits : ESA

Vient ensuite la mise au point de l’instrument Aladin. Celui-ci se base sur une technologie jamais mise en œuvre dans l’espace et à cause (ou grâce) de cet avant-gardisme, de nombreux problèmes se sont posés : Résultat ? La mission prend 10 ans de retard ! Un des obstacles majeurs était le secret défense sur les lasers ultraviolets car ils étaient utilisés dans les bombes atomiques. Une fois les problèmes résolus (ces résolutions seront décrites plus loin), un petit prototype, A2D (ALADIN Airborne Demonstrator) a été construit et placé sur un avion de l’agence spatiale allemande, la DLR, pour le tester.

Modèle 3D du prototype A2D monté sur un avion de la DLR. Crédits : DLR

Au final, le projet aura couté 550 millions d’euros, ce qui reste très peu lorsque comparé à des projets militaires. En 2016, le lanceur léger européen Vega est choisi pour mettre sur orbite Aeolus et le lancement est prévu pour fin 2017. En mai 2017, le satellite arrive au Centre Spatial de Liège en Belgique, centre spécialisé dans l’optique spatiale, pour subir une série de tests dont 50 jours de tests sous vide pour qualifier l’instrument Aladin. Ensuite, Aeolus a été transporté jusqu’à Kourou mais au lieu de voyager par avion comme la plupart des satellites, il a traversé l’Atlantique par bateau. Pourquoi ? demanderiez-vous. A cause de la pressurisation rapide lors de la descente en altitude, Aeolus aurait pu être endommagé à cause de l’ingestion de polluants et de poussières. C’est donc le navire routier Ciudad de Cadiz qui l’amène jusqu’en Guyane française.

Bateau transporteur Ciudad de Cadiz. Crédits : Frank Schwichtenberg (Creative Commons)

 

ALaDIn

L’instrument scientifique que va utiliser Aeolus pour réaliser sa mission se nomme Aladin et est l’acronyme de Atmospheric Laser Doppler Instrument auquel les ingénieurs ont rajouté une touche d’humour pour ne pas juste l’appeler ALDI. Ce dernier va utiliser un puissant laser ultraviolet (355nm de longueur d’onde) pour réaliser ses mesures. Aladin enverra de très courtes pulsations de ce laser vers la Terre (100 pulsations par seconde). Une fois que cette pulsation rencontre une poussière ou un aérosol contenu dans l’air, elle sera réfléchie et potentiellement captée par Aeolus. En mesurant le temps entre l’émission et la réception, Aladin pourra calculer la distance qui le sépare de cette poussière ou aérosol.

Graphique illustrant le décalage dû à l’effet Doppler. La diffusion Rayleigh est celle causée par les molécules d’air et la diffusion Mie est causée par les gouttelettes d’eau et les aérosols. Crédits : ESA

Mais comment peut-on mesurer la vitesse des vents si nous n’avons accès seulement à la distance ? Et c’est là qu’entre en jeu le D de Aladin ! Grâce à l’effet Doppler, quand la pulsation lumineuse rencontrera cette particule dans l’air, si celle-ci est en mouvement, alors la longueur d’onde de la pulsation sera modifiée. Elle sera soit augmentée si la particule s’éloigne d’Aeolus, soit réduite dans le cas contraire. Ainsi, en mesurant le décalage de la longueur d’onde entre celle de la pulsation envoyée et celle de la pulsation reçue, il est possible de déterminer la vitesse de déplacement de la particule. Et étant donné que cette dernière est portée par le vent, alors nous avons une mesure de la vitesse de ce dernier !

Schéma du fonctionnement du laser d’Aladin. Crédits : ESA

Aladin est donc composé d’un laser qui génère 5W de lumière d’une longueur d’onde de 355nm (hors du spectre visible par l’Homme). Cette dernière a été choisie car c’est celle qui est le plus réfléchie par les molécules atmosphériques. Pour créer ce rayon cohérent, tout un agencement de sources lasers (lasers Nd-YAG qui produisent des impulsions d’une énergie de 120mJ avec une fréquence de 100Hz), de lentilles, d’amplificateurs, etc a été mis en place. Et on en revient à un des problèmes qui a causé tant de retard ! A cause de l’énergie transporté par ce laser, l’optique interne est portée à des températures très importantes : 1 700°C. En conséquence, la surface des différents éléments optiques s’obscurcit en absence d’atmosphère. Pour remédier à ce souci, des ingénieurs ont eu la bonne idée d’injecter en permanence une faible quantité d’oxygène qui, en oxydant les contaminants produits à la surface des optiques, permet leur élimination. Afin de répondre aux besoins en oxygène pendant les trois ans de la mission, un réservoir de 15kg a été ajouté au satellite.

