NORAD, Gabbard et KesslerEdit

Willy Ley a prédit en 1960 que « Avec le temps, un certain nombre de ces tirs accidentellement trop chanceux s’accumuleront dans l’espace et devront être retirés lorsque l’ère du vol spatial habité arrivera ». Après le lancement de Spoutnik 1 en 1957, le Commandement de la défense aérospatiale de l’Amérique du Nord (NORAD) a commencé à compiler une base de données (le Space Object Catalog) de tous les lancements de fusées connus et des objets atteignant une orbite : satellites, boucliers de protection et fusées d’appoint à étages supérieur et inférieur. La NASA a ensuite publié des versions modifiées de la base de données dans un ensemble d’éléments de deux lignes, et au début des années 1980, le système de tableau d’affichage CelesTrak les a republiées.

Diagramme de Gabbard de près de 300 débris provenant de la désintégration du troisième étage de cinq mois du booster chinois Long March 4 le 11 mars 2000

Les traqueurs qui alimentaient la base de données avaient connaissance d’autres objets en orbite, dont beaucoup étaient le résultat d’explosions en orbite. Certaines avaient été délibérément provoquées lors des essais d’armes antisatellites (ASAT) dans les années 1960, et d’autres résultaient de l’explosion d’étages de fusées en orbite, les restes de propergol s’étant dilatés et ayant fait éclater leurs réservoirs. Pour améliorer le suivi, John Gabbard, employé du NORAD, a tenu une base de données distincte. En étudiant les explosions, Gabbard a mis au point une technique permettant de prédire les trajectoires orbitales de leurs produits, et les diagrammes (ou tracés) de Gabbard sont désormais largement utilisés. Ces études ont été utilisées pour améliorer la modélisation de l’évolution et de la décroissance orbitale.

Lorsque la base de données NORAD est devenue accessible au public au cours des années 1970, le scientifique Donald J. Kessler de la NASA a appliqué la technique développée pour l’étude de la ceinture d’astéroïdes à la base de données des objets connus. En 1978, Kessler et Burton Cour-Palais ont coécrit « Collision Frequency of Artificial Satellites : The Creation of a Debris Belt », démontrant que le processus contrôlant l’évolution des astéroïdes entraînerait un processus de collision similaire en LEO en quelques décennies plutôt qu’en milliards d’années. Ils ont conclu que d’ici environ 2000, les débris spatiaux dépasseraient les micrométéorites en tant que principal risque ablatif pour les engins spatiaux en orbite.

À l’époque, on pensait généralement que la traînée de la haute atmosphère désorbiterait les débris plus rapidement qu’ils n’étaient créés. Cependant, Gabbard était conscient que le nombre et le type d’objets dans l’espace étaient sous-représentés dans les données du NORAD et connaissait bien son comportement. Dans une interview peu après la publication de l’article de Kessler, Gabbard a inventé le terme de syndrome de Kessler pour désigner l’accumulation de débris ; il est devenu largement utilisé après son apparition dans un article de Popular Science de 1982, qui a remporté le prix national de journalisme de l’Aviation-Space Writers Association 1982.

Études de suiviModification

Les caméras Baker-Nunn ont été largement utilisées pour étudier les débris spatiaux.

Le manque de données concrètes sur les débris spatiaux a suscité une série d’études visant à mieux caractériser l’environnement LEO. En octobre 1979, la NASA a fourni à Kessler un financement pour des études supplémentaires. Plusieurs approches ont été utilisées par ces études.

Des télescopes optiques et des radars à courte longueur d’onde ont été utilisés pour mesurer le nombre et la taille des objets spatiaux, et ces mesures ont démontré que le décompte de la population publié était au moins 50% trop faible. Avant cela, on pensait que la base de données du NORAD rendait compte de la majorité des grands objets en orbite. Il s’est avéré que certains objets (généralement des engins spatiaux militaires américains) étaient omis de la liste du NORAD, et que d’autres n’y figuraient pas parce qu’ils étaient considérés comme peu importants. La liste ne pouvait pas facilement prendre en compte les objets de moins de 20 cm (7,9 in) – en particulier, les débris provenant de l’explosion d’étages de fusées et de plusieurs essais antisatellites des années 1960.

