GOCE - Le surfeur du champ gravitationnel

D’ici environ un an, le satellite scientifique européen GOCE (Gravity-Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) commencera à « surfer » sur le champ gravitationnel de la Terre et à sonder l’intérieur de notre planète depuis 250 km d’altitude. GOCE gravitera autour de la Terre pendant au moins deux ans pour mesurer le champ gravitationnel avec une précision inédite. Les données recueillies seront alors exploitées pour étudier la structure interne de la Terre, et faciliteront par là-même les investigations océanographiques telles que la mesure de l’élévation du niveau des océans et l’analyse des courants marins. Compte tenu des influences radicales de ces phénomènes sur le climat de notre planète, les mesures de GOCE devraient permettre d’améliorer les modèles et les prévisions climatiques.

Le site d’EADS Astrium à Friedrichshafen, en Allemagne, assure la fabrication de la plate-forme du satellite. Les ingénieurs et scientifiques bénéficient de l’expérience acquise lors de développements antérieurs, comme celui du satellite d’étude climatique et atmosphérique CryoSat. A l’heure actuelle, le module de vol de GOCE est en cours d’assemblage dans la salle blanche de Friedrichshafen. A la fin de l’année, le satellite sera livré en Italie pour y subir les tests systèmes. D’un point de vue scientifique, GOCE représente le prolongement des missions CHAMP et GRACE, qui ont également été menées sous la houlette d’EADS Astrium.

Les chercheurs ont réalisé d’importantes avancées scientifiques au cours des deux dernières années à l’aide des satellites CHAMP et GRACE, lancés respectivement en juillet 2000 et mars 2002. Tous deux avaient été conçus et fabriqués sous la direction d’EADS Astrium. GOCE poursuivra la tâche entreprise par ces deux missions couronnées de succès, tout en fournissant des informations encore plus précises. Il devrait pouvoir mesurer des détails dans le champ gravitationnel terrestre avec une résolution spatiale de 70 km, ainsi que des variations dans sa force de l’ordre d’un millionième de son champ moyen.

Deux conditions techniques doivent être remplies pour que ce programme ambitieux puisse aboutir. Tout d’abord, l’orbite du satellite doit être respectée avec la plus infime précision, notamment grâce à un récepteur GPS installé sur la face supérieure de GOCE. Le GPS permettra en effet de déterminer l’altitude du satellite au centimètre près.

Ensuite, les variations d’orbite doivent être corrélées précisément avec les irrégularités du champ gravitationnel terrestre. Cette action est particulièrement complexe car, malgré la finesse de son profil aérodynamique, GOCE est très légèrement freiné par l’atmosphère. Cette accélération négative est du même ordre de grandeur que les « creux » gravitationnels. Toutefois, une différence majeure distingue ces deux perturbations : si le frottement fait perdre de l’altitude au satellite, les forces gravitationnelle et centrifuge ne s’équilibrent pas et le satellite accélère. Cet effet est constamment mesuré grâce à trois gradiomètres montés perpendiculairement les uns aux autres. Le calculateur de bord traite les données qu’ils génèrent et commande l’unité de propulsion ionique qui, à un moment donné, délivre la poussée strictement nécessaire pour compenser le frottement. De la sorte, le satellite conserve toujours la même orbite. Les « mouvements de surf » résiduels sont dus aux anomalies du champ gravitationnel que les chercheurs entendent précisément mesurer.

Cette procédure est connue sous le nom de « compensation de traînée ». Comme l’explique Albrecht Woelker, directeur du projet GOCE : « Le type d’interaction entre la compensation de traînée et le propulseur ionique est totalement nouveau. Pour nous, ce système constitue l’un des principaux défis de ce projet. Certes, les propulseurs ioniques ont souvent été utilisés dans le passé, en particulier pour ajuster la position des satellites, mais ce qui est nouveau ici, c’est que l’unité sera assujettie à un contrôle de poussée permanent ».

EADS Astrium 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 CryoSat. « Toutefois, en raison des exigences spécifiques de GOCE, nous avons dû approfondir le développement de nombreux composants », explique Woelker.

Ces exigences spécifiques résultent notamment de l’extrême précision orbitale que devra respecter le satellite. 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 peuvent difficilement être testés en laboratoire et doivent donc être créés à partir de modèles théoriques », ajoute Albrecht Woelker.

De plus, le fonctionnement de relais et autres pièces mobiles au cours des phases de mesure est « proscrit », car les forces indésirables qu’ils exercent sur le satellite perturberaient les mesures. Cet impératif constitue une gageure pour les ingénieurs d’EADS Astrium, qui doivent équiper la plate-forme d’une multitude de mécanismes tels que les commandes électroniques du générateur solaire, le viseur d’étoiles, le capteur solaire, le détecteur de référence terrestre, le magnétomètre et les bobines magnétiques pour le contrôle de position, ainsi que les antennes en bande S et les répéteurs.

EADS SPACE participe activement à d’autres programmes de satellites actuellement menés dans le cadre des missions d’exploration de la Terre (« Earth Explorer Missions ») de l’ESA. Par exemple, EADS Astrium UK assure la maîtrise d’œuvre de la mission de mesure des vents ADM-Aeolus, tandis qu’Astrium France développe le lidar Aladin. Outre la conduite du satellite climatologique Cryosat, le site d’EADS Astrium à Friedrichshafen, en Allemagne, est responsable de la plate-forme et de l’intégration du satellite GOCE, le « surfeur » du champ gravitationnel de la Terre. Enfin, Astrium Espagne développe et fabrique l’instrument Miras de la mission SMOS destinée à mesurer l'humidité des terres émergées et la salinité des océans.

L’opérateur de lancement Eurockot, une unité d’EADS SPACE basée à Brême, en Allemagne, procèdera au lancement des satellites Cryosat, Goce et Smos à bord de sa fusée Rockot depuis le cosmodrome de Plessetsk, à 800 km au nord de Moscou.

EADS Astrium est le spécialiste européen des systèmes satellitaires. Ses activités couvrent les systèmes complets de télécommunications civils et militaires, l’observation de la Terre, les programmes de navigation, l’avionique et les équipements. EADS Astrium est une filiale d’EADS SPACE. EADS SPACE, spécialisée dans les systèmes spatiaux civils et militaires, a réalisé en 2004 un chiffre d’affaires de 2,6 milliards d’euros avec 11 000 salariés en France, en Allemagne, au Royaume-Uni et en Espagne.

EADS est un leader mondial de l’aérospatial, de la défense et des services associés. En 2004, EADS a enregistré un chiffre d’affaires de 31,8 milliards d’euros avec un effectif de plus de 110.000 personnes.

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