Renseignements de base sur l'espace
Le Canada a accompli des réalisations remarquables dans le domaine de la technologie spatiale. Vous trouverez ci-dessous quelques sujets à explorer sur l'espace. Vous pouvez aussi explorer d'autres sujets touchant à notre programme scolaire «Exploration de l'espace».
Fusées Black Brant (1959)
Les Black Brants sont des fusées-sondes scientifiques utilisées pour étudier les aurores polaires et la haute atmosphère. Ils retombent sur la terre. La première fusée Black Brant a été lancée à Churchill en 1959 et a transporté des instruments pesant 100 kg à une altitude de 99 km.
La plupart des fusées-sondes lancées du Canada l'ont été au large de Churchill au Manitoba. Aujourd'hui, les Black Brants ne sont plus lancées au Canada, mais elles le sont dans d'autres pays.
La charge utile est la cargaison que la fusée transporte dans l'espace (instruments scientifiques, satellites, personnes) et qui caractérise son utilisation dans l'espace.
Comme il y a peu d'oxygène dans la haute atmosphère, la fusée doit transporter son propergol, du carburant et de l'oxygène liquide. Le propergol constitue une bonne partie du poids de la fusée.
Dans les fusées à propergol liquide, le carburant et l'oxygène liquide sont pompés dans la chambre de combustion du moteur. Ce mélange porte le nom de propergol. Lorsque le propergol brûle, les gaz de combustion s'échappent par la tuyère située à l'arrière de la fusée, propulsant la fusée en avant (troisième Loi de Newton).
Les Black Brants ont des moteurs à propergol solide. Le propergol est une masse caoutchouteuse de carburant et d'oxygène liquide, qui brûle le long de l'axe de la fusée.
Le Black Brant tire son nom d'une petite oie noire de l'Arctique, très rapide, la bernache noire (Black Brant).
Orbites terrestres
Un satellite voyageant autour de la Terre sur une orbite circulaire tombe vers la terre, comme une balle qu'on lance. Si la Terre était plate, le satellite heurterait le sol. Mais étant donné la surface courbe de la Terre, le satellite est laissé en chute libre. Si le satellite se déplace à la bonne vitesse en fonction de son altitude au-dessus de la Terre, il ne heurte jamais le sol et on dit qu'il est «en orbite». Ce phénomène est comparable à celui d'une balle attachée à une corde que l'on balance au-dessus de la tête : si la vélocité est trop faible, la balle «quittera son orbite».
Plus l'orbite d'un satellite est près de la Terre, plus la gravité qui l'attire est grande. Le satellite doit se déplacer plus rapidement pour demeurer dans une orbite basse.
Toutes les orbites sont elliptiques puisqu'elles ont deux pôles d'attraction. Une orbite circulaire est particulière en ce sens qu'elle a deux pôles d'attraction au même point.
Le plan de l'orbite du satellite doit passer par le centre de gravité de la Terre.
La Lune est en orbite autour de la Terre à une altitude moyenne de 400 000 km.
Un satellite placé à une altitude de 36 000 km (en réalité 35,786 km) met 24 heures pour tourner autour de la Terre. Un satellite placé dans cette orbite, directement au-dessus de l'équateur et tournant dans le même sens que la Terre, demeure au même point au-dessus de la Terre. Il s'agit d'une orbite géostationnaire. La plupart des satellites de télécommunications sont placés dans ce type d'orbite.
Un satellite placé en orbite polaire passe au-dessus des pôles terrestres, alors que la Terre tourne en-dessous. Les satellites météorologiques et les satellites d'observation de la Terre sont placés dans des orbites de ce type. Il y a aussi des orbites basses qui permettent aux satellites de faire le tour de la Terre environ quatorze fois dans une journée, ce qui les laisse en vue à peu près au même moment du jour pour chaque passage. Après plusieurs jours, les satellites de télédétection ont couvert presque toute la planète. Les satellites militaires voyagent dans des orbites très basses.
