Introduction aux satellites

Quand tu observes le ciel la nuit, tu vois beaucoup d’étoiles et même des planètes, mais savais-tu que tu peux aussi voir des satellites? Les satellites sont des objets qui orbitent autour d’une planète ou d’une étoile. Les satellites naturels sont généralement des lunes, mais ils peuvent également être des corps qui appartiennent à d’autres systèmes solaires. Dans notre système solaire, les planètes et les comètes sont des satellites du Soleil.

Dans ce document d’information, nous allons nous concentrer sur un autre groupe de satellites – les satellites artificiels. Les satellites artificiels sont des satellites qui sont construits par des humains.

Le savais-tu?

Plus de 8000 satellites tournent autour de la Terre, et ce nombre ne cesse d’augmenter. De nouveaux satellites sont lancés régulièrement dans l’espace!

Un satellite qui a changé le cours de l’histoire

Le premier satellite artificiel a été lancé par l’Union soviétique le 4 octobre 1957. Il était nommé Sputnik I. Le mot sputnik veut dire « compagnon de voyage » en russe.

Sputnik I était une sphère métallique de la taille d’un ballon de basket qui était dotée de quatre antennes. Il a transmis des signaux radio à la Terre pendant trois semaines, puis ses piles se sont éteintes.

Sa vitesse a ralenti et il ne pouvait plus rester en orbite car les piles n’avaient plus d’énergie. À ce moment-là, il est entré dans l’atmosphère terrestre et a pris feu.

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Photographie en couleur d’une maquette du satellite Sputnik I.

Le satellite Sputnik I était une sphère en aluminium de 58,0 centimètres de diamètre avec quatre antennes en forme de fouet. Ses antennes ressemblaient à de longues « moustaches » qui pointent vers l’arrière du satellite. (Source : NASA)

 

Même si Sputnik I ne transportait pas d’instruments scientifiques, les scientifiques ont été capable d’augmenter leurs connaissances sur la haute atmosphère de la Terre en étudiant l’effet de l’atmosphère sur les signaux radio du satellite.

Le savais-tu?

Le second satellite, Sputnik II, a été lancé dans l’espace le 3 novembre 1957. Il transportait à son bord le premier mammifère qui a voyagé dans l’espace, une chienne nommée Laïka.

Le succès des satellites Sputnik a marqué le début de la course à l'espace. Pendant cette période, l’Union soviétique et les États-Unis ont accéléré leurs travaux sur les technologies spatiales. C’est à cette époque que remonte la création de la National Aeronautics and Space Administration (administration nationale de l’aéronautique et de l’espace), mieux connue sous le nom de NASA. Peu de temps après, les scientifiques et les ingénieurs de la NASA ont pu lancer deux satellites qu’ils ont fabriqués.

Le premier satellite envoyé dans l’espace par les États-Unis était l’Explorer 1. Ce satellite ressemblait un peu à une fusée miniature. Il est surtout célèbre pour avoir été le premier engin spatial à détecter la ceinture de radiation de Van Allen de la Terre. Cette ceinture est en réalité un nuage de particules qui entoure la Terre. Ces particules sont maintenues en place par le champ magnétique de la Terre.

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Photographie en couleur du satellite Explorer 1, alors qu’il est posé sur la fusée Jupiter-C.
Le satellite est blanc et de forme cylindrique. Le nez du satellite est pointu , mais légèrement arrondi. La partie supérieure du satellite est décorée de rayures verticales brun pâle sur un fond blanc.

 

Le nom du second satellite américain était Vanguard I. Ce satellite avait à peu près la taille et la forme d’un pamplemousse. Au lieu d’être alimenté en énergie par une pile, il utilisait une nouvelle technologie importante – des cellules solaires. Les cellules solaires ont permis aux satellites de fonctionner beaucoup plus longtemps que les piles ordinaires. Les cellules du Vanguard I étaient tellement efficaces que ce satellite est encore en orbite 60 ans plus tard!

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La forme du satellite est à peu près sphérique et sa couleur est gris foncé métallique. Un petit objet cylindrique est fixé sur le dessus du satellite. Les six tiges minces fixées au corps du satellite sont ses antennes.

 

Depuis ces premiers satellites, beaucoup d’autres pays ont lancé des satellites, dont le Canada. Alouette I a été le premier satellite canadien. Le Canada devenait ainsi le troisième pays, après l’Union soviétique et les États-Unis, à concevoir et fabriquer son propre satellite.

