La conception d'un vol (trajectoire, suivi, etc.)

Quand une mission planétaire ou un satellite terrestre sont lancés, tout un travail préparatoire a eu lieu en termes de trajectoire, suivi et prévisions météorologiques

Le calcul de -ou des- orbites d'un satellite ou d'une mission planétaire sont cruciaux pour les missions spatiales. Les orbites sont calculées par des spécialistes de la dynamique de vol qui travaillent dans le cadre de ce qu'on appelle, en anglais, le "Flight Design" ("conception des vols"). Ils calculent également la fenêtre de tir, les manoeuvres nécessaires, ils déterminent le poids du vaisseau fonction du lanceur utilisé, la quantité de carburant à embarquer ou les stations de suivi au sol qui seront utilisées. Le terme "fenêtre de lancement" désigne la longueur totale de temps, qui peut varier d'une seconde à plusieures heures, au cours de laquelle un lancement est possible. L'"heure de lancement préférentielle" ("preferred launch time" en anglais) est l'heure idéale de lancement. La détermination de ces deux éléments est, aux Etats-Unis, de l'ingénieur-en-chef pour la construction d'un vol ("lead flight design engineer") du "Launch Services Program", ou LSP, de la NASA, qui se trouve au Kennedy Space Center. Il fournit également la trajectoire de départ. Une fois la fusée de lancement choisie pour une mission donnée, a lieu le travail de construction de la meilleure fenêtre de lancement et de la meilleure trajectoire. La fenêtre de lancement permet d'intégrer des délais de petite taille tout en donnant les meilleures chances de décollage pour un jour donné. Un lancement qui a lieu à une heure autre que l'heure de lancement préférentielle peut cependant réduire la performance du lanceur et donc potentiellement limiter la charge utile: cela tient au carburant; le plus une mission dispose de carburant au moment du lancement, le plus des manoeuvres et des ajustements de trajectoire peuvent être effectués. La trajectoire de départ d'une mission dépend de la destination de celle-ci, ainsi une mission des sciences de la Terre devra atteindre l'orbite basse ou une mission planétaire devra être placée sur une trajectoire de façon à correctement viser la Lune ou sa planète de destination (laquelle est en mouvement, au loin). La définition d'une trajectoire dépend essentiellement de la distance de la cible et de la vitesse à laquelle elle se déplace. Les considérations tenant à la météo interviennent ainsi que d'éventuels problèmes techniques. L'équipe de lancement doit aussi prendre en compte avec la question des débris spatiaux, dite, en anglais "collision avoidance" ou "COLA". Ces éléments sont du ressort de la 45th Space Wing de l'U.S. Air Force, qui contrôle le "Eastern range" à Cap Canaveral et de la 30th Space Wing pour le "Western range", à la Vandenberg Air Force Base en Californie. Les deux zones déterminent les risques de collision avec un satellite ou un débris spatial lors de sa trajectoire de départ et, ainsi, suppriment des parties de la fenêtre de lancement qui peuvent présenter trop de risques. Au cours de l'élaboration de la trajectoire, l'équipe de la construction des vols se base sur une certaine température pour ce qui est du carburant, laquelle peut s'avérer légèrement différente, par exemple, le jour du lancement; cela, alors, affecte la quantité de carburant et la trajectoire. Déterminer une fenêtre de lancement et une trajectoire initiale se complique, de plus, de fait de la rotation de la Terre sur elle-même et de son mouvement autour du Soleil, qui font du pas de tir une plate-forme en mouvement, sans compter qu'avec une vitesse de lancement d'entre 7 à 8 km/s (4,3-4,9 miles/s), une simple demi-seconde d'écart peut produire une différence de taille. Le jour du lancement, l'ingénieur-en-chef du LSP et d'autres membres de celui-ci sont présents et ils continuent d'affiner la trajectoire sur la base de données en temps réel collectées, par exemple, par des ballons-sondes météorologiques

