Pression résiduelle à l’intérieur de la coiffe, nécessité de protéger les miroirs du télescope, étage supérieur : découvrez comment le lanceur Ariane 5 a été préparé et adapté pour lancer l'observatoire James-Webb. Les explications techniques de Daniel de Chambure, responsable à l’ESA du développement d’Ariane 5 et des adaptations pour des missions spécifiques.
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Au terme de la revue d'analyse de mission finale, qui s'inscrit dans un travail commencé il y a plus de trois ans pour préparer le lancement de l'observatoire James-Webb (JWSTJWST) à bord d'une Ariane 5Ariane 5, l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne a confirmé « la faisabilité de la mission mais aussi la qualification de JWST à l'ambiance Ariane 5 », nous explique Daniel de Chambure, responsable à l'ESA du développement d'Ariane 5 et des adaptations pour des missions spécifiques. Dit autrement, l'ensemble Ariane 5-JWST est bon pour le vol !
Cette revue d'analyse de mission finale a été rendue « nécessaire par la spécificité de la mission et du JWST, le plus grand télescope jamais lancé dans l'espace ». Si ce n'est pas la première fois qu'Ariane 5 lance une charge utile à destination du point de Lagrange 2 - elle avait lancé les satellites Herschel et Planck en mai 2009 -, c'est la « première fois que le lanceur doit tenir compte de paramètres très contraignants ». Certes, comme toutes les charges utiles embarquées à bord d'Ariane 5, le « JWST a été contraint de se conformer au manuel des utilisateurs d'Ariane 5, mais plusieurs points critiques ont nécessité d'adapter Ariane 5 ». C'est le cas de la pression résiduelle à l'intérieur de la coiffe et de l'obligation de protéger les miroirs du télescope ainsi que quelques équipements sensibles au Soleil.
“La séparation du JWST s’effectuera à environ 1.400 kilomètres d’altitude”
Pour cette mission, la trajectoire d'Ariane 5 a été adaptée au profil du vol du JWST. Si les phases de vols atmosphériques sont « similaires à un lancement GTO, avec la séparationséparation de la coiffe à une altitude légèrement plus élevée, plus ou moins 115 kilomètres, la phase balistique est très différente ». Après l'extinctionextinction du moteur de l'étage supérieur, la séparation du JWST s'effectuera à environ 1.400 kilomètres d'altitude contre généralement une altitude d'environ 1.000 kilomètres pour du GTO. L'étage supérieur va donc « fournir une accélération plus forte, de façon à donner une impulsion suffisante afin que l'observatoire rejoigne son orbiteorbite autour du point L2, à 1,5 million de kilomètres de la Terre, ce qui prendra trois semaines ». Le temps de fonctionnement de l'étage supérieur est le même pratiquement que pour un GTO mais « du fait de la charge utile plus légère, 6,2 tonnes, l'accélération est beaucoup plus forte ». Bien que le JWST dispose d'ergolsergols, la NasaNasa ne veut pas les utiliser pour rejoindre L2. Ils sont prévus pour le contrôle d'attitude du JWST sur son orbite ; la « consommation d'ergols pour d'autres tâches réduirait la duréedurée de vie du JWST », estimée à plus ou moins 10 ans.
Du roulis oscillatoire pour protéger le JWST du rayonnement solaire
Pour éviter d'endommager certains équipements et aussi le miroir du télescope divisé en 18 segments hexagonaux, la Nasa a souhaité qu'il soit « exposé le moins possible à la lumièrelumière du Soleil après la séparation de la coiffe et en particulier sans illumination fixe, de façon à éviter tout risque de point chaudpoint chaud à l'intérieur de certaines cavités externes du satellite ».
