Airbus Defence and Space

Informations complémentaires à propos de GOCE et d’Airbus Defence and Space

Un champ gravitationnel en forme de pomme de terre

Toutes les étoiles et planètes génèrent une force ou un champ gravitationnel. Cette force d’attraction garantit la gravitation de la Terre autour du Soleil, et celle de la Lune autour de la Terre. De même, elle est responsable du fait que l’homme et l’animal restent en contact avec la surface terrestre. Si la Terre était une sphère parfaite, le champ de force gravitationnel qui enveloppe notre planète serait complètement symétrique et s’atténuerait uniformément avec l’altitude. Or, ce n’est pas le cas. Tout d’abord, la rotation de la Terre crée une force centrifuge plus forte à l’équateur qu’au niveau des pôles, où elle tend même à disparaître. Cette force étire notre planète qui ressemble par conséquent davantage à un ballon de rugby ou à une ellipsoïde : le diamètre de la Terre à l’équateur est supérieur de près de 21 km à celui qui relie les pôles. Un homme d’un poids standard pèse donc environ 350 g de plus aux pôles qu’à l’équateur.

 Par ailleurs, à moindre échelle, la Terre ne forme pas une ellipsoïde parfaite, en raison de variations causées par exemple par les pics montagneux et les fosses océaniques. Cette topographie irrégulière se traduit par des variations identiques dans le champ gravitationnel externe. De plus, la composition interne de la Terre n’est pas homogène : on constate en effet des zones de roches très denses et lourdes dans lesquelles l’attraction terrestre se fait plus forte. A d’autres endroits, la composition de l’écorce est plus légère et le champ magnétique terrestre plus faible. De telles anomalies apparaissent notamment dans des régions où les plaques continentales entrent en collision ou s’éloignent.

 Ces irrégularités dans la structure de la Terre se reflètent directement dans celle du champ gravitationnel. Si l’on cartographie ce champ en trois dimensions, notre planète ressemble donc à une pomme de terre. Un atlas des champs gravitationnels est aussi précieux pour le géophysicien que l’est une carte topographique pour le géomètre. En somme, une vraie mine d’informations…

Magma en fusion et courants marins


© ESA - AOES Medialab

Les informations fournies par le champ de pesanteur ne sont pas suffisantes pour déterminer la structure intérieure de la Terre : il est en effet impossible de savoir si l’origine d’un « bourrelet » détecté dans le champ de gravité se trouve à l’intérieur de la Terre ou en surface. Seul l’emploi conjugué de méthodes comme la sismologie permettra d’identifier les causes. Les géophysiciens souhaitent s’appuyer sur GOCE pour étudier deux phénomènes particuliers :

 1) Au cœur de la Terre, la roche est chaude et visqueuse. A l’instar de l’eau dans une bouilloire, le magma se soulève, refroidit et retombe. Ces déplacements liquides de la roche sont à l’origine de la dérive des continents et des tremblements de terre. Avec GOCE, les scientifiques pourront mieux comprendre ces manifestations.

 2) L’écorce terrestre se répartit sur toute la surface du globe comme les pièces d’un puzzle. Poussées les unes vers les autres, les plaques tectoniques entrent en collision à certains endroits et s’enfoncent vers l’intérieur de la planète, ce qui, dans de nombreux cas, provoque des tremblements de terre. A d’autres endroits, les plaques s’éloignent, la matière enfouie dans les tréfonds de la Terre remontant alors vers la surface. Les chercheurs souhaitent découvrir ce que cachent ces zones d’anomalies.

© ESA - AOES Medialab

 

L’océanographie représente le second grand domaine d’application de GOCE.

 Les climatologues se demandent si le réchauffement de la planète va entraîner une montée du niveau de la mer. Il est très difficile de mesurer ce niveau moyen à la précision requise d’environ un centimètre, car il n’existe à ce jour aucune surface de référence précise permettant d’évaluer les changements relevés. Les géologues appellent cette surface un « géoïde ». Actuellement, les variations entre les valeurs de ce « niveau moyen de la mer » peuvent atteindre un mètre entre les continents, ce qui empêche de comparer le niveau de la mer à différents endroits du globe. Or, c’est ce qui est indispensable pour démontrer les mutations planétaires. GOCE a donc pour mission d’établir cette surface de référence au niveau mondial avec une précision de 1 cm, voire de quelques millimètres dans certaines zones.