Nous te suggérons de regarder cet article si tu veux en apprendre davantage sur les premiers satellites.

À quoi servent les satellites?

Les principaux rôles des satellites sont la communication, la navigation et l’observation. Voyons chacun de ces rôles en détail.

Satellites et communications

La communication par satellite permet d’envoyer rapidement des informations n’importe où dans le monde. Les satellites ont plusieurs avantages par rapport aux systèmes de communication terrestres. Les satellites peuvent par exemple permettre aux personnes qui vivent dans des régions isolées ou éloignées d’avoir accès à des services Internet et à des services de téléphonie cellulaire, comme les chercheurs qui travaillent sur des navires en pleine mer ou en Antarctique. Elle est également utile si tu te trouves dans un endroit où les signaux des tours de téléphonie cellulaire ne se rendent pas!

Afin de fournir des communications ininterrompues, un groupe de satellites peut fonctionner en réseau. C’est ce qu’on appelle une constellation de satellites. Par exemple, le système NEXT de la société Iridium Communications Inc. est constitué de 66 satellites. Ce réseau fournit une couverture mondiale d’Internet et de téléphonie cellulaire.

La constellation de satellites Starlink de SpaceX a été créée dans le but de fournir une couverture Internet à toute la planète. Ce groupe de plus de 1600 satellites fournit Internet à de nombreuses personnes qui ne l’ont jamais eu auparavant, leur permettant ainsi d’avoir accès à des choses comme l’éducation pour la première fois.

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Photographie en couleur d’un groupe de satellites Starlink en train de se déployer dans l’espace. La Terre, vue de l’espace, remplit presque tout l’arrière-plan. Les satellites ressemblent un peu aux chenilles d’un char d’assaut.

Le savais-tu?

Des personnes ont cru voir des objets volants non identifiés (OVNI) quand les satellites Starlink ont formé une traînée de lumière dans le ciel nocturne en mai 2021.

Les satellites nous aident également à communiquer avec des personnes et des appareils qui se trouvent dans l’espace. Ils peuvent relayer des signaux envoyés de la Terre vers des vaisseaux spatiaux et vers des robots, comme les robots d’exploration envoyés sur Mars. Un système de communication qui n’est pas touché par les conditions météorologiques terrestres est un excellent moyen de garantir que les messages vont se rendre à destination.

Satellites et navigation

Les satellites sont une technologie importante qui aide les gens à savoir où ils se trouvent sur la Terre. En utilisant plusieurs satellites, ainsi que des récepteurs, les gens peuvent déterminer leur position géographique. Le système mondial de localisation (GPS) est la première constellation de satellites de navigation. C’est un système américain composé de 24 satellites. On trouve maintenant des récepteurs de signaux de satellite dans un grand nombre de véhicules comme les avions, les navires et les autos. Il y en a aussi dans la plupart des téléphones cellulaires. Te souviens-tu de la dernière fois que tu as consulté une carte pour déterminer où tu te trouvais? Est-ce que c’était une carte en papier? Probablement pas! Tu as probablement utilisé une application de cartes géographiques reliée au GPS de ton téléphone.

Le savais-tu?

Les systèmes de satellites qui couvrent toute la planète sont appelés des systèmes mondiaux de satellites de navigation.

Satellites et observation

Comme les satellites sont perchés très haut dans le ciel, ils ont une vue intouchable sur la Terre. C’est pourquoi certains satellites sont créés pour recueillir des données sur la surface de la Terre et son atmosphère. Ces satellites sont souvent équipés de puissantes caméras et de technologies de grossissement qui leur permettent de faire un zoom pour voir des objets aussi petits que 41 cm ( en anglais), même s’ils se trouvent à plusieurs milliers de kilomètres d’altitude! Les images prises par satellite servent pour différentes raisons, surveiller l’érosion et la santé des côtes. Les satellites météorologiques sont particulièrement utiles, car les météorologues utilisent des images prises par satellite pour prévoir le temps qu’il fera. Ces satellites fournissent aussi des données sur les situations qui risquent de devenir dangereuses, comme les ouragans et les feux de forêt.

Les appareils photographiques embarqués sur des satellites ne sont pas toujours orientés vers la Terre. En fait, la majorité des télescopes envoyés dans l'espace pour étudier l’Univers sont placés sur des satellites et tournent en orbite autour de la Terre.

Si tu veux en savoir plus sur les satellites, allez lire cette publication qui t’expliquera comment les satellites canadiens sont utilisés comme instruments scientifiques, par exemple, dans la lutte contre les changements climatiques.

