C'est incroyable de penser qu'il y a des télescopes dans l'espace, en ce moment, qui dirigent leur regard vers des objets distants pendant des heures, des jours et même des semaines. Fournir un point de vue si stable et précis que nous pouvons apprendre des détails sur les galaxies, les exoplanètes et plus encore.
Et puis, lorsque le temps est écoulé, le vaisseau spatial peut déplacer son regard dans une autre direction. Le tout sans utiliser de carburant.
Tout cela grâce à la technologie des roues de réaction et des gyroscopes. Voyons comment ils fonctionnent, comment ils sont différents et comment leur échec a mis fin aux missions dans le passé.
Voici la réponse rapide. Les roues de réaction permettent aux vaisseaux spatiaux de changer leur orientation dans l'espace, tandis que les gyroscopes gardent un télescope incroyablement stable, afin qu'ils puissent pointer une cible avec une grande précision.
Si vous avez écouté suffisamment d'épisodes d'Astronomy Cast, vous savez que je me plains toujours des roues de réaction. Cela semble toujours être le point d'échec des missions, y mettre fin prématurément avant que la science ne soit arrivée.
J'ai probablement utilisé les termes roues de réaction et gyroscopes de manière interchangeable dans le passé, mais ils servent à des fins légèrement différentes.
Parlons d'abord des roues de réaction. Il s'agit d'un type de volant utilisé pour changer l'orientation d'un vaisseau spatial. Pensez à un télescope spatial qui doit passer d'une cible à l'autre, ou à un vaisseau spatial qui doit se retourner vers la Terre pour communiquer des données.
Ils sont également connus sous le nom de roues d'élan.
Il n'y a pas de résistance à l'air dans l'espace. Quand une roue tourne dans une direction, le télescope entier tourne dans la direction opposée, grâce à la troisième loi de Newton - vous savez, pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Avec des roues qui tournent dans les trois directions, vous pouvez tourner le télescope dans n'importe quelle direction.
Les roues sont fixées en place et tournent entre 1 000 et 4 000 tours par minute, créant une impulsion angulaire dans l'engin spatial. Afin de changer l'orientation de l'engin spatial, ils changent la vitesse à laquelle les roues tournent.
Cela crée un couple qui amène le vaisseau spatial à changer son orientation, ou sa précession, dans une direction choisie.
Cette technologie fonctionne uniquement avec l'électricité, ce qui signifie que vous n'avez pas besoin d'utiliser du propulseur pour changer l'orientation du télescope. Tant que vous avez suffisamment de rotors en rotation, vous pouvez continuer à changer de direction, en utilisant uniquement la puissance du soleil.
Les roues de réaction sont utilisées sur à peu près tous les vaisseaux spatiaux, des minuscules Cubesats au télescope spatial Hubble.
Avec trois roues, vous pouvez changer votre orientation à n'importe quel endroit en 3 dimensions. Mais le LightSail 2 de la Planetary Society ne dispose que d'une seule roue de mouvement pour déplacer l'orientation de sa voile solaire, de bord vers le soleil, puis de côté pour élever son orbite uniquement par la lumière du soleil.
Bien sûr, nous sommes plus familiers avec les roues de réaction en raison des temps où elles ont échoué, mettant les vaisseaux spatiaux hors service. Des missions comme FUSE et Hayabusa de JAXA.
La perte de roues de réaction de Kepler et la solution ingénieuse
Le plus célèbre est le télescope spatial Kepler de la NASA, lancé le 9 mars 2009 pour trouver des planètes en orbite autour d'autres étoiles. Kepler était équipé de 4 roues de réaction. Trois étaient nécessaires pour garder le télescope pointé avec soin vers une région du ciel, puis une pièce de rechange.
Il guettait toute étoile de son champ de vision changer de luminosité d'un facteur 1 sur 10 000, indiquant qu'une planète pourrait passer devant. Pour économiser la bande passante, Kepler n'a en fait transmis que des informations sur le changement de luminosité des étoiles elles-mêmes.