 Cet « étalonnage » planétaire est également nécessaire pour effectuer d’autres opérations, telles que la mesure des courants marins qui pourront être étudiés beaucoup plus facilement. Ces courants exercent une influence considérable sur le climat, du fait qu’ils transportent de grandes quantités d’eau et d’énergie. En l’absence du courant nord-Atlantique, le fameux « Gulf Stream », les températures de l’air dans l’Atlantique nord chuteraient de 5 à 10°C. Des mesures aussi importantes que les volumes d’eau et les quantités d’énergie déplacées peuvent être modélisées avec une précision accrue par rapport à une surface de référence clairement définie (le géoïde).

 Enfin, le nouveau système de référence pourra être utilisé dans le domaine de la géodésie, facilitant ainsi la création de cartes topographiques, lesquelles sont également élaborées à partir du « niveau moyen de la mer ».

 

GOCE surfera sur le champ gravitationnel

 

Les satellites représentent la seule et unique solution pour étudier de façon exhaustive et uniforme le champ de force gravitationnel de la Terre. Le mode d’emploi est le suivant : dans un champ gravitationnel parfaitement symétrique, le satellite se déplacerait selon une orbite elliptique ou circulaire, mais s’il survole une « bosse » ou un « creux » du champ gravitationnel - ce que les spécialistes appellent une « anomalie » -, il est sujet à ce que les surfeurs ressentent à la surface de l’océan, à savoir une légère ondulation. Dans les régions où la force gravitationnelle est élevée, le satellite connaîtra une légère descente doublée d’une accélération, alors que dans les régions où la force gravitationnelle est moindre, il s’élèvera et ralentira. Les variations orbitales permettent ainsi de reconstituer le champ gravitationnel de la Terre en suivant avec précision la trajectoire du satellite.

 

Grâce aux satellites CHAMP et GRACE (lancés respectivement en juillet 2000 et mars 2002), cette technique a permis aux chercheurs de dresser la carte du champ gravitationnel de la Terre avec une précision inédite au cours de ces dernières années. Ces deux satellites ont été conçus et fabriqués sous la houlette d’Airbus Defence and Space. GOCE poursuivra donc la tâche entreprise dans le cadre de ces deux missions couronnées de succès en fournissant des données encore plus précises. Ce satellite est conçu pour mesurer le champ gravitationnel terrestre avec une résolution spatiale de 100 km, ainsi que les variations de sa force pouvant atteindre un millionième de son champ moyen. La précision de ces mesures ne peut être obtenue sans une nouvelle technologie particulièrement onéreuse.

Etant donné que le champ gravitationnel faiblit à mesure que l’altitude augmente, GOCE évoluera en orbite basse, c’est-à-dire à une altitude de seulement 250 km, où il subsiste cependant une atmosphère résiduelle. Afin de minimiser la résistance due à la friction avec l’air, le satellite est doté d’un profil aérodynamique. La surface de sa section perpendiculaire par rapport au sens du vol mesure seulement 1 m². Ce résultat a été obtenu en étirant la cellule dans le sens de la longueur et en fixant solidement les panneaux solaires de façon pratiquement parallèle au sens du vol.

 

Airbus Defence and Space fournit la plate-forme du satellite

Au cœur du satellite, un instrument appelé « gradiomètre » mesurera l’accélération dans les trois directions spatiales. Ce gradiomètre se compose de six cristaux qui « flottent » par paires distantes de 50 cm l’une de l’autre à l’intérieur d’un conteneur et forment les extrémités de trois axes spatiaux placés perpendiculairement les uns par rapport aux autres. Un champ électrostatique vérifie que la distance qui les sépare reste constante. Normalement, cette distance variera lorsque le satellite survolera une anomalie gravitationnelle. Toutefois, le gradiomètre enregistrera cet écart et le compensera en adaptant précisément l’intensité du champ électrostatique. L’intensité de cette force électrostatique permettra de calculer la force de l’anomalie gravitationnelle.