Dans quelles régions du ciel les satellites sont-ils placés en orbite?

L’altitude à laquelle un satellite orbite autour de la Terre va souvent de pair avec sa fonction. Il y a trois zones principales où les satellites sont en orbite : la zone d’orbite terrestre basse, la zone d’orbite terrestre moyenne et la zone d’orbite géosynchrone.

Orbite terrestre basse (OTB)

L’orbite terrestre basse (OTB) est l’orbite la plus facile à faire suivre aux satellites, et la majorité des satellites se situe dans la zone de l’OTB. Cette zone se situe entre 160 et 1000 km au-dessus de la surface de la Terre. En comparaison, les avions commerciaux volent rarement plus haut que 14 km au-dessus du sol. Comme ce sont les satellites qui orbitent le plus près de la Terre, ce sont eux qui prennent les meilleures photos haute résolution. C’est pourquoi de nombreux satellites météorologiques et scientifiques sont placés en orbite terrestre basse. La Station spatiale internationale (SSI) se trouve elle aussi dans la zone de l’OTB. L’orbite synchronisée sur le Soleil (OSS) est un type particulier d’OTB qui s'aligne sur le Soleil. Les satellites placés en OSS passent chaque jour au-dessus du même endroit de la planète, exactement à la même heure. Ils sont utiles pour des missions météorologiques et de reconnaissance parce qu’ils marquent les changements qui surviennent d' un même endroit d’un jour à l’autre. La plupart d’entre eux orbitent à des altitudes comprises entre 600 km et 1000 km au-dessus de la Terre.

L’avantage des satellites placés en OTB est que leurs signaux sont forts, puisque leurs signaux ne viennent pas de très loin. De plus, leurs signaux atteignent rapidement la Terre. Les satellites placés en OTB peuvent suivre un grand nombre de trajectoires différentes autour de la Terre. Par contre, l’un des inconvénients de l’OTB est que chaque satellite ne couvre qu’une petite partie de la Terre dans sa trajectoire. Un autre inconvénient est que les satellites (placés en OTB) s’usent au contact des molécules contenues dans l’atmosphère terrestre. Sans compter que ces molécules ralentissent les satellites. Dès que la vitesse d’un satellite n’est plus suffisante pour le maintenir en orbite, le satellite perd de l’altitude et pénètre dans l’atmosphère de la Terre, où il prend feu et brûle complètement. Plus l’orbite d’un satellite est haute en altitude au-dessus de la surface de la Terre, plus il restera longtemps dans l’espace. Certains satellites sont équipés de petits moteurs-fusées qui les propulsent vers des orbites plus élevées, leur permettant ainsi de rester dans l’espace plus longtemps.

Le savais-tu?

La Station spatiale internationale est le plus grand (et le plus fascinant) satellite artificiel de la Terre!

Orbite terrestre moyenne

Les satellites en orbite terrestre moyenne circulent plus haut que les orbites terrestres basses (OTB), mais plus bas que les orbites terrestres hautes (OTH). Les satellites placés en OTM suivent de nombreuses trajectoires différentes autour de la Terre. Les satellites de navigation, comme la constellation de satellites GPS, sont souvent placés en OTM. Un avantage des OTM par rapport aux OTB est qu’elles permettent aux satellites de couvrir une plus grande région de la Terre. Elles ont par contre deux inconvénients : leurs signaux sont faibles et prennent plus de temps pour atteindre la Terre.

Orbites géosynchrones et orbites terrestres hautes

Les orbites géosynchrones se trouvent à une altitude de 35 786 kilomètres. Le préfixe « géo » signifie « Terre » et l’adjectif « synchrone » veut dire « qui s’effectue en même temps ». Les satellites placés en orbite géosynchrone se déplacent à la même vitesse que la rotation de la Terre. Les orbites géostationnaires sont un type d’orbite géosynchrone. Les orbites géostationnaires s’alignent sur l’équateur. Les orbites qui se situent encore plus haut que les orbites géosynchrones sont appelées des orbites terrestres hautes (OTH).

L’avantage des satellites placés en orbite géosynchrone est qu’ils demeurent toujours au-dessus du même endroit terrestre. Et comme ils sont très haut dans le ciel, ils demeurent dans l’espace vraiment très longtemps. Les satellites placés en orbite géosynchrone ont deux inconvénients : leurs signaux prennent le plus de temps à atteindre la Terre et qu’ils coûtent cher à construire et à lancer dans l’espace.

Le savais-tu?