La navette spatiale est placée sur orbite à environ 160 à 320 km d'altitude, et peut être inclinée à divers angles par rapport à l'équateur, selon l'angle de lancement. En 1984, le vol de la navette dans laquelle se trouvait Marc Garneau, premier astronaute canadien, était incliné à 57o de l'équateur, ce qui lui a permis de voir des régions du Canada que ne voient habituellement pas les équipages d'une navette. Les navettes voyagent habituellement dans une orbite plus équatoriale.
Certains satellites russes de télécommunications ont été placés en orbite elliptique en angle avec l'équateur. Ils pouvaient ainsi voyager lentement très haut au-dessus du nord de la Russie pendant une grande partie de leur orbite. Dès qu'un satellite disparaissait de l'horizon, un deuxième arrivait en vue pour continuer de relayer les communications.
Alouette - un satellite scientifique (1962)
Alouette, le premier satellite scientifique canadien a été lancé en 1962.
Son objectif est de sonder l'ionosphère (couche de la haute atmosphère caractérisée par la présence de particules de gaz chargées électriquement), au-dessus de la terre, alors que des instruments au sol mesurent cette couche atmosphérique du dessous. L'ionosphère, se comportant généralement comme un miroir des ondes radio, provoque parfois des interruptions dans les transmissions radio, particulièrement la radio AM.>
L'orbite d'Alouette était circulaire, située à 1000 km de la Terre, et son inclinaison était de 80o à l'équateur.
Il a été lancé par la NASA sur une fusée Thor-Agena. La fusée portait comme emblème les drapeaux croisés, signe de l'entreprise conjointe.
Il a été en fonction pendant 10 ans et a fait du Canada l'un des chefs de file de la recherche sur la haute atmosphère.
John Chapman était à la tête du programme Alouette. Il s'est fait connaître à titre d'architecte du premier Programme spatial canadien, pour ce projet et d'autres projets de pointe ultérieurs.
Technologie STEM
Le problème
Le satellite Alouette nécessite une large antenne. Comment les ingénieurs réussiraient-ils à amener une telle antenne dans l'espace? Le tout, satellite et antenne, devait pouvoir s'ajuster parfaitement à l'intérieur de la coiffe de la fusée.
La réponse
L'antenne STEM, inventée par l'ingénieur George Klein , du Conseil national de recherche, et modifiée pour le satellite Alouette.
Le mât escamotable STEM est une antenne constituée d'une bande métallique plate, d'environ 10 cm de large, enroulée sur une bobine. (Pensez au ruban à mesurer métallique, en forme de spirale, d'un menuisier. Cette bande est traitée à la chaleur et lorsqu'on la déroule, elle se détend en un long tube, qui est extrêmement solide. STEM est l'abréviation de Storable, Tubular, Extendible Member (mât escamotable tubulaire télescopique).
Les antennes STEM ont été utilisées dans bon nombre des premiers satellites et des capsules spatiales habitées.
Le satellite Alouette était muni de quatre dispositifs STEM, deux de 22,5 mètres et deux de 11 mètres de longueur. (Deux STEM formaient une antenne).
Les antennes STEM étaient fabriquées par Spar Aérospatiale Limitée, aujourd'hui un concepteur et un fabricant important de matériel spatial.
Les dispositifs STEM servent à la fois de mât ou d'antenne. C'est ce dispositif qui a servi à retirer les capteurs solaires du satellite Hermès.
Vous en verrez plusieurs exemples en visitant l'exposition Le Canada dans l'espace : destination Terre au Musée.
Comment fonctionnent les satellites de télécommunications?
Les satellites de télécommunications, comsat, relaient toutes sortes de messages à travers le monde, souvent entre des régions tellement éloignées qu'un lien régulier par câble serait très difficile, voire même impossible. Un comsat est en fait une station de relais qui reçoit des signaux de la Terre et les retransmet à son «empreinte» sur la Terre.
La plupart des satellites de télécommunications utilisent l'orbite géostationnaire, ce qui leur permet de rester au-dessus du même point sur la Terre. Ainsi ils permettent de capter des transmissions en direct comme les Jeux olympiques. Ils relient les réseaux téléphoniques de divers pays directement et de façon économique. Une bonne partie des transactions financières sont effectuées à haute vitesse par l'intermédiaire des comsats, souvent sous forme de données numériques ou de photos de documents. Les comsats servent également à la transmission de matériel éducatif dans les régions éloignées.