Laser et optique de l’instrument Aladin. Crédits : ESA

Une fois le rayon cohérent du laser produit, il est réfléchi sur un télescope de 1,50m de diamètre afin d’être envoyé vers la Terre. Celui-ci est pointé à 35° du plan orbital afin de transmettre et recevoir la lumière perpendiculairement à la vitesse d’Aeolus. Ainsi, Aladin pourra mesurer la composante Est-Ouest de la vitesse des vents. Une fois le laser réfléchi par les particules contenues dans l’air, il est capté par ce même télescope et redirigé vers deux photodétecteurs très sensibles qui vont transformer ce signal lumineux en signal électrique, ensuite analysé pour en déduire le décalage dû à l’effet Doppler et tout un tas d’autres informations. Grâce à ses calculs, Aladin permet de mesurer la vitesse des vents avec une précision de 1 à 2 m/s suivant l’altitude et sur une tranche d’atmosphère de 14km (de 2 à 16km). Au total, Aeolus effectuera 100 mesures de profil par heure.

Géométrie des mesures. Crédits : ESA

Caractéristiques techniques

Aeolus mesure 4,6m de haut, 1,9m de large et 2m de profondeur pour une masse totale au décollage de 1 366kg : 650kg pour la plateforme, 450kg pour la charge utile et 266kg d’ergols pour les manœuvres en orbite. Ce sont deux panneaux solaires fixes qui fournissent l’énergie au satellite. Au total, ils mesurent 13,4m² et fournissent en moyenne 1,4kW de puissance avec un maximum à 2,4kW grâce aux cellules d’arséniure de gallium. Toute cette électricité est stockée dans des batteries Li-ion de 84Ah afin de continuer à fournir de l’énergie même en pleine nuit. Une fois les données recueillies, Aeolus les transmet en bande X à la station norvégienne de Svalbard avec un débit de 5 Mbits/s. Grâce à sa mémoire de 4 Gbits, le satellite peut conserver les données pendant 72h.

Satellite Aeolus (à droite) pendant son remplissage en hydrazine. Crédits : ESA

Pour une mission d’une telle précision, le contrôle d’attitude est essentiel. C’est pourquoi Aeolus est très bien équipé sur ce point : grâce à un récepteur GPS il peut déterminer sa position avec une résolution de plus de 10m, un viseur d’étoiles précis à 13µrad et une centrale inertielle fonctionnant avec des gyroscopes à fibre optiques fournissent les informations nécessaires pour le bon maintien de l’orientation du satellite. Afin de corriger cette dernière, Aeolus est équipé de quatre roues à réaction ainsi que de magnéto-coupleurs pour désaturer les roues. Quatre petits moteurs fusées d’une poussée unitaire de 5N et brûlant de l’hydrazine assurent les corrections d’orbite.

Satellite Aeolus juste avant sa mise sous coiffe. Crédits : ESA

 

Lancement

Aeolus a été lancé le 12 août 2018 à 23h20 CEST depuis le Centre Spatial Guyanais à Kourou. C’est la 12ème fusée légère Vega qui s’est chargé de placer ce satellite sur une orbite héliosynchrone de 320km d’altitude. Cette orbite est inclinée à 96,7° par rapport à l’axe de rotation de la Terre ainsi, des mesures seront effectuées tous les 250km à la latitude de Bordeaux. Le satellite a été larguée après 54 minutes et 57 secondes sans encombre. Encore une fois, le petit lanceur italien, qui sera bientôt remplacé par Vega-C, montre sa fiabilité.

Décollage de la fusée Vega pour le vol VV12 avec à son bord Aeolus. Crédits : ESA

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Passionné d’ingénierie et d’aérospatiale.
Rédacteur actu spatiale officiel de KSC.