La mission d’Integral, le laboratoire international d’astrophysique des rayons gamma de l’ESA, est de recueillir le rayonnement le plus énergétique provenant de l’espace. Crédit : ESA. Illustration de D. Ducros
Il y a environ un an, une panne du vaisseau spatial Integral a signifié qu’il a probablement tiré ses propulseurs pour la dernière fois. Dans les jours qui ont suivi, le vaisseau spatial en orbite terrestre a continué à faire la lumière sur l’univers violent des rayons gamma, et il devrait bientôt fonctionner encore plus efficacement qu’auparavant, alors que les équipes de contrôle de mission mettent en œuvre une nouvelle façon ingénieuse de contrôler les 18 ans. ancien vaisseau spatial.
Mission Control, nous avons un problème
À l’été 2020, alors que l’équipe de contrôle de vol intégral en Allemagne s’habituait à un environnement de travail très différent – apprenant à piloter sa mission depuis chez elle tout en faisant face à l’incertitude créée par la pandémie de Covid-19 – le vaisseau spatial a décidé de jeter une autre clé dans le travaux.
Un jour, Integral est passé en “mode sans échec” – lorsque les instruments sont éteints et qu’un vaisseau spatial n’exécute que ses fonctions les plus élémentaires, tout en faisant face au soleil pour s’assurer qu’il reçoit toute la puissance – alertant son équipe de contrôle d’un problème. Sous le contrôle du mode sans échec, Integral a semblé entrer dans une éclipse, une période d’obscurité normale alors que la Terre se place entre le vaisseau spatial et le Soleil. Cependant, aucune éclipse n’était programmée.
« Le satellite s’était soudainement éloigné du Soleil, ce qui était un événement très inattendu et étrange. Nous n’avions jamais rien vu de tel auparavant », explique Richard Southworth, directeur des opérations de la mission.
« Il est vite devenu évident que nous avions un problème majeur. Il y avait un problème général avec le système de propulsion d’Integral. Comme nous ne pouvions plus faire confiance à ses propulseurs, nous avons dû quitter rapidement le mode sans échec, prendre le contrôle du vaisseau spatial à l’aide de ses roues de réaction, puis déterminer quoi faire.
Pourquoi les propulseurs sont importants pour une mission sensible
Comme Integral est déjà en orbite, pourquoi avons-nous encore besoin de ses propulseurs ? Pour se débarrasser de l’excès de « moment angulaire ».
L’intégrale pointe souvent vers une source unique, par exemple une source distante trou noir, pendant plusieurs heures. Pendant ce temps, il est soumis à des forces externes qui le font tourner, en particulier la pression de rayonnement du Soleil agissant sur les énormes panneaux solaires de 18 mètres du vaisseau spatial.
Un trou noir « crachant ». Vue d’artiste d’un disque d’accrétion de trou noir. Les données de l’observatoire à haute énergie Integral de l’ESA ont aidé à faire la lumière sur le fonctionnement d’un mystérieux trou noir découvert en train de cracher des « balles » de plasma tout en tournant dans l’espace. Crédit : ICRAR
Pour contrer cette force solaire et maintenir le vaisseau spatial pointé sur sa cible, l’équipe utilise des « roues de réaction » – des roues qui stockent de l’énergie lorsqu’elles tournent et peuvent être utilisées pour contrôler subtilement la direction dans laquelle pointe un vaisseau spatial sans avoir besoin de propulseurs. Ces roues “absorbent” l’énergie supplémentaire du Soleil, gardant Integral en position et garantissant qu’il reste l’observatoire aux rayons gamma le plus sensible jamais piloté.
En quelques jours, l’excès d’énergie s’accumule dans les roues de réaction sous la forme de « moment angulaire » – l’équivalent en rotation d’une force allant en ligne droite, par exemple l’énergie stockée lorsque vous tournez dans une chaise pivotante.
Tous les deux à trois jours, les roues de réaction atteignent une vitesse maximale à laquelle elles ne peuvent plus absorber d’élan. L’équipe de contrôle effectue ensuite un « vidage du moment », en se débarrassant de l’excès de moment angulaire en décélérant les volants d’inertie. Afin d’empêcher le satellite de tourner dans le sens opposé lorsque les roues ralentissent, les propulseurs d’Integral sont (normalement) déclenchés, l’empêchant de partir en vrille.
Directeur des opérations du vaisseau spatial intégral (SOM) Richard Southworth. Crédit : ESA/J. Mai
Inventer le « Z-flip »
Après des jours à s’inquiéter du sort de la mission, deux membres de l’équipe ont eu une idée.
