L'US Air Force développe son réseau de microsatellites

Où en est le développement de microsatellites par l’armée américaine et des programmes de lancement ? Comment se déroule le développement des nanosatellites pour la communication sur les zones de conflit, et comment prendre en compte le problème des débris spatiaux ?

À une époque où les budgets de la défense se réduisent, l’ère des programmes de satellites militaires « multi-milliardaires » est révolue. En témoigne, le sort de l’immense programme TSAT de 12 milliards de dollars, qui a été fermé en 2009. En guise d’alternative, les gouvernements explorent la possibilité d’utiliser des microsatellites pour exécuter la plupart des fonctions actuellement exercées par de coûteux systèmes de satellite de grande taille : la navigation GPS, la télécommunication, la surveillance et l’imagerie terrestre.

Pour un dixième du coût de leurs grands cousins, les microsatellites sont plus faciles à vendre aux États. Ils sont beaucoup moins chers à fabriquer et plus rapides à lancer. Pour des missions militaires, cependant, leur fiabilité et leur longévité posent un problème. Ils pourraient être moins chers, mais les microsatellites militaires doivent être 10 fois plus nombreux pour faire le travail des satellites classiques. Est-ce vraiment une économie ?

Les microsatellites sont des satellites dont la masse varie entre 10 et 100 kg. Ils se divisent en plusieurs catégories : les mini-satellites (100-500 kg), les nanosatellites (1-10 kg), les picosatellites (0,1-1 kg), et les femtosatellites (moins de 100 grammes).

Le DARPA a travaillé sur un certain nombre de technologies de microsatellites afin de réduire leur masse et améliorer leur fiabilité et leur performance. Ces technologies comprennent des optiques et des capteurs de surveillance de l’espace, des systèmes de propulsion électrique.

Les microsatellites sont moins chers à fabriquer et à lancer. Les petits lanceurs peuvent être utilisés pour placer des microsatellites sur des orbites multiples. Des microsatellites peuvent aussi se greffer sur des fusées plus grandes.

En plus d’être plus rapides et moins chers, les microsatellites peuvent être utilisés pour des missions que les grands satellites ne peuvent pas effectuer, telles que la mise en place d’une constellation de noeuds de communication ou l’inspection en orbite de satellites plus gros. Ils pourraient même être utilisés comme des armes de destruction anti-satellite. Certains observateurs ont jugé que le microsatellite BX-1 déployé par la Chine en 2008 était une arme expérimentale anti-satellite.

Le programme TACSAT

Le programme de satellite tactique (TACSAT) est issu des travaux du Bureau de transformation de la Force du Pentagone pour développer un espace de réponse opérationnelle (operationally responsive space - ORS). L’objectif est de fournir des satellites à relativement court terme (par rapport aux satellites traditionnels) pour répondre aux besoins urgents des commandants de champ de bataille (C4ISR).

Dans son rapport de 2007 adressé au Congrès, le Pentagone a déclaré que l’ORS avait trois objectifs: « primo, exploiter rapidement des innovations technologiques ou opérationnelles, secundo s’adapter rapidement ou augmenter les capacités spatiales existantes, et troisièmement, reconstituer rapidement des capacités spatiales essentielles pour préserver leur capacité opérationnelle ».

Ces objectifs ont conduit au concept de l’ORS « pour améliorer la réactivité des capacités spatiales existantes et développer de petits satellites qui peuvent être déployées dans échéanciers pertinents sur le plan opérationnel. »

Afin de superviser cet effort, le Département de la Défense a créé le Bureau de l’ORS en 2007, à la base Air Force de Kirtland. Le bureau a été chargé d’intégrer le programme du SRO; dont l’un des objectifs a été le développement et le déploiement de microsatellites TACSAT. Le programme TACSAT, qui comprend 8 TACSAT, implique la participation du Laboratoire Naval de Recherche (LNR), l’Air Force Research Lab (AFRL), le Commandement de la Défense spatiale, ainsi que le Bureau de l’ORS.

En 2003 et 2004, TACSAT-1 a été développé, fabriqué et testé pour moins de 10 millions de dollars. Il s’agissait d’un microsatellite avec des capacités de renseignement électronique, y compris l’identification d’émetteurs spécifiques (SEI), l’imagerie visible et infrarouge, et des capacités multi-plateforme.

Le TACSAT-1, basé sur le satellite Orbcomm Orbital Sciences FM29, a été conçu pour transporter trois charges utiles en orbite terrestre basse : une caméra infraSPOT Indigo Omega, une caméra HanVision HVDUO-F7, et une charge utile Copperfield-2 capable de détecter et identifier des signaux pulsés de fréquences radio. Le satellite peut diffuser les données via le réseau secret SIPRNET du Pentagone.

