PROBA-3

Les premières études (phase A) au sein de l'Agence spatiale européenne portant sur le développement d'une mission expérimentale destinée à mettre au point le vol de formation de très haute précision débutent en octobre 2006. La La revue préliminaire de conception a lieu fin 2012 et le projet entre dans une phase de spécifications détaillées (phase CD/E1) à l'automne 2013. Deux missions spatiales européennes ont jusque là effectué des démonstrations de vol en formation. D'une part la mission TanDEM-X de l'agence spatiale allemande DLR comprenait deux gros satellites d'observation de la Terre (1350 kg) emportant un radar et capables de maintenir une formation avec une distance relative de 250 à 500 mètres avec une précision de 10 mètres en utilisant un système de navigation reposant sur le GPS. D'autre part la mission suédoise PRISMA comprenant deux petits satellites (95 et 50 kg) capables de se maintenir à une distance relative de 2 mètres avec une précision de l'ordre du décimètre en utilisant à la fois des systèmes de navigation optique et radio. La mission développée par l'agence spatiale européenne vise à un degré de précision de l'ordre du millimètre[1].

Les objectifs principaux de la mission sont de mettre au point différentes techniques permettant le vol en formation de haute précision d'une constellation de satellites. Les composant qui doivent être mis au point sont principalement[1]. :

• les algorithmes de contrôle du vol en formation
• les techniques de mesure
• les techniques de vol autonome robustes.

La mission a également un objectif scientifique qui est toutefois secondaire. Celui-ci exploite les caractéristiques du vol en formation de précision. La charge utile scientifique principale de PROBA-3 ASPIICS (Association of Spacecraft for Polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the Sun) exploite les caractéristiques du vol en formation de précision. Ce coronographe est utilisé pour observer la couronne solaire, partie de l'atmosphère du Soleil située au-delà de la chromosphère qui s'étend sur plusieurs millions de kilomètres en se diluant dans l'espace. La couronne solaire, qui est un million de fois moins brillante que le Soleil, ne peut être observée qu'en masquant ce dernier. Plusieurs missions spatiales telles que SoHO ont déjà mis en oeuvre un coronographe. Mais la technique utilisée jusque là, du fait de la proximité entre le masque et l'objectif, générait des phénomènes de diffraction qui ne permettent pas d'observer la partie de la couronne solaire la plus proche de la surface du Soleil. L'instrument de PROBA-3 utilise un masque situé à plus de 100 mètres de l'objectif qui supprime ce phénomène. Cette technique avait déjà été utilisée brièvement durant la mission Apollo Soyouz de 1975 : le vaisseau Apollo était utilisé pour bloquer la lumière du Soleil arrivant sur le vaisseau Soyouz situé à proximité[2]

L'instrument ASPIICS est conçu par le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (responsable scientifique de l'instrument ASPIICS) et développé par un consortium d'industriels et de laboratoires de recherche de plusieurs pays (Belgique, Tchéquie, France, Grèce, Italie, Irlande, Pologne et Roumanie). ASPIICS est un coronographe qui sera utilisé durant la mission pour étudier la couronne solaire. La partie optique de l'instrument est portée par un satellite tandis que le masque est porté par le deuxième satellite. Les deux satellites doivent voler en formation à 150 mètres l'un de l'autre sur un axe passant par le Soleil avec une précision de quelques millimètres. À cette distance de l'optique, le masque est beaucoup plus précis que sur un coronographe classique car il évite le phénomène optique de diffraction. Le champ optique devrait permettre d'observer la partie de la couronne solaire située à une distance comprise entre 1,04 et 3 rayons du centre du Soleil. Les techniques utilisées jusque là dans l'espace ne permettaient l'observation de la couronne solaire qu'à partir d'une distance de 2 à 2,5 rayons solaires[2]^,[1].

Proba-3 emporte deux autres instruments scientifiques. Le radiomètre absolu DARA (Davos Absolute Radiometer) doit mesurer l'irradiance du Soleil. 3DEES (3D Energetic Electron Spectrometer) est un instrument expérimental qui est utilisé pour analyser le spectre des électrons électrons des ceintures de radiation de la Terre[2].

Le satellite qui emporte la partie optique du coronographe est le plus lourd : il a une masse de 475 kg et il forme un cube de 1,01 × 1,01 × 1,41 m. Une des faces comporte des panneaux solaires déployables tandis que d'autres faces sont directement recouvertes de cellules solaires. La face sur laquelle débouche l'optique du coronographe comporte un senseur solaire et des capteurs permettant de mesurer la distance à laquelle se situe l'autre satellite. La face opposée comporte des capteurs solaires et viseurs d'étoiles. Pour le contrôle d'attitude, le satellite comporte 4 roues de réaction, 6 gyroscopes, un viseur d'étoiles avec 3 têtes optiques, 6 capteurs solaires et 2 systèmes GPS. Le deuxième satellite d'une masse de 245 kg a la forme d'un cube de 90 × 110 × 90 cm et porte le masque qui a un diamètre de 1,52 mètre. Le système de contrôle d'attitude est identique à celui de l'autre satellite[3].

Pour se maintenir en formation, les deux satellites communiquent en bande X ce qui permet de déterminer de manière grossière leur position respective. Des diodes lasers placées sur la face du satellite portant le masque tournée vers le satellite portant le coronographe permettent à ce dernier de mesurer la distance de manière fine. Les manœuvres sont effectuées avec des propulseurs à gaz froid pouvant fournir des poussées de l'ordre du millinewton. Le satellite le plus pesant est chargé des manœuvres initiales permettant à la paire de satellites d'atteindre son orbite de travail (les deux satellites sont solidaires durant cette phase). Il dispose à cet effet d'un moteur-fusée brûlant un ergol baptisé High Performance Green Propellant (HPGP) plus performant et moins toxique que l'hydrazine utilisée habituellement[4].

Les satellites initialement solidaires doivent atteindre leur orbite finale en effectuant plusieurs manœuvres après avoir été placés en orbite par leur lanceur. Ils atteignent leur orbite de travail qui est une orbite elliptique haute de 60 530 km d'apogée et de 800 km de périgée avec une inclinaison orbitale de 59°. Les deux satellites sont alors séparés et se mettent dans une configuration en tandem. L'objectif de la mission est de maintenir une distance de 144 mètres quasi invariante durant des périodes de 6 heures ou plus : l'écart doit être inférieur à quelques millimètres et quelques secondes d'arc. Une période de qualification de trois mois doit permettre de vérifier le fonctionnement des systèmes en particulier celui du système anti-collision (Collision Avoidance Manoeuvre CAM) qui intervient si les satellites se rapprochent trop dangereusement. Une fois déclarés opérationnels, les deux satellites enchainent des manœuvres de vol en formation (durant la semaine) et des séances d'observation du Soleil avec le coronographe (au cours du week-end). Les données fournies par le coronographe sont stockées dans la mémoire de 16 gigabits jusqu'à ce que celle-ci soit pleine, puis sont transmises à la station de Redu en Belgique[5].