une antenne de station de suivi au sol au Kennedy Space Center. NASA

Les équipes chargées des trajectoires commencent de travailler près d'un an avant un lancement et n'interrompent le suivi que des semaines plus tard. Une équipe analyse la programmation qui doit être entrée dans l'ordinateur de bord qui contrôle les instruments de vol de la fusée de lancement; de la sorte, on est sûr que le lancement suivra la trajectoire prévue. Cela signifie plus que simplement dire au lanceur de partir du site de lancement pour atteindre l'orbite et d'y arrêter ses moteurs. Les programmeurs doivent préciser quelle puissance les moteurs devront utiliser à tel ou tel point de la montée vers l'orbite, quand la fusée devra pointer son nez vers l'horizon et non plus à la verticale, quand mettre à feu les boulons de sécurité qui séparent les étages ou larguer la coiffe qui protège le satellite pendant les débuts du lancement. Définir un profil de lancement pour un satellite qui est lancé en orbite terrestre est déjà difficile mais définir celui d'une mission pour la Lune ou une mission interplanétaire l'est encore plus: on doit compenser pour la rotation de la Terre de sorte que la trajectoire résulte bien en une mise à feu correcte à destination de la cible visée et donc que celle-ci sera bien atteinte. Les paramètres varient au moins quotidiennement voire minute par minute. Pendant le lancement, une fusée, d'une façon générale, va suivre la trajectoire prévue et elle va transmettre un flot quasi constant de données, lequel est appelé "télémétrie": ces données renseignent sur ce que fait le véhicule, s'il est dans de bonnes conditions, sur les conditions à bord et s'il suit bien la trajectoire. Les nombres qui arrivent du lanceur au sol en disent beaucoup en termes de puissance, de vitesse et d'altitude mais ils comportent aussi tout un ensemble d'autres données. Il s'agit souvent, d'ailleurs, de simple signaux "oui" ou "non" qui permettent de savoir, par exemple, si des boulons de maintien se sont déclenchés comme prévu ou de données sur les vibrations et les températures à bord. On recueille ces données de télémétrie par des stations de suivi au sol, lesquelles sont réparties tout autour du monde. Ces antennes, placées à des endroits stratégiques, doivent être choisies dès un an avant le lancement. Ces antennes vont des puissants réseaux fixes qui se trouvent au site de lancement ou autour de celui-ci, ainsi ceux de la Cape Canaveral Air Force Station, en Floride, aux installations qui se trouvent sur des bases dans les Caraïbes, l'océan Atlantique sud, en Afrique ou en Australie. D'autres possibilités existent encore ailleurs, ainsi des bases aux îles Hawaï, en Californie, au Nouveau-Mexique, en Europe voire en Antarctique. Pour les régions qui se trouvent entre les stations au sol, la NASA peut faire appel à des antennes mobiles embarquées à bord d'avion ou de navires voire à des antennes portables qui peuvent être mises en station, par peu de personnel, sur une montagne ou une côte qui se trouvent sous la trajectoire de vol (ces systèmes tiennent dans quelques containers de la taille d'une valise). L'équipe responsable de la trajectoire doit aussi s'assurer que, tant qu'un moteur est en fonctionnement, la fusée est suivie et relaie ses données. Il faut également que des antennes soient positionnées de telle sorte qu'elles puissent capter le moment où le satellite se sépare du lanceur et commence sa mission. Quelles antennes on utilisera peut changer jusqu'au jour même du lancement. Le système de la NASA, dit "Tracking and Data Relay Satellite System" ("système satellite de suivi et de relai données", ou "TDRSS") est également utilisé pour quelques vols; il peut relayer, depuis ses satellites en orbite, la télémétrie des lanceurs, dont celle des Atlas V, Delta II et Delta IV de la United Launch Alliance. Les autres lanceurs, la plupart du temps, utilisent essentiellement les stations au sol