Les explications qui suivent ont trait aux réseaux utilisant des satellites géostationnaires.
Transmission téléphonique :
La voix est convertie en signaux électriques analogiques qui parcourent des câbles jusqu'au central téléphonique, puis sont acheminés vers une station terrestre par câble ou par liaison hertzienne. La station terrestre convertit les signaux en données numériques et les transmet à un comsat. Ce dernier envoie ensuite les signaux à une station terrestre réceptrice. Les signaux voyagent par câbles jusqu'au central qui les achemine au téléphone. Tout au long de ce parcours, le signal aura été amplifié et traité plusieurs fois.
Satellites de communication directe :
De petites antennes paraboliques situées sur le toit d'un immeuble ou dans une arrière-cour peuvent recevoir des signaux directement du comsat si elles se trouvent dans l'«empreinte» d'un satellite et si elles sont réglées pour les recevoir. C'est ce qu'on appelle la radiodiffusion directe par satellite, c'est-à-dire que les signaux de télévision peuvent être transmis à peu de frais sur une grande superficie sans qu'un grand nombre de stations terrestres soit requis. Ces antennes doivent être dirigées directement vers le satellite (35 800 km) au-dessus de l'équateur.
Satellite de télécommunications Anik A (1972)
En 1967, John Chapman, l'architecte du Programme spatial canadien, présentait au gouvernement un rapport qui allait changer l'orientation des recherches du satellite scientifique au satellite de télécommunications. Les scientifiques s'étaient rendus compte que les interruptions dans les transmissions radio, produites par l'ionosphère, étaient tellement fortes que seuls des satellites utilisant des hautes fréquences pourraient les éviter. Le rapport recommandait l'utilisation de satellites de télécommunications et de surveillance pour trouver une solution aux défis que présente une population éparse vivant sur un vaste territoire où le climat est des plus rigoureux.
Anik A, premier satellite de télécommunications canadien, a été lancé par la NASA sur une fusée Thor-Delta en 1972. Il avait été placé en orbite géostationnaire à environ 35 800 km au-dessus de l'équateur. De cet endroit, il pouvait transmettre des émissions de télévision dans une empreinte qui couvrait tout le Canada.
Il reliait effectivement les frontières du Canada comme l'avait fait le chemin de fer presque cent ans auparavant.
Les stations terrestres utilisées avec le satellite avaient de larges antennes, 8 mètres de diamètre. On devait se servir d'antennes réceptrices de cette taille pour pouvoir capter les signaux faibles provenant du satellite.
Le lancement de ce satellite faisait du Canada le premier pays à posséder son propre satellite géostationnaire pour les liaisons intérieures. Les derniers satellites de cette série, deux Anik E, ont été lancés en 1991.
Dans la langue inuit, Anik signifie «frère».
Hermès - un satellite de télécommunications (1978) expérimental
Hermès fut le premier satellite de grande puissance placé en orbite; c'était le prototype du satellite de communication directe servant à la transmission d'émissions de télévision dans les maisons.
Le satellite Hermès a ouvert la voie au développement des bandes de fréquence 14/12 GHz du spectre radio, bandes qui ne sont pas partagées par les réseaux terrestres et qui ne sont donc pas affectées par les interférences.
Étant donné la grande puissance d'émission de Hermès, des petites antennes paraboliques peu sophistiquées peuvent recevoir les signaux, éliminant ainsi la nécessité de recourir à de grandes stations terrestres dispendieuses.
Hermès a été réalisé conjointement par le ministère des Communications et la NASA. Chacun des pays utilise le satellite en alternance pour y mener des expériences.
