Pour son cinquième lancement de l'année, le premier avec VegaVega, ArianespaceArianespace a placé en orbite le satellite Aeolus, première mission spatiale destinée à la mesure des ventsvents sur l'ensemble du globe terrestre, pour le compte de l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne. Ce lancement est le douzième du lanceur Vega, qui démontre sa polyvalence et son adaptation aux missions dédiées à l'observation de la Terreobservation de la Terre.

Lancement d'Aeolus le 22 août 2018 par un lanceur Vega. © ESA/Cnes/Arianespace

Pour cette mission, il n'y avait pas de fenêtrefenêtre de tir, ce qui aurait permis une certaine flexibilité. Si le lanceur Vega ne décollait pas à la seconde prévue, une autre tentative aura lieu vingt-quatre heures plus tard, ou ultérieurement suivant la cause du problème et la solution apportée. Pour ce vol, la performance demandée au lanceur est d'environ 1.436 kgkg, dont 1.357 kg correspondant à la masse au décollage du satellite.

L'orbite est héliosynchronehéliosynchrone avec une altitude à séparationséparation d'environ 320 kilomètres inclinée à 96,7 degrés. Depuis cette orbite, il réalisera un tour complet du Globe toutes les 90 minutes, ce qui correspond à 16 orbites par jour et repassera au-dessus des mêmes régions tous les sept jours.

Sur son pas de tir, le lanceur Vega, avec à son bord le satellite Aeolus. © Cnes, Arianespace, ESA

Mesurer les vents terrestres depuis l’espace

Ce satellite, construit par Airbus Defence and Space est le premier conçu spécifiquement pour réaliser la mesure des vents. Actuellement, les vents sont mesurés depuis des stations de surface, en mer et sur terre, tandis que les profils des vents en altitude sont obtenus à l'aide de ballons ou depuis des avions. Mais de nombreuses régions, comme les régions polaires ou tropicales, ne disposent d'aucune donnée en altitude.

Cette mission comblera ces manques et fournira les données nécessaires pour améliorer la qualité des prévisions météorologiquesprévisions météorologiques. Les mesures de vent seront calculées rapidement afin de pouvoir être utilisées par la prévision météorologique opérationnelle. Aeolus contribuera également aux recherches climatologiques de long terme et fournira des informations sur les propriétés optiques des aérosols dans l'ultraviolet. Les produits relatifs aux aérosolsaérosols pourront être à terme exploités pour la prévision de la qualité de l'airair.

Le satellite utilisera Aladin, un « des instruments les plus sophistiqués jamais lancé en orbite » nous explique Dominique Gillieron, responsable de la division instrumentation optique chez Airbus Defence and Space. Cet instrument, un LidarLidar Doppler, se compose d'un « laserlaser UV ultra-puissant, d'un grand télescopetélescope d'1,5 m et des récepteurs très sensibles ». Ce télescope à l'étonnante particularité de « focaliser à la fois le laser à l'émissionémission et qui va recueillir les photonsphotons de l'atmosphèreatmosphère ». Sa mise au point a été si compliquée qu'elle explique la dizaine d'années de retard du programme. Initialement, Aeolus devait être lancé en 2007 ! Il faut savoir qu'aux États-Unis, un projet similaire a « été abandonné par la NasaNasa, faute d'avoir réussi à maîtriser la technologie nécessaire ».

La production de puissantes impulsions de rayons ultraviolets dans l'atmosphère, la dissipation et la régulation de la chaleurchaleur émise par le laser et la protection des optiques du laser contre son intensité sont les principales difficultés qui expliquent ce retard. 

Toute la complexité du satellite Aeolus résumée dans cette image qui montre des dizaines de miroirs du laser Aladin. © Selex-ES

Pour mesurer ces vents, Aeolus utilisera une « impulsion laser de courte duréedurée envoyée depuis le satellite en direction de l'atmosphère ». En retour, les moléculesmolécules d'air, les gouttelettes d'eau ou les divers aérosols vont diffuser une partie de ce faisceau, et « seule une faible partie étant rétrodiffusée en direction du télescope ». La vitessevitesse du vent sera obtenue « selon la ligne de visée des particules diffusantes et alors mesurée à l'aide de spectromètresspectromètres grâce à l'effet Doppler ». L'échantillonnageéchantillonnage temporel des mesures permet de connaître la vitesse à différentes hauteurs de l'atmosphère.

Enfin, le satellite Aeolus sera si peu haut au-dessus de la Terre, « à seulement quelque 400 kilomètres au-dessus de la Terre », qu'il doit être protégé de l'oxygèneoxygène atomique. Il sera donc tout blanc, « revêtu du même matériaumatériau que les combinaisons spatiales des astronautesastronautes ».

Un satellite inédit pour mesurer les vents

Article de Rémy DecourtRémy Decourt publié le 22/11/2017

Mesurer les vents depuis l'orbite est un rêve de météorologuemétéorologue mais personne n'y est pour l'instant parvenu. Airbus Defence and Space est en passe de réussir avec ADM-Aeolus, capable de tirer des impulsions laser avec Aladin, un des instruments les plus sophistiqués jamais lancé en orbite. Ce satellite très spécial subit actuellement des tests très pointus, comme nous l'explique Isabelle Domken, ingénieure au Centre spatial de Liège.

À quelques mois de son transfert au Centre spatial guyanais, ADM-Aeolus subit actuellement ses derniers essais. Ce satellite de l'Agence spatiale européenne sera lancé en janvier 2018 par un lanceur Vega pour une mission inédite. Il sera le premier satellite au monde à fournir quotidiennement des profils de vent à l'échelle du Globe. Actuellement, les informations sur les vents sont obtenues par l'observation des températures à bord de ballons sondes, donc à faible résolutionrésolution, ou par des mesures directes qui ne couvrent pas l'entièreté du Globe.