En juillet 2012, l'une des quatre roues de réaction de Kepler est tombée en panne. Il en avait encore trois, ce qui était le minimum nécessaire pour pouvoir être suffisamment stable pour continuer ses observations. Et puis, en mai 2013, la NASA a annoncé que Kepler avait une panne avec une autre de ses roues. Il en était donc de deux.
Cela a mis un terme aux principales opérations scientifiques de Kepler. Avec seulement deux roues en fonctionnement, il ne pouvait plus maintenir sa position avec suffisamment de précision pour suivre la luminosité des étoiles.
Bien que la mission ait pu être un échec, les ingénieurs ont trouvé une stratégie ingénieuse, utilisant la légère pression du Soleil pour agir comme une force sur un axe. En équilibrant parfaitement le vaisseau spatial dans la lumière du soleil, ils ont pu continuer à utiliser les deux autres roues de réaction pour continuer à faire des observations.
Mais Kepler a été contraint de regarder le petit endroit dans le ciel qui se trouvait aligné avec sa nouvelle orientation, et a déplacé sa mission scientifique vers la recherche de planètes en orbite autour d'étoiles naines rouges. Il a utilisé son propulseur embarqué pour retourner sur Terre afin de transmettre des données. Kepler a finalement manqué de carburant le 30 octobre 2018 et la NASA a terminé sa mission.
En même temps que Kepler se débattait avec ses roues de réaction, la mission Dawn de la NASA avait des problèmes avec les mêmes roues de réaction.
Roues de perte de réaction de Dawn
Dawn a été lancé le 27 septembre 2007 dans le but d'explorer les deux plus grands astéroïdes du système solaire: Vesta et Ceres. Le vaisseau spatial est entré en orbite autour de Vesta en juillet 2011 et a passé l'année suivante à étudier et cartographier le monde.
Il devait quitter Vesta et se diriger vers Ceres en août 2012, mais le départ a été retardé de plus d'un mois en raison de problèmes avec ses roues de réaction. À partir de 2010, les ingénieurs détectaient de plus en plus de friction dans l'une de ses roues, de sorte que le vaisseau spatial est passé aux trois roues fonctionnelles.
Et puis en 2012, la deuxième de ses roues a également commencé à gagner en friction, et l'engin spatial n'a plus que deux roues. Pas assez pour le maintenir pleinement orienté dans l'espace en utilisant uniquement l'électricité. Cela signifiait qu'il devait commencer à utiliser son propulseur d'hydrazine pour maintenir son orientation pendant le reste de sa mission.
Dawn est arrivée à Ceres, et grâce à une utilisation prudente du propulseur, elle a pu cartographier ce monde et ses caractéristiques de surface bizarres. Enfin, fin 2018, le vaisseau spatial était en panne de propulseur, et il n'était plus en mesure de maintenir son orientation, de cartographier Ceres ou de renvoyer ses signaux sur Terre.
Le vaisseau spatial continuera à orbiter autour de Cérès, tombant impuissant.
Il y a une longue liste de missions dont les roues de réaction ont échoué. Et maintenant, les scientifiques pensent qu'ils savent pourquoi. Un document publié en 2017 a déterminé que l'environnement de l'espace lui-même était à l'origine du problème. Lorsque les tempêtes géomagnétiques traversent le vaisseau spatial, elles génèrent des charges sur les roues de réaction qui provoquent une augmentation des frottements et les font s'user plus rapidement.
Je vais mettre un lien vers une superbe vidéo de Scott Manley qui va plus en détail.
Télescope spatial Hubble et ses gyroscopes
Le télescope spatial Hubble est équipé de roues de réaction pour changer son orientation générale, faisant tourner le télescope entier à la vitesse d'une aiguille des minutes sur une horloge - 90 degrés en 15 minutes.