Des expérimentateurs canadiens ont utilisé Hermès pour le télé-enseignement (des étudiants habitant des villages éloignés ont pu se mettre à l'écoute et répondre), la radiodiffusion autochtone (permettant à des collectivités de créer leurs propres émissions dans leur langage), les soins de santé à distance (utilisant le satellite pour amener des spécialistes au chevet de patients situés très loin) et les téléconférences (télévision bidirectionnelle).
Hermès est muni de larges capteurs solaires qui sont repliés comme un accordéon lors du lancement et qui se déploient en orbite.
Le ministère des Communications s'est vu remettre un prix Emmy pour son rôle d'avant-garde dans l'utilisation des hautes fréquences.
Dans la mythologie grecque, Hermès était le messager des dieux.
Anik E - satellite de télécommunications (1991)
Les satellites de la série Anik assurent les télécommunications pour le Canada. Les satellites actifs actuellement sont deux Anik, E1 et E2.
Ils dispensent des services de télécommunications à la fois sur la bande 6/4 GHz et sur la bande 14/12 GHz.
Ils ont été fabriqués par Spar Aérospatiale et lancés par la fusée Ariane de l'Agence spatiale européenne en 1991. On prévoit qu'ils dureront environ 10 ans. Ils sont les satellites de télécommunications les plus gros, les plus lourds et les plus puissants au monde.
Anik E2 a causé certains problèmes aux ingénieurs lorsque, en avril 1991, l'antenne sur bande C refusa de s'ouvrir. La commande servant au déploiement de l'antenne a déclenché des charges d'explosif propulsant des broches pour briser les cables qui encerclaient le satellite. L'équipement se libéra alors au complet. L'assemblage est censé s'ouvrir comme une fleur une fois que les courroies sont coupées. Les ingénieurs avaient d'abord essayé de secouer l'antenne pour tenter de la libérer, mais sans succès. Après une série de manoeuvres assez risquées, l'antenne s'est finalement déployée. Il semble que la couverture thermique recouvrant le satellite s'était déplacée et avait empêché l'ouverture de l'antenne. Le satellite n'avait pu être complètement testé dans l'enceinte à vide thermique du laboratoire David Florida avant le vol, puisqu'il était trop gros une fois ses antennes complètement déployées. Telesat, le propriétaire/exploitant du satellite a reçu deux prix pour ce sauvetage, dont l'un était le premier prix à être remis pour une récupération dans l'espace, de La Réunion Spatiale, un assureur international spécialisé dans le domaine des risques spatiaux.
Les deux Anik E présentement en fonction effectuent le travail des quatre satellites précédents, Anik C1 et C2 et Anik D1 et D2. En janvier 1994, les deux Anik E1 et E2 ont subi des pannes à la suite d'un orage solaire. Telesat a remis en service Anik E1 en quelques heures, mais Anik E2 a été réparé seulement en juin de cette année.
Laboratoire David Florida
Les satellites sont soumis à des conditions extrêmement difficiles. Ils subissent des vibrations intenses au moment du lancement. S'il survient un bris à ce moment, il ne peut être réparé lorsqu'il est orbite. Dans l'espace, ils sont exposés au vide et à des températures extrêmes. C'est pourquoi les satellites sont tous soumis à des vérifications exhaustives avant d'être mis en orbite.
Le laboratoire David Florida, situé près d'Ottawa, sert de centre d'essais pour la communauté spatiale canadienne et internationale depuis vingt ans. Ce centre est l'un des plus avancés au monde dans le domaine des essais aérospatiaux.
La chambre de vide thermique simule les températures et le vide de l'espace passant de la chaleur intense au froid extrême, pour s'assurer que le matériel spatial fonctionnera dans ces conditions.
Cette enceinte contient aussi une machine pivotante à vide thermique pour vérifier la performance du satellite alors qu'il tournoie dans l'espace.
L'appareil de tests des vibrations secoue les satellites pour s'assurer qu'ils peuvent supporter les vibrations et le choc du lancement.
Le test de fréquence radioélectrique est réalisé dans des salles anéchoïques (sans écho) qui reproduisent les conditions de l'espace. Le laboratoire procure aussi un environnement propre et contrôlé pour l'assemblage du satellite.
