Rentrée assistée autonome pour satellites à faible poussée

Autonomous assisted reentry for satellite with low thrust propulsion

• Auteur / Autrice : Damien Courteville
• Direction : Joan-Pau Sanchez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique et Systèmes Embarqués
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA ACDC - Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes

Mots clés

Mots clés libres

Rentrée naturelle assistée

Autonome

Faible poussée

Désorbitation

Assisted reentry

Autonomous

Low thrust propulsion

Deorbiting

Résumé

Le nombre sans cesse croissant d'objets évoluant en orbite basse (satellites, débris divers...) amène à la fois à une probabilité grandissante de collisions, et à une probabilité croissante du risque de victimes au sol. Pour pallier à cette problématique, les agences spatiales mettent en place des lois de régulation visant d'une part à diminuer le temps passé en orbite par un satellite en fin de vie, et d'autre part, à réguler plus drastiquement le risque de victimes au sol pour chaque mission. Dans ce contexte, la Rentrée Naturelle Assistée (RNA) constitue une alternative intéressante à la rentrée contrôlée (très coûteuse) et à la rentrée non contrôlée (qui ne permettra plus dans la majorité des cas de satisfaire aux lois de régulation). Le principe de la RNA est de viser une zone assez restreinte et choisie adéquatement sur la terre, de façon à limiter le risque de victime au sol. Pour cela, la RNA réalise de multiples manœuvres pour baisser l'altitude orbitale autant que possible ; de cette façon, le nombre d'orbites non contrôlées résiduelles est très faible (quelques unités) et donc la zone d'impact relativement réduite. Les manœuvres de RNA peuvent être réalisées avec les tuyères chimiques ou électriques existants à bord, et ne nécessitent pas d'utiliser un système de propulsion spécifique. Dans le cas de tuyères électriques, la RNA dure plusieurs mois, et nécessite donc une optimisation des manœuvres sur les dernières semaines afin de compenser les évolutions de conditions non prévues initialement (densité atmosphérique...). En ajustant et optimisant ces manœuvres, il est possible d'assurer que le début de la phase non contrôlée se fasse dans les conditions optimales qui limiteront la zone d'impact des débris. D'un autre côté, l'utilisation de tuyères électriques pour réaliser la RNA permet de diminuer fortement le bilan de masse de cette manœuvre finale, au détriment de la durée de descente. Cette durée de descente plus importante peut cependant être mise à profit pour mieux estimer certains paramètres prépondérants pour la rentrée atmosphérique (masse globale, coefficient balistique, drag, densité atmosphérique). Les études réalisées récemment à TAS prouvent la crédibilité technique de la RNA sur ses satellites LEO électriques, et notamment Constellations, avec une diminution notable du risque de victimes au sol et un impact réduit en coût et masse. La durée de la descente par RNA avec des tuyères électriques constitue néanmoins un frein, puisque les équipes au sol doivent rester mobilisées entre plusieurs semaines et plusieurs mois pour ajuster les manœuvres et optimiser la zone d'impact. A ce jour, les travaux engagés par les différents acteurs du secteur se sont concentrés sur la mise en place d'outils de prédiction dans un but de validation de la RNA, et/ou d'outils permettant aux équipes d'opérations sol de piloter une RNA par réajustement périodique des manœuvres (cf la rentrée de AEOLUS). Le verrou restant à franchir pour que la RNA puisse être facilement utilisable et largement adoptée par les opérateurs serait d'automatiser sa gestion et de l'embarquer à bord du satellite. Dans ce contexte, le but de cette thèse est de développer une Rentrée Naturelle Assistée Autonome : - capable de gérer la phase de descente sans intervention quelles que soient les évolutions de conditions (environnement, pannes…), - respectant les contraintes liées à l'embarquabilité sur satellite (Capacité du On Board Computer par exemple).

The ever-increasing number of objects in low-Earth orbit (satellites, various types of debris, etc.) is leading to a growing probability of collisions, as well as an increasing risk of casualties on the ground. To address this issue, space agencies are implementing regulatory laws designed to reduce the time spent in orbit by a satellite at the end of its life, and to regulate more drastically the risk of ground casualties for each mission. In this context, Assisted Natural Re-entry (ANR) is an attractive alternative to controlled re-entry (which is very costly) and uncontrolled re-entry (which in most cases will no longer satisfy regulatory requirements). The principle behind ANR is to target a suitably selected, fairly small area of land, so as to limit the risk of ground casualties. In this way, the number of residual uncontrolled orbits is very low (a few units), and the impact zone relatively small. ANR maneuvers can be carried out with existing chemical or electric thrusters on board, and do not require the use of a specific propulsion system. In the case of electric thrusters, ANR lasts several months, and therefore requires optimization of maneuvers on the last few weeks to compensate for changes in conditions not initially foreseen (atmospheric density, etc.). By adjusting and optimizing these maneuvers, it is possible to ensure that the start of the uncontrolled phase takes place under optimum conditions that will limit the debris impact zone. On the other hand, the use of electric thrusters to perform the ANR greatly reduces the mass cost of this final maneuver, to the detriment of descent time. This longer descent time can, however, be used to better estimate certain key parameters for atmospheric re-entry (overall mass, ballistic coefficient, drag, atmospheric density). Recent studies carried out by Thales Alenia Space have demonstrated the technical credibility of ANR on its electric thrust LEO satellites, in particular Constellations, with a significant reduction in the risk of ground casualties and a reduced impact in terms of cost and mass. However, the time required for descent by ANR using electric thusters is an obstacle, since ground teams must remain mobilized for several weeks to several months to adjust maneuvers and optimize the impact zone. To date, the work undertaken by the various players in the sector has focused on setting up prediction tools to validate the ANR, and/or tools enabling ground operations teams to pilot an ANR by periodically readjusting maneuvers (cf. the end of life of AEOLUS). The remaining hurdle to be overcome before the ANR can be easily used and widely adopted by operators would be to automate its management and embed it on board the satellite. In this context, the aim of this PhD is to develop an Autonomous Assisted Natural Re-entry : - capable of managing the descent phase without intervention, whatever the changing conditions (environment, system failure, etc.), - respecting the constraints linked to the satellite's on-board capability (e.g. On Board Computer capacity).