Mais pour rester pointé sur une seule cible, il utilise une autre technologie: les gyroscopes.
Il y a 6 gyroscopes sur Hubble qui tournent à 19 200 tours par minute. Ils sont grands, massifs et tournent si vite que leur inertie résiste à tout changement d'orientation du télescope. Il fonctionne mieux avec trois - correspondant aux trois dimensions de l'espace - mais peut fonctionner avec deux, voire une, avec des résultats moins précis.
En août 2005, les gyroscopes de Hubble étaient usés et la NASA est passée en mode deux gyroscopes. En 2009, lors de la mission de maintenance 4, les astronautes de la NASA ont visité le télescope spatial et ont remplacé ses six gyroscopes.
C'est probablement la dernière fois que les astronautes visiteront Hubble, et son avenir dépend de la durée de vie de ces gyroscopes.
Et James Webb?
Je sais que la simple mention du télescope spatial James Webb rend tout le monde nerveux. Plus de 8 milliards de dollars investis à ce jour et devraient être lancés dans environ deux ans. Il volera vers le point Terre-Soleil L2 Lagrange, situé à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre.
Contrairement à Hubble, il n'y a aucun moyen de faire voler James Webb pour le réparer en cas de problème. Et vu la fréquence à laquelle les gyroscopes ont échoué, cela semble vraiment être un point faible dangereux. Et si les gyroscopes de James Webb échouaient? Comment pouvons-nous les remplacer.
James Webb a des roues de réaction à bord. Ils sont construits par Rockwell Collins Deutschland, et ils sont similaires aux roues de réactions à bord des missions Chandra, EOS Aqua et Aura de la NASA - donc une technologie différente des roues de réaction défaillantes de Dawn et Kepler. La mission Aura a fait peur en 2016 lorsque l'une de ses roues de réaction s'est effondrée, mais elle a été récupérée après dix jours.
James Webb n'utilise pas de gyroscopes mécaniques comme Hubble pour le garder sur la cible. Au lieu de cela, il utilise une technologie différente appelée gyroscopes à résonateur hémisphérique, ou HRG.
Ceux-ci utilisent un hémisphère de quartz qui a été façonné très précisément pour qu'il résonne de manière très prévisible. L'hémisphère est entouré d'électrodes qui stimulent la résonance, mais détectent également tout léger changement dans son orientation.
Je sais que ce genre de sons ressemble à du charabia, comme s'il était alimenté par des rêves de licorne, mais vous pouvez en faire l'expérience par vous-même.
Tenez un verre à vin, puis feuilletez-le avec votre doigt pour qu'il sonne. La sonnerie est le verre à vin fléchissant d'avant en arrière à sa fréquence de résonance. Lorsque vous faites pivoter la vitre, la flexion d'avant en arrière tourne également, mais elle est en retard sur l'orientation d'une manière très prévisible.
Lorsque ces oscillations se produisent des milliers de fois par seconde dans un cristal de quartz, il est possible de détecter de minuscules mouvements puis de les prendre en compte.
C’est ainsi que James Webb restera verrouillé sur ses cibles.
Cette technologie a volé sur la mission Cassini à Saturne et a parfaitement fonctionné. En fait, en juin 2011, la NASA avait signalé que ces instruments avaient connu 18 millions d'heures de fonctionnement continu dans l'espace sur plus de 125 vaisseaux spatiaux différents sans une seule panne. C'est en fait très fiable.
J'espère que cela clarifie les choses. Les roues de réaction ou d'élan sont utilisées pour réorienter les vaisseaux spatiaux dans l'espace, afin qu'ils puissent faire face dans différentes directions sans utiliser de propulseur.
Les gyroscopes sont utilisés pour maintenir un télescope spatial pointé avec précision vers une cible, afin de fournir les meilleures données scientifiques. Il peut s'agir de rouets mécaniques ou ils utilisent la résonance de cristaux vibrants pour détecter les changements d'inertie.