Toutefois, le lancement de TACSAT-1 à bord de la fusée SpaceX Falcon, prévue pour mars 2006, a été reporté en raison de problèmes avec le lanceur. Après un certain nombre de retards, le Pentagone a décidé d’annuler le lancement de TACSAT en 2007 sachant que TACSAT-2 avait déjà été lancé avec succès.

Les objectifs de TACSAT-2 étaient de tester les exigences et les limites du développement d’engins spatiaux avec charge utile, ainsi que des concepts d’opération (CONOPS) pour les microsatellites.

TACSAT-2 est un satellite d’imagerie utilisant un Fairchild Imaging CCD 583 Time Delay Integration (TDI). Le TDI a permis au satellite de balayer la Terre à haute vitesse et de fournir une image haute résolution aux commandants au sol. Contrairement à TACSAT-1, TACSAT-2 a été lancé avec succès le 16 décembre 2006 à bord d’un fusée Minotaure 1 depuis la base MARS (Mid-Atlantic Regional Spaceport) de la NASA en Virginie.

TACSAT-3 est un satellite d’imagerie qui se compose de trois charges utiles: l’hyper imageur spectral ARTEMIS (HSI), l’océan de données de télémétrie microsatellites (ODTML), et l’Agence spatiale d’expérimentation avionique (SAE).

La charge utile principale est le HSI ARTEMIS, développé par Raytheon. Le ODTML recueille des données émises par des bouées en mer et les transmet aux stations au sol. Doté de capacités de plug-and-play, le SAE intègre bus de charge utile et d’engins spatiaux utilisant des composants reprogrammables.

TACSAT-3 a été lancé le 19 mai 2009, à bord d’un Minotaure-1 depuis le MARS, pour être opérationnel en mai 2010.

Le TACSAT-4 est un satellite de télécommunications qui fournit 10 canaux UHF qui peuvent être utilisés pour la collecte des données de communication et de transmission. Le projet est dirigé par le LNR, avec la participation du Pentagone, les Marines de la Force aérienne, l’Armée, et l’US Strategic Command. TACSAT-4 offre des capacités de communications sur le mouvement des radios existantes sans nécessiter de pointage de l’antenne et fournit un canal à large bande MUOS-comme pour les premiers tests.

TACSAT-4 dispose d’une large antenne solaire de 1000W et de 3,6 mètres. Le satellite fonctionnera en faible HEO (orbite elliptique) avec 6 orbites par jour. La construction de TACSAT 4 a été achevée fin 2009, mais son lancement prévu bord d’une fusée Minotaur IV a été retardé et est désormais prévue pour le printemps 2011.

TACSAT-5 est dirigée par l’AFRL afin de tester la technologie plug-and-play pour toutes les interfaces de bus internes et externes. Cette mesure vise à permettre l’assemblage rapide des microsatellites pour répondre aux besoins d’urgence des commandements militaires. En octobre 2009, 11 contrats ont été attribués pour le développement de TACSAT-5. TACSAT-6 devrait être un satellite de communication; TACSAT-7-8 et TACSAT sont encore au stade de la planification des missions.

Un élément du programme TACSAT est le microsatellite SRO-1, qui est conçu pour fournir rapport de recherche internationale sur le champ de bataille de manière continue. Le satellite SRO-1, construit par ATK, est né de la réussite de TACSAT-3. ATK a utilisé le bus du TACSAT-3 pour construire le satellite SRO-1 avec l’ajout d’un module de propulsion.

En juin 2010, le Pentagone a demandé une reprogrammation de 3,9 milliards de dollars pour le SRO. En tout, ce sont 15,7 millions de dollars ont été débloqué pour financer le lancement du microsatellite SRO-1, qui est prévue pour avril 2011 à bord d’un Minotaure-1 depuis la base MARS.

En vertu de sa science et de la technologie des microsatellites de démonstration du Programme Expérience (MiDSTEP), la DARPA est le développement de technologies de pointe et les capacités pour démontrer une suite de technologies intégrées dans microsatellites légers à haute performance.

Un des projets du MidSTEP est la technologie des microsatellites Experiment (Mitex). Le Mitex est constitué de 2 microsatellites, l’un construit par Lockheed Martin et l’autre par Orbital Sciences. Le LNR a construit le moteur de l’étage supérieur pour les deux satellites.