 

A l’effet de gravité se superpose celui de la friction atmosphérique. Toutefois, la décélération constante provoquée par l’air sera elle aussi enregistrée par le gradiomètre, qui pourra la distinguer de l’accélération due à des anomalies gravitationnelles. Le calculateur de bord analysera les données d’accélération et actionnera un moteur à propulsion ionique qui compensera les erreurs liées à la friction en adaptant la poussée délivrée.

La procédure qui consiste à maintenir le satellite dans son orbite précise à l’aide d’un instrument de régulation actif est appelée contrôle d’attitude. Le satellite GOCE se distingue par son aptitude à compenser la décélération dans le sens du vol provoquée par l’atmosphère résiduelle à l’aide d’une « compensation de traînée ». « Ce système, qui utilise un moteur à propulsion ionique régulé, est entièrement nouveau sous cette forme », explique Karl-Otto Hienerwadel, chef du projet GOCE. « Il s’agit de l’une des tâches les plus exigeantes que nous ayons eu à gérer sur ce projet », ajoute-t-il. Si les propulseurs ioniques ont souvent été utilisés dans le passé, le contrôle de poussée permanent constitue une nouveauté à part entière.

 

Airbus Defence and Space a également bénéficié de développements antérieurs pour fabriquer d’autres composants de la plate-forme GOCE, et fournir au passage des solutions plus économiques. Par exemple, la société construit actuellement une plate-forme similaire pour le satellite environnemental de l’ESA, CryoSat. Toutefois, en raison des exigences spécifiques de GOCE, il aura fallu approfondir le développement de nombreux composants.

La spécificité des exigences s’explique en particulier par l’extrême précision avec laquelle le champ gravitationnel doit être mesuré. Chaque force susceptible de perturber le satellite doit en effet être contrée. Par exemple, la structure du satellite ne doit pas s’altérer sous l’effet des fortes amplitudes thermiques qui interviendront lorsque GOCE émergera de l’ombre de la Terre pour entrer dans la lumière solaire, et vice versa. Pour éviter cet effet, il importe d’utiliser une structure thermiquement stable constituée de plastique renforcé de fibre de carbone, ainsi qu’un système de contrôle thermique particulièrement sophistiqué. Ces dispositifs ne peuvent être testés en laboratoire que de façon très limitée et doivent donc être créés et testés à partir de modèles théoriques.

En outre, le fonctionnement de relais et autres pièces mobiles au cours des phases de mesure est proscrit ; en effet, les forces indésirables qu'ils exercent sur le satellite perturberaient les mesures. Cet impératif constitue une gageure pour les ingénieurs d'Airbus Defence and Space qui doivent équiper la plate-forme d'une multitude de mécanismes, tels que les commandes électroniques du générateur solaire, un viseur d'étoiles, un capteur solaire, un détecteur de référence terrestre, un magnétomètre et des bobines magnétiques pour le contrôle de position, ainsi que les antennes en bande S et les répéteurs.

 

Airbus Defence and Space et les missions d’exploration de la Terre

Airbus Defence and Space participe activement à d’autres programmes de satellites actuellement menés dans le cadre des missions d’exploration de la Terre (« Earth Explorer Missions »). Le site Airbus Defence and Space de Friedrichshafen est maître d’œuvre du satellite d’étude des glaces CryoSat-2, de la mission d’étude des nuages et des aérosols EarthCARE, et du triplet de la mission Swarm d’étude du champ magnétique terrestre.

De son côté, Airbus Defence and Space UK assure la maîtrise d’œuvre du satellite d’étude des vents ADM-Aeolus, pour lequel Airbus Defence and Space France développe l’instrument Aladin. Enfin, Airbus Defence and Space Espagne met au point et fabrique actuellement l’instrument Miras destiné à la mission SMOS d’étude de l’humidité des surfaces continentales et de la salinité des océans.

 

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