JWST | Le déploiement le plus compliqué de l’histoire des satellites

Ariane 5 a déjà réalisé des missions variées, incluant notamment le lancement du cargo ATV destiné à ravitailler la station spatiale internationale, le lancement de la sonde Rosetta qui s’est dirigée vers une comète et le lancement des satellites Herschel et Planck vers le deuxième point de Lagrange, appelé L2, où le JWST se rendra prochainement. Mais Ariane 5 est avant tout un lanceur destiné à envoyer des satellites sur l’orbite de transfert géostationnaire. Cette orbite elliptique est caractérisée par un périgée de quelques centaines de kilomètres et une apogée de 36000 kilomètres. Cette altitude de 36000 kilomètres correspond à celle des satellites en orbite géostationnaire où on trouve notamment des satellites de télécommunications et météorologiques. Ce lancement ne sera donc pas un lancement de routine, d’autant plus que les lancements restent des évènements à haut risque où l’échec ne peut jamais être écarté. Ceci a été le cas pour le compétiteur russe d’Ariane 5, le lanceur Proton, qui a subi plusieurs cuisants échecs durant la dernière décennie. 

Le point de Lagrange L2, un des points d’équilibre dans le système Terre-Soleil, est situé à 1.5 million de kilomètres de la terre du côté opposé au soleil. Cette distance correspond à un centième de la distance terre-soleil. Même si le voyage vers L2 ne dure qu’à peu près un mois, le JWST ne sera opérationnel qu’après 6 mois, le temps d’aligner et de calibrer les miroirs.  

Durant le premier mois de la mission, de nombreuses étapes vont devoir être accomplies avec succès. Tout d’abord, il faut savoir que le lancement est une étape très courte dans la vie d’un satellite. Ariane 5 fonctionnera environ pendant une dizaine de minutes et le JWST se séparera de la fusée après 30 minutes pour partir sur une trajectoire directe vers L2. A partir de cet instant commencera ce qui est probablement le déploiement le plus compliqué de l’histoire des satellites.  

En premier lieu, les panneaux solaires d’une taille de 6 mètres seront immédiatement déployés afin de fournir l’énergie électrique nécessaire au bon fonctionnement du satellite et le déploiement de l’antenne de télécommunication suivra. Au cours de la première journée, il y aura la première des trois petites manœuvres propulsives, appelées mid-course correction maneuvres, manœuvres qui assurent que le satellite aura bien la bonne orbite à l’arrivée. Les autres opérations de déploiement débuteront 2,5 jours après le lancement et se dérouleront sur plusieurs jours. Le point critique sera le déploiement du bouclier solaire du JWST constitué de 5 couches de Kapton d’une épaisseur de quelques centièmes de millimètres et dont la taille est équivalente à un terrain de tennis. Comme le télescope observe dans l’infra-rouge, il devra être refroidi à des températures extrêmement basses (-220 degrés Celsius) et le rôle du bouclier solaire sera de le protéger des sources de lumière externe telles que le soleil, la terre et la lune mais aussi de la chaleur émise par le satellite lui-même. Le télescope avec ses miroirs primaires et secondaires pourra ensuite être déployé.

Au total 50 éléments devront être déployés incluant les panneaux solaires, les antennes de télécommunication, les miroirs, le bouclier solaire ainsi qu’un flap permettant d’équilibrer la pression de radiation solaire sur le satellite. Ceci nécessitera l’utilisation d’un peu moins de 200 mécanismes de déploiement et de 400 poulies.

Une fois le satellite lancé, les dés seront jetés. Plus de 300 éléments ont été identifiés comme single-point failure, ce qui signifie que si un de ces éléments ne fonctionne pas, il n’y a pas de solution de réserve ; la mission est en grand danger. Par exemple, si le bouclier solaire ne se déploie pas correctement, il sera impossible de refroidir le télescope à la température voulue donnant lieu à des images vraisemblablement inexploitables.  

Ce genre de mésaventure est arrivé au prédécesseur du JWST, le Hubble Space Telescope. Assez rapidement après le lancement, les ingénieurs et scientifiques se sont rendus compte que le miroir primaire avait une aberration qui affectait sévèrement la qualité des images. Des astronautes ont donc installé un système correcteur lors de la première servicing mission pour Hubble. Mais, à la différence de Hubble qui orbite autour de la terre à une altitude de 550 kilomètres, le JWST sera à 1.5 million de kilomètres rendant ce genre de mission inenvisageable.

Le JWST sera avant tout une révolution pour la science, en particulier l’astrophysique, et produira des images d’une précision et d’une qualité inégalées. Mais le JWST représente aussi un des plus grands défis technologiques que le spatial ait connu jusqu’à présent. Ceci s’est d’ailleurs traduit par une explosion du budget initialement prévu et par un délai de plusieurs années. Tout d’abord, la taille du satellite avec son bouclier solaire est énorme alors que tout doit être replié lors du lancement (panneaux solaires, antennes, bouclier solaire, miroirs). Ensuite, le refroidissement du télescope à de très basses températures ainsi que la conception du miroir en plusieurs segments ont aussi représenté des défis technologiques d’importance pour les ingénieurs.