La conception de ce satellite, une première mondiale, a pris plus de dix ans. Aux États-Unis, un projet similaire a été abandonné, faute d'avoir réussi à maîtriser la technologie nécessaire. Construit par Airbus Defence and Space, il est actuellement installé au Centre spatial de Liège (CSL) où il subit ses essais dits de vide thermique et de simulation spatiale. C'est-à-dire que sont reproduites dans une cuve les conditions spatiales dans lesquelles évoluera ADM-Aeolus.

Habituellement, nous évoquons très peu ces essais dans nos articles, procédure tout à fait classique dans la vie d'un satellite et parfaitement maîtrisée au sol. Cette fois, il nous a paru intéressant d'en parler car l'instrument d'ADM-Aeolus sera un des plus sophistiqués jamais mis en orbite. Aladin, c'est son nom, comprend deux puissants lasers, un grand télescope d'1,5 mètre et des récepteurs très sensibles pour mesurer la vitesse des vents terrestres par couches horizontales jusqu'à 30 km d'altitude.

Actuellement, l’essai sous vide sur le satellite ADM-Aeolus dans la cuve Focal5 a débuté le 30 octobre et doit durer 33 jours en continu. Une fois ces essais terminés, le satellite sera ramené à Toulouse pour les derniers contrôles avant d'être expédié en Guyane où il prendra place sur un lanceur Vega. © ESA, Centre spatial de Liège

L'effet Doppler indiquera la vitesse des vents

Pour réaliser ses mesures, Aladin utilisera son laser qui enverra de brèves impulsions de lumièrelumière intense dans l'atmosphère. Une partie de la lumière rétrodiffusée par les molécules de gazgaz, particules de poussières et gouttelettes d'eau sera collectée par le télescope et envoyée au récepteur. En analysant le signal, il sera possible de calculer la vitesse et la direction de l'air en mouvementmouvement à différentes altitudes dans l'atmosphère.

Comme le souligne Anders Elfving, responsable du programme Aladin à l'ESA, « nous avons encore quelques étapes critiques à mener. Nous avons besoin de la preuve ultime que le laser et le système optique complexe fonctionnent bien avec les radiateursradiateurs thermiques du satellite, et dans des conditions de vide ». L'observation précise des vents exige en effet de nombreuses mesures dont on calcule la moyenne. « Il faut compter 700 impulsions laser pour chaque profil de vent. » Isabelle Domken, project Manager et ingénieur au Centre spatial de Liège nous explique le rôle du CSL et les essais de l'instrument Aladin.

Pourquoi le Centre spatial de Liège a été choisi pour tester ce satellite ?

Isabelle Domken : En 2003, le CSL a réalisé les premiers essais sur l'instrument Aladin. À ce moment-là, l'instrument Aladin était testé seul et n'était pas encore intégré dans le satellite. Comme les développements de l'instrument (notamment la mise au point du laser) prenaient du retard, Airbus a décidé de tester l'instrument Aladin avec le satellite et de ne faire qu'un seul test de simulation sous vide. La cuve Focal 5 avait démontré un niveau de propreté extrêmement bon lors des premiers tests sur Aladin, il a été décidé en 2012 de modifier le set-up de test (le support pour poser le satellite, la tente thermique, le palonnier pour transférer le satellite) prévu pour Aladin et de l'adapter (l'agrandir) pour tester le satellite complet.

Le Centre spatial de Liège a-t-il des compétences particulières pour tester ce satellite ?

Isabelle Domken : Oui. Et à plus d'un titre.

• Le CSL avait l'expérience et la mise au point des premiers essais sur l'instrument Aladin.
• Le CSL dispose de bancs optiques très stables dans des cuves à vide, ce qui permet de réaliser des calibrations optiques sous vide.
• Le CSL peut réguler 14 voies thermiques à des températures différentes en même temps. Cela permet ainsi d'alimenter des panneaux thermiques en face du satellite et d'être représentatif des conditions de l'espace que verra le satellite.

En quoi consistent les essais du laser de l'instrument Aladin et comment allez-vous le tester en condition de vol ?

Isabelle Domken : Un faisceau laser placé à l'extérieur de la cuve simule le faisceau retour, simulant ainsi artificiellement l'effet Dopplereffet Doppler. Ce faisceau passe à travers un hublot et rentre dans la cuve à vide vers l'instrument. Dans ce cas-ci, la contaminationcontamination peut être extrêmement critique : tout le matériel qui se trouve dans la cuve a été chauffé à plus de 80 °C durant 9 heures minimum (même les bandes adhésives type Kapton, en aluminiumaluminium).

La présence d'oxygène dans la cuve est une première au CSL. Le satellite a en effet une purge à l'oxygène au niveau du plan focal. Ce courant d'oxygène permet d'éviter que la contamination ne vienne se coller sur les optiques quand le laser UV est allumé (c'est la LIC, laser Induced Contamination). Or, l'oxygène et l'huile ne font pas bon ménage : le mélange est explosif. Ce gaz est évacué par des pompes qui ont dû être modifiées, avec l'ajout d'une purge à l'azoteazote pour réduire suffisamment la proportion d'oxygène. Des calculs thermiques ont été faits au niveau des panneaux thermiques pour limiter les gradientsgradients thermiques, des calculs par éléments finis ont été réalisés lors du design du support du satellite afin d'avoir un niveau de vibrationvibration minimum.

Comment se déroulent les tests ?

Isabelle Domken : Bien. Les premiers allumages du laser sont en cours. Nous croisons les doigts pour que la calibration en vide thermique de ce satellite exceptionnel se passe au mieux car cet objet est unique au monde et exceptionnel par ses performances et les résultats qu'il fournira en climatologieclimatologie.