Protection préventive face aux orages électriques lors des lancements d’engins spatiaux

Les satellites sont indispensables à la vie moderne pour diverses fonctions (prévisions météorologiques, exploration scientifique, communications à longue distance, etc.) Les engins qui placent les satellites en orbite sont sensibles aux menaces de coups de foudre naturels ou provoqués par la fusée elle-même. 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 pas reproduits. Dans le cadre de ces critères, le champ électrique ambiant joue un rôle important, celui-ci étant mesuré par un réseau de moulins à 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 qui se chiffre en milliards. Les satellites sont mis en orbite par des lanceurs spécialement conçus à cet effet. Il s’agit généralement de fusées dotées de systèmes de contrôle et de guidage¹.

D’autre part, l’exploration spatiale est un domaine d’importance croissante pour des raisons technologiques, scientifiques et souvent aussi politiques. En conséquence, la demande d’installations et de programmes de lancement continue d’augmenter, ce qui en fait une proposition commerciale très intéressante¹.

Les mauvaises conditions météorologiques sont la principale cause des retards et des annulations de lancement. Les engins de lancement, ainsi que les navettes spatiales, sont sensibles à la menace de coups de foudre pendant le lancement et lors du passage dans la basse atmosphère. Les fusées contiennent des comburants, du carburant, mais aussi des électro-explosifs pour s’autodétruire si nécessaire. Un coup de foudre peut donc avoir des conséquences catastrophiques en termes de pertes de vies humaines, de temps et de coûts économiques¹.

La menace de l’orage électrique a conduit au développement de critères météorologiques visant à atténuer le risque dû à la foudre pendant le lancement.  Ces critères sont connus sous le nom de Lightning Launch Commit Criteria (LLCC). Depuis leur mise en œuvre, environ 5 % des lancements effectués à Cap Canaveral/John F. Kennedy Space Center (KSC) ont été annulés et 35 % ont été reportés².

À titre d’exemple, la mission orbitale Artemis I, dont le lancement était prévu le 29 août 2022, a dû retarder le ravitaillement en carburant en raison de la présence d’orages en haute mer. Après l’opération de ravitaillement, des problèmes de température ont été constatés dans l’un des moteurs de la fusée. La mission a été retardée à plusieurs reprises en raison de problèmes techniques, mais aussi de la présence des tempêtes tropicales Ian et Nicole. La mission a finalement 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 champs électrostatiques permettant l’évaluation du risque de coups de foudre dans la zone.

Critères de lancement de la NASA (Lightning Launch Commit Criteria – LLCC)

Les LLCC sont un ensemble de règles, développées par la NASA et d’autres organisations fédérales des États-Unis, pour atténuer le risque d’impacts lors du lancement des engins spatiaux. Ils englobent les décharges naturelles et celles provoquées par les fusées. La dernière version des LLCC a été publiée dans la norme NASA-STD-4010 de 2017³. Les LLCC et leurs définitions associées sont toutefois continuellement révisées en fonction des nouvelles connaissances et de l’expérience accumulées au fil des années du programme spatial américain⁵.

Bien que la menace des orages ait été prise en compte dès le début de l’ère spatiale, ce n’est qu’avec le lancement d’Apollo 12 en 1969 que les coups de foudre induits par l’engin lui-même lors de son vol à travers des nuages hautement électrifiés et ne produisant pas de décharges de manière naturelle⁴ ont été pris 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 essentiels, ainsi que des défaillances temporaires des systèmes critiques. La mission a été menée à bien, grâce à la résolution des problèmes par 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 présentant un risque potentiel d’électrisation1.

En revanche, la fusée Atlas-Centaur 67 (AC 67) de 1987, contenant le satellite Fleetsatcom, a subi un impact induit par le passage de la fusée à travers un nuage électrifié. Ce coup de foudre a provoqué la défaillance du système de guidage de l’engin. À la suite d’une rotation non planifiée, des tensions ont été générées et la fusée a commencé à se briser et a reçu l’ordre de s’autodétruire. Des débris récupérés dans l’océan Atlantique ont confirmé qu’un impact de foudre s’était produit¹.

Cependant, il a été déterminé que, même si les LLCC en place en 1987 étaient défectueux, la principale responsabilité de la catastrophe était l’évaluation qui, si elle avait été rigoureusement exécutée, aurait empêché le décollage de l’AC 675.

La norme NASA-STD-4010 fournit des exigences techniques et d’ingénierie uniformes pour les procédures, les pratiques et les méthodes des programmes et des 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 en vigueur en août 2014, et ne comprend donc pas les modifications ultérieures qui pourraient être apportées à la norme de 2017.

L’exigence que tous les critères soient respectés pendant le lancement est essentielle pour que les LLCC offrent une réelle sécurité. En effet, la plupart des règles individuelles sont conçues pour ne couvrir qu’un certain type de menace et en partant du principe que toutes les autres LLCC sont respectées. L’évaluation doit donc être simultanée pour éviter tout risque connu⁵.

La plupart des LLCC se réfèrent aux coups de foudre induits par la fusée lorsqu’elle pénètre rapidement dans une région où le champ électrique ambiant est élevé ou par l’éventuel effet d’électrification du nuage de fumée qui peut provoquer une augmentation et une redistribution de la charge électrique des nuages existants.