Le laboratoire porte le nom d'un des grands pionniers canadiens de l'espace. David Florida était le directeur de l'équipe qui a construit le satellite ISIS. l'origine, le laboratoire avait été construit pour permettre le développement du satellite de télécommunications Hermès. Il a également servi pour le satellite de télécommunications Anik, le bras télémanipulateur canadien (Canadarm), Brasilsat (satellite de télécommunications Olympe de l'ASE, RADARSAT, MSAT (programme sur satellite mobile) et il servira également à la vérification du système d'entretien mobile, qui constitue la contribution canadienne au programme de station spatiale internationale.
Canadarm - bras spatial canadien
Ce système de télémanipulation a été conçu et construit au Canada par Spar Aérospatiale, pour la navette spatiale américaine.
Il s'agit d'un bras robotique qui permet aux astronautes de libérer ou de récupérer des satellites dans l'espace. Il permet aussi aux astronautes de travailler à distance dans la soute, depuis la sécurité du poste de pilotage. Il a parfois servi de plate-forme pour permettre aux astronautes d'effectuer des réparations à des satellites à l'extérieur de la soute, et même enlever de la glace logée dans une prise d'air.
Le bras est actionné par deux commandes manuelles situées dans le poste de pilotage. Des caméras vidéo situées au «coude» et au «poignet» assistent l'opérateur dans ses tâches.
Le Canada a financé la conception et la production du premier bras (100 millions de dollars) et la NASA en a acheté trois autres (25 millions de dollars chacun) pour sa flotte de navettes, plus un en remplacement du bras de Challenger, perdu lors de la catastrophe de 1986.
La charge utile maximale d'un bras correspond à environ le poids et la taille d'un autobus scolaire rempli, mais au sol, il ne peut même pas supporter son propre poids.
On s'attend à ce que chacun de ces bras puisse effectuer 100 missions.
Des ingénieurs canadiens sont à mettre au point et à construire de nouvelles versions du bras pour la station spatiale internationale(anglais). Ils constitueront l'élément clé de l'assemblage des modules au moment d'arriver dans l'espace. Ce nouveau dispositif porte le nom de système d'entretien mobile.
Si l'on veut faire une analogie, on peut dire que le bras canadien a des os en fibre de graphite, des nerfs en forme de câble et des moteurs à la place des muscles.
A la place de la main, le bras canadien est muni d'un effecteur composé de trois noeuds coulants qui enferment la poignée de préhension sur le satellite.
RADARSAT - satellite de télédétection de la Terre (1996)
RADARSAT, le plus récent satellite canadien a été lancé en novembre 1995. Au moyen d'un faisceau de micro-ondes, qui réfléchit les ondes du sol vers le satellite, il est capable de voir à travers les nuages et dans le noir. Il s'agit d'une technologie très utile dans le nord-ouest canadien qui est souvent dans la noirceur et couvert de nuages.
Le radar à ouverture synthétique (SAR), coeur de RADARSAT, produit un grand nombre d'images radar de la Terre. Les signaux radar envoyés dans un angle oblique rebondissent lorsqu'ils frappent des surfaces lisses et reproduisent l'eau en foncé.
Lorsqu'ils frappent des surfaces accidentées, les signaux radar reviennent vers le satellite et reproduisent les immeubles ou les surfaces accidentées en clair.
RADARSAT, en orbite polaire, fait 14 orbites en une journée, voyageant toujours le long de la ligne lever - coucher du soleil. Il balaye tout l'Arctique en 24 heures et la plus grande partie du Canada en 72 heures. Il effectue des relevés et dresse des cartes des ressources renouvelables pour l'industrie agricole et forestière, observant l'humidité du sol et l'état des cultures. Il surveille aussi le mouvement des navires et de leur parcours dans les glaces et mesure les vents marins et les vagues.
Un des principaux usages du RADARSAT est la surveillance de la formation des glaces au large des côtes canadiennes. Il peut faire la différence entre les glaces de l'année et celles qui se sont formées depuis plus longtemps, ce qui lui permet de faire des prévisions, et d'indiquer aux navires le meilleur parcours à suivre.