Les satellites ont été lancés avec succès en orbite géostationnaire le 21 juin 2006 bord d’une fusée Delta II depuis la base Air Force de Cap Canaveral. Au cours des années suivantes, ils ont mené des expériences lors d’opérations autonomes. Les deux satellites Mitex ont manoeuvré à proximité d’un satellite d’alerte précoce DSP. Le premier a fait un survol le 23 décembre 2008 et le second le 1er janvier 2009. Bien que le DARPA soit réticent à préciser les objectifs des satellites Mitex, il semble que ces manoeuvres visent à démontrer des capacités de lutte anti-satellite.

Les nanosatellites

L’armée américaine cherche à miniaturiser davantage encore ses moyens de surveillance et à développer la communication par nanosatellites.

Les nanosatellites sont conçus pour servir de nœuds de communication sur les théâtre d’opération. Le programme Space and Missile Defense Command: Operational nanosatellite Effet (SMDC-ONE) prévoit de développer plusieurs de ces satellites et de les placer sur une orbite terrestre basse pour fournir des capacités de communications tactiques. Les satellites seront en mesure d’envoyer et de recevoir des fichiers de données à partir d’une commande au sol et de relayer les données vers d’autres stations au sol.

L’armée a commandé huit nanosatellites SMDC-ONE à Ducommun Miltec, livrés en avril 2009. Chaque satellite affiche une masse inférieure à 4,5 kg, une taille de 10×10×33 cm, et coûte moins d’un million de dollars à produire. La production des 8 satellites a pris moins d’un an.

L’USASMDC / ARSTRAT décrit l’objectif général du programme de nanosatellite SMDC-ONE :

« Les Nanosats déployés en grand nombre peuvent fournir des capacités améliorées au niveau mondial. Parce qu’ils sont peu coûteux, ils peuvent être «rafraîchis» fréquemment, et permettent des mises à niveau technologiques rapides, tout en réduisant les exigences de fiabilité. Une constellation de satellites Nanosat peu coûteuse, pourrait être utile dans des opérations tactiques au sol, pour l’aide humanitaire et des opérations de stabilité. Si certains satellites sont perdus, ils peuvent être rapidement reconstitués. Ils peuvent fournir une couverture sur des régions spécifiques, ainsi que dans le monde. »

L’Armée américaine a placé son premier nanosatellite en orbite le 8 décembre 2010 depuis Cap Canaveral à bord d’un Falcon 9. Le satellite a été en mesure de communiquer avec la station au sol et est restée en orbite pendant 30 jours.

Pour les missions futures, l’armée envisage de lancer d’autres nanosatellites avec GPS embarqué, en bande S de communications par liaison de transmission de données a augmenté, l’inclusion d’une radio définie par logiciel pour une flexibilité plus grande fréquence émetteur-récepteur, et la modification des radios pour augmenter le volume disponible pour charges utiles.

Néanmoins, les débris spatiaux sont devenus une préoccupation croissante pour la communauté spatiale dans le monde entier. Il s’agit des milliers d’ordures spatiales humaines restées en orbite autour de la terre depuis le lancement de Spoutnik en 1957. Ces débris peuvent endommager sérieusement les satellites et même blesser ou tuer des astronautes (un simple boulon en orbite peut transpercer une combinaison). C’est une préoccupation pour les microsatellites et les nanosatellites en raison de leur petite taille et de leur poids léger qui réduisent leur protection.

L’US Air Force travaille sur quelques projets pour suivre les débris orbitaux. L’un est appelé « Space Fence » (barrière de l’epace), un projet visant à déployer des radars au sol en bande S. Ce programme de 3,5 milliards de dollars doit remplacer l’ancienne « Fence » basée sur une surveillance aérienne radar qui assure actuellement le suivi des objets spatiaux orbitaux.

La première phase de l’évolution du programme Fence a été achevée. Au cours de la deuxième phase de conception préliminaire, l’US Air Force a attribué deux contrats valant jusqu’à 214 millions de dollars à 2 des 3 sociétés qui ont participé à la phase 1: Lockheed Martin, Northrop Grumman et Raytheon.

« Le programme Space Fence nous permettra de réduire les risques de collisions, d’améliorer la précision du « catalogue » des débris spatiaux, et d’améliorer la sécurité du vol », a déclaré Linda Haines, directrice du programme Space Fence au Centre de la Force aérienne des systèmes électroniques.

Pour cela, l’Air Force a lancé la construction d’une flotte de satellites chargés de détecter et suivre les débris spatiaux. Un programme baptisé SBSS (Space-based Space Surveillance).

Le 25 septembre 2010, l’Air Force a lancé avec succès le 1er satellite SBSS, bloc 10, à partir de la base aérienne Vandenberg, en Californie, à bord d’une fusée Minotaur IV. Le Block 20 fournira une capacité plus robuste et sera composé d’une constellation de 4 satellites.