Protection préventive contre les orages lors des lancements d'engins spatiaux

Les satellites sont une nécessité dans la vie moderne à des fins diverses (prévisions météorologiques, exploration scientifique, communications à longue distance, etc.).

Les véhicules qui placent les satellites en orbite sont sensibles aux menaces de foudre naturelles et induites par les fusées. C'est pourquoi la NASA a développé l'ensemble de règles LLCC pour évaluer si les conditions météorologiques permettent les lancements. Depuis son application, des incidents tels que ceux d'Apollo 12 et d'Atlas-Centaur 67 ne se sont plus reproduits. Au sein de ces critères, le champ électrique ambiant joue un rôle essentiel et est mesuré par un réseau de moulins de champ (capteurs de champ électrostatique) au Kennedy Space Center.

L'activité de lancement de satellites et les missions d'exploration spatiale ne cessent de croître. Les satellites de communication sont indispensables à la vie moderne et représentent un investissement de plusieurs milliards de dollars. Les satellites sont lancés en orbite par des lanceurs spécialement conçus. Il s'agit généralement de fusées dotées de systèmes de contrôle et de guidage1.

D'autre part, l'exploration spatiale est un domaine de plus en plus pertinent pour des raisons technologiques, scientifiques et souvent aussi politiques. En conséquence, la demande d'installations et de programmes de lancement continue de croître, ce qui en fait une proposition commerciale lucrative1.

Le mauvais temps est la principale cause des retards et des annulations de lancement. Les lanceurs, ainsi que les navettes spatiales, sont sensibles à la menace de la foudre lors du lancement et du transit dans la basse atmosphère. Les fusées contiennent des agents oxydants, du carburant, ainsi que des dispositifs électro-explosifs pour l'autodestruction si nécessaire. Un coup de foudre pourrait donc avoir des conséquences catastrophiques entraînant des pertes en vies humaines, en temps et en coûts économiques1.

La menace d'un orage a conduit à l'élaboration de critères météorologiques pour atténuer le risque foudre lors du lancement. Ils sont connus sous le nom de critères Lightning Launch Commit (LLCC). Depuis leur mise en œuvre, environ 5 % des lancements à Cap Canaveral/John F. Kennedy Space Center (KSC) ont été annulés et 35 % ont été reportés2.

En effet, la mission orbitale Artemis I, dont le lancement était prévu le 29 août 2022, a dû retarder le ravitaillement en raison de tempêtes en mer. Une fois l'opération de ravitaillement terminée, des problèmes de température ont été constatés dans l'un des moteurs de fusée. La mission a été retardée plusieurs fois en raison de problèmes techniques, mais aussi en raison de la présence des tempêtes tropicales Ian et Nicole. La mission a été lancée avec succès le 16 novembre 2022.

Ci-dessous, nous commentons les règles de lancement des engins spatiaux LLCC de la NASA et l'importance des détecteurs de champ électrostatique pour évaluer le risque de foudre dans la région.

Critères d'engagement de lancement de la foudre de la NASA (LLCC)

Les LLCC sont un ensemble de règles élaborées par la NASA et d'autres organisations fédérales américaines pour atténuer le risque d'impacts lors des lancements d'engins spatiaux. Ils couvrent à la fois les rejets naturels et induits par les fusées. La dernière version des LLCC est publiée dans la norme NASA-STD-4010 20173. Cependant, les LLCC et leurs définitions associées sont continuellement révisées sur la base des nouvelles connaissances et expériences accumulées au fil des années du programme spatial américain4.

Alors que la menace d'orage était envisagée dans les premiers jours de l'ère spatiale jusqu'au lancement d'Apollo 12 en 1969, la foudre induite par un véhicule produite en volant à travers des nuages hautement électrifiés qui ne se déchargent pas naturellement4 n'a pas été prise en compte.

Dans le cas d'Apollo 12, deux coups de foudre induits ont été observés pendant la première minute du vol. Ces impacts ont causé des dommages permanents aux capteurs non critiques, ainsi que des pannes temporaires des systèmes critiques. La mission a été accomplie, grâce à la résolution de problèmes de l'équipage. En raison de cet incident, de nouvelles règles ont été introduites interdisant de voler à proximité d'orages ou à travers certains types de nuages non orageux, mais avec un risque potentiel d'électrification1.

En revanche, la fusée Atlas-Centaur 67 (AC 67) de 1987, qui contenait le satellite Fleetsatcom, a subi un impact induit par le passage de la fusée à travers un nuage électrifié. Cet éclair a provoqué une panne du système de guidage du véhicule. À la suite d'une rotation imprévue, des contraintes ont été générées et la fusée a commencé à se désagréger et a reçu l'ordre de s'autodétruire. Des débris récupérés dans l'océan Atlantique ont confirmé qu'un coup de foudre s'était produit1.

Cependant, il a été déterminé que, bien que les LLCC en vigueur en 1987 aient été déficientes, la principale responsabilité de la catastrophe était une mauvaise évaluation, car la bonne aurait empêché le décollage de l'AC 675.

Une norme NASA-STD-4010 fournit des exigences d'ingénierie et techniques uniformes pour les procédures, les pratiques et les méthodes des programmes et projets de la NASA. De plus, la publication technique NASA/TP-2016-219439 de 20165 fournit la base scientifique de la norme, bien que ce document soit basé sur les LLCC d'août 2014, et n'inclut donc aucune modification ultérieure pouvant figurer dans la norme de 2017.