Pour s'affranchir de cette contrainte inédite et forte, l'ESA et ArianeGroup ont pris plusieurs mesures dont une plutôt impressionnante qui consiste à « contrôler le roulis d'Ariane 5 pour éviter au maximum d'exposer directement les segments du miroir du JWST face au Soleil ! » Pour contrôler l'attitude du lanceur par rapport au Soleil, les équipes de l'ESA et d'AGAG ont développé des « algorithmes et des lois de commande et de roulis et d'attitude pour que le satellite ait toujours une même face orientée vers le Soleil avec des mouvementsmouvements oscillatoires pour éviter des points chauds ». À cela s'ajoute que si habituellement une tolérance de quelques dizaines de degrés est appliquée, « elle est restreinte à moins de 10 petits degrés pour le JWST ». Autre conséquence, « l'heure du lancement a été fixée aux environs de midi, heure de Kourou. Ariane 5 décollera vers midi avec le Soleil sur son neznez, de sorte qu'au moment de la séparation du James-Webb le Soleil se retrouve derrière le lanceur ».
“Long de 22 mètres et large de 10 mètres, le bouclier thermique est quasiment aussi grand qu'un court de tennis !”
À cette contrainte forte, s'en ajoute une autre : « la pression résiduelle à l'intérieur de la coiffe doit être maîtrisée ». Cette autre demande de la Nasa s'explique par la complexité du bouclier thermique. Long de 22 mètres et large de 10 mètres, il est quasiment aussi grand qu'un court de tennis ! En raison de sa taille, le bouclier, constitué de cinq couches, sera lancé plié et se dépliera dans l'espace. La Nasa craint « qu'au moment de la dépressurisation de la coiffe, avant sa séparation, des poches d'airair restent emprisonnées à l'intérieur des couches du bouclier thermique, ce qui pourrait l'endommager en provoquant des déchirements lors de son déploiement ». Pour diminuer ce risque, les 28 évents ont été « modifiés tout autour de la coiffe du lanceur ». Munis de clapets, ils « évacuent la pression quand la coiffe est en surpression ». Pour vérifier le bon fonctionnement de ces évents, « plusieurs essais ont été réalisés avec succès lors des vols précédents d'Ariane 5 ».
Enfin, pour éviter de contaminer les miroirs lors des différentes procédures de préparation au lancement et à l'embarquement à bord du lanceur, une « atmosphèreatmosphère ISOISO 7 est requise à toutes les étapes de cette préparation, de son arrivée au CSGCSG à son installation à bord d'Ariane 5 ». Et ces problèmes de pollution ne s'arrêtent pas avec le décollage ! Pour éviter d'encombrer inutilement l’orbite basse, il a été « décidé que l'étage supérieur sera envoyé au-delà du point Lagrange 2 ». Pour éviter tout risque de pollution et de collision avec le lanceur, les manœuvres de « séparation et l'éloignement du JWST avec l'étage supérieur se feront à plus de deux cents mètres ». Une distance plus grande qu'habituellement. Cela va notamment permettre de purger les réservoirs sans risquer d'endommager le JWST. Cette nouvelle manœuvre a été utilisée lors des derniers vols d'Ariane 5. Mais au lieu d'envoyer l'étage en L2, elle a servi pour les vols GTO (plus classiques pour Ariane 5) à « diminuer le périgéepérigée de son orbite de façon à accélérer sa retombée dans l'atmosphère et se conformer à la règle des 25 ans qui stipule que tout objet se trouvant en orbite basse rentre dans l'atmosphère avant un quart de siècle ».
Une date de lancement toujours aussi incertaine
Il semble acquis que la date de lancement du 31 octobre sera difficile à tenir et que l'on doit s'attendre à un délai supplémentaire, probablement de l'ordre de quelques semaines, voire deux mois maximum. ArianespaceArianespace se refuse à donner un calendrier pour les prochains lancements d'Ariane 5, indiquant néanmoins que deux vols sont prévus avant le lancement du JWST. Le premier de ces deux vols est prévu fin juillet. Habituellement, une période de trois-quatre semaines est nécessaire entre deux vols.
