LightSail 2 a déployé sa voile solaire il y a cinq mois, et elle est toujours en orbite autour de la Terre. C’est une démonstration réussie du potentiel des vaisseaux spatiaux à voile solaire. Maintenant, l'équipe LightSail 2 de The Planetary Society a publié un document décrivant les résultats de la mission jusqu'à présent.
Le concept de voile solaire existe depuis un certain temps, jusqu'à Johannes Kepler, en fait. En 1607, la comète de Halley est passée au-dessus de nos têtes, et Kepler a remarqué comment la queue de la comète s’éloignait du Soleil. Il pensait, à juste titre, que la lumière du soleil était responsable. Dans une lettre à Galileo qui est un peu célèbre dans les cercles astronomiques, Kepler a déclaré: "Fournissez des navires ou des voiles adaptés aux brises célestes, et il y en aura qui braveront même ce vide." Plutôt cool.
Bien sûr, Kepler n'avait aucun moyen de savoir à quel point il avait raison. Mais maintenant, grâce à The Planetary Society et à d'autres, nous le faisons.
La Planetary Society est un pionnier dans le domaine de la voile solaire. LightSail 2 est en fait leur troisième vaisseau spatial à voile solaire, suivant les traces de LightSail 1, et leur précurseur d'origine, le Cosmos 1, qui n'a pas atteint l'orbite lorsque sa fusée de lancement a échoué. Un troisième vaisseau spatial à voile solaire, appelé LightSail 3, atteindra le point de libration Soleil-Terre L1 si tout se passe bien.
En tant que l'un des premiers vaisseaux spatiaux à voile solaire, LightSail 2 nous enseigne de précieuses leçons sur le potentiel et les limites de la voile solaire. Le 10 janvier, la Planetary Society a publié un document décrivant certaines de ces leçons. Le document est intitulé «Performances en orbite et en attitude de l'engin spatial à voile solaire LightSail 2».
LightSail 2 succombe lentement à la traînée et se rapproche de la Terre. Lors de son déploiement, la modélisation orbitale a prédit qu'il tomberait sur Terre environ un an après le déploiement de ses voiles. Mais le vaisseau spatial est sur une orbite terrestre haute à environ 720 km (447 miles), beaucoup plus haut que d'autres satellites et vaisseaux spatiaux comme la Station spatiale internationale, qui orbite à 400 km (249 miles).
Il y a relativement peu de données sur la densité atmosphérique à cette altitude et sur la décroissance de l'orbite qui en résulte, de sorte que la prédiction sur un an n'était pas précise. Mais grâce à LightSail 2, nous savons maintenant que la traînée atmosphérique à cette altitude est suffisamment forte pour tirer LightSail 2 vers la Terre. L'une des raisons en est que le vaisseau spatial n'est pas toujours la voile solaire.
Pendant chaque orbite de 100 minutes, LightSail 2 ne passe que 28 minutes environ à capturer des photons solaires, et c'est le seul moment où il peut changer sa trajectoire. Le reste du temps se passe soit en éclipse, soit en se déplaçant directement vers le Soleil, soit en ajustant son orientation. Ces 28 minutes de temps de navigation réel ne suffisent pas à contrer pleinement la traînée atmosphérique.
C’est juste une des choses que The Planetary Society a apprises de son projet LightSail 2. Mais à l'intérieur de ces orbites, il existe d'autres variables.
L’équipe a comparé les performances du LightSail 2 lorsqu’il était orienté de manière aléatoire et quand il était activement orienté pour la voile solaire. Ils ont découvert que lorsque le vaisseau spatial était orienté de manière aléatoire, le demi-grand axe de son orbite diminuait de 34,5 mètres par jour. Lorsqu'elle était activement orientée, la même mesure ne diminuait que de 19,9 mètres par jour. Mais il y a beaucoup de variations dans son orbite, et parfois le minuscule vaisseau spatial a augmenté son orbite de 7,5 mètres par jour.
La vidéo montre une seule orbite pour LightSail 2. Remarquez les lignes rouges et bleues superposées au vaisseau spatial. La ligne rouge indique la direction du Soleil et la ligne bleue est la direction du champ magnétique local. À l'approche du Soleil, le vaisseau spatial plume ses voiles, et lorsqu'il navigue activement, il tourne ses voiles pour capter les photons du Soleil. L'angle Soleil-z passe d'environ 90 degrés à environ 0 degrés.