« Au début, je ne croyais pas que c’était possible. Nous avons vérifié avec nos collègues de la dynamique de vol et la théorie a indiqué que cela fonctionnerait. Après avoir fait une simulation, nous l’avons testé sur le vaisseau spatial. Cela a fonctionné », dit Richard avec soulagement.
En utilisant une séquence de manœuvres spécialement conçue, l’équipe de contrôle s’est rendu compte qu’elle pouvait redistribuer le moment angulaire stocké à bord du satellite à l’aide de deux roues de réaction différentes tournant dans des directions opposées, provoquant le renversement du vaisseau spatial.
“Donc, à ce stade, nous savions que nous pouvions contrôler l’accumulation d’énergie absorbée par le Soleil et avons baptisé cette nouvelle manœuvre le” z-flip “. Autant que je sache, cela n’a jamais été fait auparavant. C’était une grande réussite, mais pourrions-nous continuer à faire de la science ? »
Après de longues et intensives discussions avec des collègues du Centre des opérations scientifiques de l’ESAC à Madrid, l’équipe de planificateurs de missions scientifiques a proposé à Integral une séquence d’objets à observer qui correspondrait à sa nouvelle amplitude de mouvement. La mission était heureusement revenue à des opérations scientifiques (un peu plus limitées).
La mission d’Integral, le laboratoire international d’astrophysique des rayons gamma de l’ESA, est de détecter et de collecter le rayonnement le plus énergétique provenant de l’espace. Le vaisseau spatial a été lancé en octobre 2002 et aide à résoudre certains des plus grands mystères de l’astronomie. Crédit : ESA/D. Ducros
Peu à peu, les deux équipes ont expérimenté des séquences d’observations de plus en plus délicates, en essayant différentes combinaisons de roues qui tournent et en faisant pivoter le vaisseau spatial sous différents angles nouveaux. Grâce à un travail d’équipe dédié entre l’équipe de contrôle et l’équipe des opérations scientifiques et bien d’autres, l’efficacité scientifique d’Integral a été restaurée en septembre 2020.
L’une des missions les plus anciennes et les plus volumineuses de l’ESA devient plus agile
Pour la plupart des observatoires spatiaux, les programmes d’observation sont planifiés longtemps à l’avance. Cependant, de temps en temps, quelque chose d’inattendu se produit dans le ciel, comme une explosion de supernovae ou ondes gravitationnelles, et ils doivent réagir rapidement pour voir ce qui s’est passé. Cela est particulièrement vrai pour Integral, car les événements de rayons gamma ont tendance à être de courte durée.
Vue d’artiste des mécanismes d’un système binaire en interaction. L’étoile compagnon supermassive (sur le côté droit) éjecte beaucoup de gaz sous forme de « vent stellaire ». Le trou noir compact est en orbite autour de l’étoile et, en raison de sa forte attraction gravitationnelle, recueille une grande partie du gaz. Une partie est canalisée et accélérée dans un disque chaud. Cela libère une grande quantité d’énergie dans toutes les bandes spectrales, des rayons gamma au visible et à l’infrarouge. Cependant, le gaz restant entourant le trou noir forme un nuage épais qui bloque la majeure partie du rayonnement. Seuls les rayons gamma très énergétiques peuvent s’échapper et être détectés par Integral. Crédit : ESA
« Dans le passé, lorsque nous avions un système de propulsion, nous replanifiions, calculions une nouvelle manœuvre pour le nouvel objet d’intérêt, déchargeions l’élan, puis préparions notre nouvelle séquence de manœuvres. Notre technique z-flip est malheureusement beaucoup plus lente », explique Richard.
Cependant, l’équipe de contrôle a développé une mise à jour du logiciel embarqué d’Integral qui devrait rendre le moment angulaire moins problématique lors du pointage – de l’orientation – du vaisseau spatial.
« Nous sommes très heureux que grâce à cette stratégie géniale de ‘z-flip’, Integral puisse continuer à surveiller le ciel à haute énergie sans problème», déclare Erik Kuulkers, scientifique du projet Integral.
“Et nous attendons maintenant avec impatience les découvertes permises par le nouveau mode de rotation, ce qui signifie que ce vaisseau spatial de 18 ans devrait devenir encore plus rapide pour répondre et observer des événements énergétiques soudains à travers l’Univers que lorsqu’il a été lancé il y a près de deux décennies.”