L’effet du passage de la fusée à travers un nuage chargé électriquement présente certaines similitudes avec le fonctionnement d’un paratonnerre où le champ électrique à son extrémité est intensifié du fait que la compression du champ électrique autour de l’engin peut provoquer cette intensification du champ électrique jusqu’à deux ordres de grandeur. Ainsi, les champs électriques requis pour provoquer des décharges de foudre dans ces circonstances peuvent être cent fois plus petits que ceux nécessaires au déclenchement de coups de foudre naturels2. Comme les décharges induites peuvent avoir lieu dans des nuages dans lesquels aucun éclair naturel n’est généré, la prédiction devient plus compliquée⁵.

Cela étant, le premier des LLCC se réfère aux coups de foudre naturels, car ils constituent le meilleur indicateur indirect de la présence de champs électriques élevés susceptibles de faire que l’engin puisse provoquer des décharges⁵.

Le critère suivant est basé sur la mesure des champs électriques à la surface de la terre car, de fait, ce paramètre physique est directement lié à la charge électrique du nuage. Par conséquent, il influence le processus de génération de coups de foudre qu’ils soient naturels ou induits. Ce critère a été incorporé après l’accident de l’AC 67 afin d’ajouter une mesure de protection supplémentaire aux LLCC concernant les types de nuages⁵. Pour cette raison, le KSC dispose entre autres d’un réseau de moulins à champ qui, correctement calibrés, mesurent le champ électrique à la surface de la Terre. La norme NASA-STD-4010 fournit elle-même des directives pour l’utilisation des relevés des capteurs3. Ce réseau de moulins à champ à la surface de la Terre est considéré comme extrêmement important pour la sécurité lors du lancement⁵.

De fait, bien que la LLCC relative au champ électrique ambiant ne figurait pas au moment de l’accident de l’AC 67, si les relevés des moulins à champ en fonctionnement avaient été pris en compte, le décollage n’aurait pas été autorisé^4,5.

Après la règle du champ électrique, les LLCC incluent plusieurs critères spécifiques sur les types de nuages, dont le dernier concerne la triboélectricité (charge électrique causée par la friction) générée sur ou à l’intérieur de l’engin⁵.

ATSTORM®, système intelligent d’alerte précoce en cas d’orage électrique

Les moulins à champ sont des dispositifs qui mesurent le champ électrostatique à l’aide d’un obturateur rotatif sur une plaque réceptrice. Ces dispositifs présentent généralement des problèmes d’obstruction, d’usure et de panne, car le moteur électrique rotatif doit fonctionner en mode continu^6-8. Aplicaciones Tecnológicas S.A., a développé le système de détection d’orages ATSTORM® dont le Senseur Électrométrique de Champ Contrôlé (SECC®)⁹ est entièrement électronique et ne comporte aucune pièce mobile. On évite ainsi permet d’éviter les limitations des moulins à champ.

ATSTORM® intègre un autre capteur basé sur le champ électromagnétique. Ainsi, la zone de monitoring est étendue à un rayon allant jusqu’à 40 kilomètres et il permet de définir un état de pré-alerte pour les orages actifs distants qui s’approchent.

Le système ATSTORM® est également une solution intelligente grâce à la technologie IoT, et se base sur l’évaluation des conditions de la zone à protéger et de multiples données qui soutiennent les algorithmes experts. ATSTORM® détermine de manière objective le risque réel local, ce qui permet de prévenir les risques professionnels et d’optimiser les temps d’arrêt en raison d’éventuels orages. Cela est particulièrement important car, selon les données de 2006, l’annulation d’un lancement peut coûter de 150 000 à 1 million de dollars².

Le système ATSTORM® collecte les informations en temps réel des unités de détection et les transfère au serveur sécurisé AT-CLOUD. Grâce à des algorithmes spécialisés, le risque d’orage sur le site est estimé. Il est ainsi possible de reconnaître les conditions qui nécessitent l’émission d’une alerte. Nos algorithmes continuellement en apprentissage s’appuient sur plus de 15 ans d’expérience accumulée.

Pour plus d’informations sur le système ATSTORM® et sur la manière dont sa technologie unique fait de lui le système le plus avancé du marché, devançant tout autre capteur électrostatique ou basé sur un champ électromagnétique, veuillez contacter nos experts en cliquant sur le lien suivant.

Références

1. Cooray, V. Lightning Protection. (The Institution of Engineering and Technology, 2010).
2. Roeder, W. & McNamara, T. A survey of the Lightning Launch Commit Criteria. in 2nd Conference on Meteorological Applications of Lightning Data 18 (2006).
3. National Aeronautics and Space Administration (NASA). NASA Standard for Lightning Launch Commit Criteria for Space Flight. https://standards.nasa.gov/standard/NASA/NASA-STD-4010 (2017).
4. Merceret, F. J. et al. A History of the Lightning Launch Commit Criteria and the Lightning Advisory Panel for America’s Space Program. 250 https://ntrs.nasa.gov/citations/20110000675 (2010).
5. Willett, J. C. et al. Rationales for the Lightning Launch Commit Criteria. 283 (2016).
6. Aranguren, D. Desempeño de Sensores de Campo Eléctrostático en Sistemas de Alerta de Tormentas. (2011).
7. Torralba, C. et al. Storm detection by static electric field measurements without mobile elements. in 1st International Lightning Protection Symposium (2011).
8. Zhengyu, L. Application of preventive protection in an Oil Basement in China. in International Lightning Protection Symposium (2014).
9. Ruiz, D. et al. A new concept in lightning parameters measurement. J. Electrost. 67, 496–500 (2009).