Cela dit, contrairement aux missions planétaires, comme celles à destination de Mars, il n'est pas nécessaire de lancer le JWST à l'intérieur d'une fenêtrefenêtre de tir qui ne s'ouvrirait que quelques jours ou semaines par an (tous les 26 mois pour Mars par exemple). Pour lancer l'observatoire spatial en direction de sa position, au point Lagrange numéro 2 à 1,5 million de kilomètres de la Terre, Arianespace a des opportunités de lancement quasiment quotidiennes. Rater la date du 31 octobre n'est donc pas un problème pour le programme, d'autant plus qu'avec près de 15 années de retard sur le planning initial - le JWST devait être lancé en 2007 -, on n'est plus à quelques semaines et mois près.
Des ennuis techniques sur Ariane 5 pourraient reporter le lancement du télescope spatial James-Webb
Article de Rémy DecourtRémy Decourt publié le 18/05/2021
Alors que l'on pensait le calendrier de l'observatoire spatial James-Webb figé, avec un lancement prévu le 31 octobre prochain, le lanceur Ariane 5 pourrait ne pas être prêt à cette date ! En cause des anomaliesanomalies rencontrées lors des deux missions précédentes qui contraignent Arianespace à suspendre les vols.
Lors des lancements de février et août 2020, les coiffes du lanceur Ariane 5 ne se sont pas séparées de façon nominale, provoquant des vibrationsvibrations au-dessus des limites admises. Si ce défaut a été sans incidenceincidence sur les satellites déployés en orbite, ArianeGroup, Ruag (qui construit les coiffes) et Arianespace prennent ce problème très au sérieux. Depuis ce dernier lancement, Ariane 5 est immobilisée au sol le temps des investigations. À ce jour aucune date de retour en vol n'a été communiquée. Arianespace a refusé de donner un calendrier pour les prochains lancements d'Ariane 5, indiquant néanmoins que deux vols étaient prévus avant le lancement de l'observatoire spatial James-Webb (JWST).
En prévision du lancement du James-Webb, ce « problème » est évidemment un sujet d'inquiétude et parmi les travaux en cours chez Ruag pour comprendre et corriger ces anomalies, on évalue aussi quels effets un niveau de vibrations anormalement élevé pourrait avoir sur la belle mécanique de l'observatoire spatial et les missions futures. Il faut savoir qu'en raison de la taille du miroir primaire du JWST (6,5 mètres), ce dernier ne pouvait pas être construit d'un seul tenant car aucun lanceur en service ne peut emporter un miroir aussi grand. C'est pourquoi il a été décidé de concevoir un miroir repliable en trois sections qui serait déployé une fois le télescope arrivé dans l'espace ! Des vibrations trop importantes pourraient endommager le mécanisme de déploiement, voire le rendre inopérant.
Le JWST n'est plus à quelques semaines ou mois de retard près
Il semble donc acquis que la date de lancement du 31 octobre sera difficile à tenir et que l'on doit s'attendre à un délai supplémentaire, probablement de l'ordre de quelques semaines à quelques mois maximum.
Contrairement aux missions planétaires, comme celles à destination de Mars, il n'est pas nécessaire de lancer le JWST à l'intérieur d'une fenêtre de tir qui s'ouvrirait que quelques jours ou semaines par an (tous les 26 mois pour Mars par exemple). Pour lancer l'observatoire spatial en direction de sa position, au point Lagrange numéro 2 à 1,5 million de kilomètres de la Terre, Arianespace a des opportunités de lancement quasiment quotidiennes. Rater la date du 31 octobre n'est donc pas un problème pour le programme, d'autant plus qu'avec près de 15 années de retard sur le planning initial - le JWST devait être lancé en 2007 -, on n'est plus à quelques semaines et mois près.
La situation actuelle est ironique car, pendant une grande partie du développement du JWST, Ariane 5 avait été considérée comme l'aspect le moins risqué du programme, dont le coût approche les 10 milliards de dollars.