De manière générale, la voile solaire ne peut pas surmonter la traînée atmosphérique, mais ce n'est pas vraiment pour cela que ces vaisseaux spatiaux sont conçus. Leur potentiel réside dans le voyage interplanétaire, exempt d'atmosphères et d'effets d'éclipsage planétaires. Le vaisseau spatial NEA Scout (Near Earth Asteroid Scout) de la NASA passera deux ans sous la propulsion d'une voile solaire pour atteindre un astéroïde, bien qu'il reçoive une propulsion initiale des propulseurs à gaz froid.
L'apogée et le périgée de LightSail 2 ont augmenté et diminué au cours des cinq mois qui ont suivi son déploiement. Immédiatement après le déploiement, le vaisseau spatial a levé son apogée, ce qui en fait le premier vaisseau spatial à voile solaire à le faire. Dans le même temps, le périgée a diminué. Il a connu un retournement de tendance fin octobre, et un retour en décembre.
Il y a plusieurs raisons pour lesquelles l'orbite passe par ces cycles. Premièrement, la Terre est un sphéroïde oblat, pas une sphère. Cela signifie que son diamètre à l'équateur est d'environ 42 km (26 miles) plus grand qu'aux pôles. Cela fait que le vaisseau spatial subit une précession, ou vacillement.
La deuxième raison des cycles d'apogée / périgée de LightSail 2 est le chemin de la Terre autour du Soleil. Ce mouvement modifie l'angle entre le Soleil et les positions de l'apogée et du périgée du vaisseau spatial.
LightSail 2 est un excellent vaisseau spatial de démonstration, mais il a des limites. L'un d'eux est sa roue à impulsion unique. Le vaisseau spatial utilise cette roue pour s’orienter parallèlement ou perpendiculairement aux rayons du Soleil, selon qu’il s’agit de ses voiles ou qu’il navigue activement. Initialement, l'équipe au sol le faisait manuellement, ce qui n'était pas efficace. Maintenant, ils ont automatisé le processus, et le vaisseau spatial s'en sort mieux en conséquence.
Mais tout au long de ce processus, l'équipe a tiré l'une de leurs précieuses leçons. Des changements fréquents d'orientation de la voile confèrent une impulsion significative à l'engin spatial. L'un des principaux défis techniques est de gérer cet élan.
Une autre leçon concerne l'énergie solaire. Les voiles solaires sont strictement réservées à la voile solaire. LightSail 2 possède de très petits panneaux solaires qui répondent aux maigres besoins en énergie du vaisseau spatial.
Sa conception initiale prévoyait de petits panneaux solaires des deux côtés de l'engin, mais les panneaux d'un côté ont été retirés pour accueillir les miroirs spéciaux nécessaires pour que la portée laser trouve sa distance exacte de la Terre. Mais maintenant qu'il n'y a de l'énergie solaire que d'un côté, ces panneaux sont parfois masqués par les voiles. Cela conduit à des baisses de tension. L'équipe a pu contourner cela dans une certaine mesure, en gérant la consommation d'énergie du vaisseau spatial et son mode de contrôle d'attitude. Mais c'est une bonne leçon pour les futurs vaisseaux spatiaux à voile solaire.
L'équipe LightSail 2 a également ajouté un autre mode au vaisseau spatial qu'elle appelle le mode de pointage solaire.
Le mode de pointage du soleil gardera la voile solaire du vaisseau spatial face au soleil pendant toute son orbite. Cela limitera la réorientation de l'engin spatial pour réduire l'effet des changements d'orientation fréquents qui confèrent une impulsion problématique à l'engin spatial par la roue d'impulsion. Il aide également au chargement de la batterie par les cellules solaires, bien qu'il ne réduise pas la dégradation orbitale.
Le nouveau mode contribuera également à la précision de pointage du vaisseau spatial et lui donnera une attitude de départ plus cohérente pour les manœuvres de poussée marche / arrêt.
La Planetary Society a l'intention de surveiller de près la dégradation orbitale du vaisseau spatial pour voir quel effet les voiles elles-mêmes ont. C'est en grande partie pour d'autres équipes qui étudient comment les voiles de traînée peuvent être utilisées pour désorbiter délibérément un vaisseau spatial.
Ils continueront également à prendre des photos. La principale raison des images est de surveiller l'état des voiles, mais elles sont aussi un bonbon pour les yeux.
Vous pouvez en savoir plus sur LightSail 2 sur le site Web de The Planetary’s Society. C'est une société à but non lucratif, vous pouvez donc vous inscrire si vous souhaitez faire partie de leur mission. C’est un excellent moyen pour les citoyens de contribuer.
Plus:
- Communiqué de presse: voici ce que nous avons appris jusqu'à présent de LightSail 2
- Rapport complet: performances d'orbite et d'attitude de l'engin spatial à voile solaire LightSail 2
- La société planétaire: l'histoire de LightSail, partie 1