Pour ce qui est des prévisions météorologiques pour un lancement, les météorologues de la NASA font partie du 45th Weather Squadron de l'U.S. Air Force, l'unité qui s'occupe des prévisions pour les tirs ayant lieu depuis le Eastern Range du Kennedy Space Center. Ils confrontent diverses prévisions concernant le jour du lancement. L'équipe des météorologues surveille les conditions météo du sol jusqu'à quelques milliers de pieds en altitude, région que la fusée de lancement parcourera au plus en une minute ou deux. Les conditions météo ne dictent pas seulement les activités du lancement proprement dit mais aussi celles qui se déroulent en relation avec le pas de tir: par exemple, des vents forts peuvent empêcher de hisser un satellite sur sa fusée ou des orages peuvent venir interrompre toute activité. Les prévisionistes de la NASA tiennent une statistique de la justesse de leurs prévisions aux fins d'améliorer leur travail. Ils travaillent sur la base d'un ensemble de règles sur lesquelles tout le monde doit s'être accordé pour que le lancement puisse avoir lieu. Chacune de ces règles concerne un élément spécifique de la météo. Les officiers responsables de la météo, ainsi, ne prennent pas leurs décisions sur la base de jugements subjectifs. Beaucoup de technologie intervient dans le processus de prévision de façon à ce que l'on connaisse tout des nuages, de la pluie, du degré d'hygrométrie et jusqu'aux vents en altitude: ballons-sondes, radar Doppler et modèles informatiques sophistiqués. Un critère, les vents en altitude, n'est pas de la compétence des météorologues; les données des ballons-sondes et des autres instruments pertinents sont directement transmis aux responsables chargés du lancement, lesquels disposent de programmes spécifiques qui peuvent rapidement simuler le lancement d'une fusée données dans telles ou telles conditions météo. Parfois, cependant, les prévisionistes peuvent vouloir se faire une idée directement et ils montent, par exemple, sur le toit de leur centre d'opérations, le "Morrell Operations Center" de la "Cape Canaveral Air Force Station", d'où l'on voit toute l'étendue de la base et le ciel. Ils peuvent aussi, même quand toutes les autres règles météo sont respectées, mettre en oeuvre une règle dite "règle du bon sens". Le responsable météo peut ainsi -mais rarement toutefois- invoquer cette règle pour retarder un lancement. Pour ce qui est des ballons météorologiques en détail, ils servent à surveiller les vents dans l'atmosphère: le "cisaillement de vent" -le changement des vents d'un point à l'autre en altitude- est spécialement important aux hautes altitudes en termes de la trajectoire de la fusée de lancement. Au fur et à mesure que le moment du lancement approche, on lâche des ballons toutes les 20 minutes pour s'assurer que les conditions sont satisfaisantes. Les ballons à basse résolution, ou "ballons synoptiques", d'une facçon générale, sont utilisés partout dans le monde pour les prévisions météo (souvent deux fois par jour) et ils grossissent en taille au fur et à mesure qu'ils s'élèvent du fait que la pression varie avec l'altitude. Les ballons à haute résolution sont en plastique et ils possèdent des pointes sur le côté pour les stabiliser (pour les empêcher de s'accroître en taille, ils possède également une valve d'échappement); leur stabilité est encore accrue par des cordes de suspension plus courtes. Une fois le ballon rempli d'hélium, on attache la radio-sonde (et un parachute qui freinera celle-ci lors de son retour au sol une fois le ballon explosé). Un transpondeur, sur la sonde, renvoie les informations jusqu'à une antenne, laquelle renvoie vers un système informatique. Les données météo sont aussi d'importance lorsqu'on est obligé d'interrompre l'ascension d'une fusée de lancement pour cause de défaillance: en faisant exploser celle-ci, il faut veiller que les morceaux et déchets dangereux retombent en des lieux où ils sont sans danger pour les populations

Quand un lancement se passe mal, comme la mauvaise séparation du vaisseau, par exemple, les analystes de problème entrent en jeu pour effectuer des tests et emp≖cher une réitération du problème. Le Kennedy Space Center de la NASA, ainsi, abrite un laboratoire d'analyse des pannes qui remonte aux années 1960 quand les pannes n'étaient pas rares et les enjeux plus grands (puisque une panne au lancement pouvait bloquer toute une flotte de fusées de lancement pendant des années). Les analyses visent une gamme étendue de problèmes. Les problèmes peuvent encore avoir lieu pendant un lancement de nos jours car les ingénieurs ne peuvent pas tester tous les composants d'un vaisseau et d'une fusée