Les engins spatiaux retournés ont été examinés au microscope à la recherche de petits impacts, et les sections de Skylab et du module de commande/service Apollo qui ont été récupérées se sont révélées être piquées. Chaque étude a indiqué que le flux de débris était plus élevé que prévu et que les débris étaient la principale source de micrométéorites et de collisions de débris orbitaux dans l’espace. LEO a déjà démontré le syndrome de Kessler.

En 1978, Kessler a découvert que 42 % des débris catalogués étaient le résultat de 19 événements, principalement des explosions d’étages de fusées usagées (en particulier les fusées Delta américaines). Il a découvert cela en identifiant d’abord les lancements décrits comme ayant un grand nombre d’objets associés à une charge utile, puis en faisant des recherches dans la littérature pour déterminer les fusées utilisées pour le lancement. En 1979, cette découverte a abouti à la création du programme de débris orbitaux de la NASA, après un exposé à la haute direction de la NASA, renversant la croyance antérieure selon laquelle la plupart des débris inconnus provenaient d’anciens essais de missiles antisatellites, et non d’explosions de fusées américaines à étage supérieur qui pouvaient apparemment être facilement gérées en épuisant le carburant inutilisé de l’étage supérieur de la fusée Delta après l’injection de la charge utile. À partir de 1986, lorsqu’on a découvert que d’autres agences internationales étaient peut-être confrontées au même type de problème, la NASA a étendu son programme aux agences internationales, la première étant l’Agence spatiale européenne.:2 Un certain nombre d’autres composants Delta en orbite (Delta était un cheval de bataille du programme spatial américain) n’avaient pas encore explosé.

Un nouveau syndrome de KesslerModification

Durant les années 1980, l’US Air Force (USAF) a mené un programme expérimental pour déterminer ce qui se passerait si des débris entraient en collision avec des satellites ou d’autres débris. L’étude a démontré que le processus différait des collisions de micrométéorites, avec la création de gros morceaux de débris qui deviendraient des menaces de collision.

En 1991, Kessler a publié « Collisional cascading : The limits of population growth in low Earth orbit » avec les meilleures données alors disponibles. Citant les conclusions de l’USAF sur la création de débris, il écrivait que bien que presque tous les objets débris (comme les taches de peinture) soient légers, la majeure partie de sa masse se trouvait dans des débris d’environ 1 kg (2,2 lb) ou plus lourds. Cette masse pourrait détruire un vaisseau spatial lors de l’impact, créant davantage de débris dans la zone de masse critique. Selon l’Académie nationale des sciences :

Un objet de 1 kg percutant à 10 km/s, par exemple, est probablement capable de briser de façon catastrophique un engin spatial de 1 000 kg s’il frappe un élément de haute densité dans l’engin. Dans une telle rupture, de nombreux fragments de plus de 1 kg seraient créés.

L’analyse de Kessler a divisé le problème en trois parties. Avec une densité suffisamment faible, l’ajout de débris par les impacts est plus lent que leur taux de désintégration et le problème n’est pas significatif. Au-delà se trouve une densité critique, où l’ajout de débris entraîne des collisions supplémentaires. À des densités supérieures à cette masse critique, la production dépasse la désintégration, ce qui entraîne une réaction en chaîne en cascade réduisant la population en orbite à de petits objets (de plusieurs centimètres) et augmentant le risque d’activité spatiale. Cette réaction en chaîne est connue sous le nom de syndrome de Kessler.

Dans un aperçu historique du début de l’année 2009, Kessler a résumé la situation :

Des activités spatiales agressives sans garanties adéquates pourraient réduire considérablement le temps entre les collisions et produire un danger intolérable pour les futurs engins spatiaux. Parmi les activités spatiales les plus dangereuses pour l’environnement figurent les grandes constellations telles que celles initialement proposées par l’Initiative de défense stratégique au milieu des années 1980, les grandes structures telles que celles envisagées à la fin des années 1970 pour construire des centrales solaires en orbite terrestre, et la guerre antisatellite utilisant des systèmes testés par l’URSS, les États-Unis et la Chine au cours des 30 dernières années. De telles activités agressives pourraient mettre en place une situation où la défaillance d’un seul satellite pourrait entraîner la défaillance en cascade de nombreux satellites dans une période beaucoup plus courte que des années.