Plus un satellite est près de la Terre, plus il doit se déplacer rapidement pour rester en orbite.

Le tableau ci-dessus donne plus de renseignements sur les principales orbites des satellites.

Le savais-tu?

Il n’y a eu jusqu’à présent qu’une seule collision entre deux satellites!

Quelles sont les parties d’un satellite?

La technologie installée à l’intérieur d’un satellite dépend de sa fonction. Cependant, tous les satellites ont des choses en commun.

Source d’énergie

Presque tous les satellites modernes sont équipés de réseaux solaires. Ces réseaux fournissent de l’énergie aux satellites. L’énergie solaire est un choix logique parce qu’elle est facilement accessible dans l’espace! Certains réseaux solaires ressemblent à ceux qui sont utilisés sur la Terre. D’autres ressemblent à des voiles que l’on peut replier ou déployer selon les besoins, comme celui que tu peux voir dans la vidéo de droite.

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Le gif montre un réseau solaire qui se déroule dans l’espace. En arrière-plan, les nuages se déplacent dans l’atmosphère terrestre, de droite à gauche, à une très grande distance sous le satellite.

La base du réseau solaire est fixée à un bras relié au satellite. Une mince plaque de panneaux solaires est fixée à la base. La plaque de panneaux ressemble un peu à un rouleau de papier en métal brillant. L’autre bout des panneaux est enroulé autour d’un rouleau. Deux bras télescopiques relient le rouleau à la base. Lorsque les bras télescopiques s’étendent, les panneaux solaires se déroulent.

 

Protection contre les températures extrêmes et les rayonnements

Les satellites sont soumis aux températures extrêmes de l’espace, c’est-à-dire entre - 150 et 150 °C! Un système de régulation de la température protège le matériel fragile contre ces températures extrêmes.

Le matériel doit également être protégé contre les niveaux élevés de rayonnement dans l'espace. Cela peut se faire en enveloppant les parties dans des matériaux composés de métal, comme de l’aluminium. Dans la photo de droite, tu peux voir que le matériel qui se trouve à l’intérieur du satellite Landsat 9 a été emballé dans du papier d’aluminium.

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Cette photographie montre un satellite Landsat 9. L’un des panneaux latéraux du satellite a été enlevé afin de montrer l’intérieur du satellite. Le satellite semble être sur le plancher d’un entrepôt.

Le satellite ressemble à une boîte. L’un de ses panneaux extérieurs est recouvert de panneaux solaires noirs et brillants. Le revêtement extérieur du devant du satellite a été enlevé. À l’intérieur, tu peux deviner que toutes sortes d’objets ont été enveloppés de façon lâche dans du papier d’aluminium. La surface du dessus du satellite est ouverte pour montrer d’autres objets angulaires enveloppés dans du papier d’aluminium.

 

Outils de communication

Tous les satellites ont besoin de systèmes pour communiquer avec les gens sur Terre, par exemple, des systèmes de transmission et de réception, ainsi que des antennes. La plupart des antennes modernes ressemblent à des parapluies!

Les satellites communiquent à l’aide de signaux radio et de signaux micro-ondes.

Comme les micro-ondes sont plus puissantes que les ondes radio, ce sont elles qui sont le plus souvent utilisées pour communiquer avec les satellites placés sur les orbites plus hautes.

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L’illustration montre le satellite MUOS de la Marine américaine dans l’espace. Ce satellite est formé au centre d’une partie blanche, qui est cylindrique et épais. Sur les côtés et reliés à la partie centrale par des câbles, tu peux voir des réseaux solaires rectangulaires constitués de panneaux bleus et de supports blancs. Au-dessus et sous la partie centrale se trouvent deux antennes qui ressemblent aux toiles de deux parapluies jaunes, sans les manches, en position ouverte. Les antennes semblent être attachées à la partie centrale par des câbles fins.

 

Le savais-tu?

Les signaux envoyés de la Terre à un satellite sont appelés signaux de liaison montante. Les signaux envoyés vers la Terre par un satellite sont appelés signaux de liaison descendante.

Que se passe-t-il quand un satellite arrête de fonctionner?

Comme les autres appareils, les satellites arrêtent parfois de fonctionner. Mais comme il n’y a personne dans l’espace pour les réparer, que se passe-t-il alors? Cela dépend de l’altitude du satellite défectueux. Si le satellite se trouve en orbite terrestre basse, on peut lui envoyer un message pour le faire ralentir. Dans ce cas, il cessera d’être en orbite et prendra feu lorsqu’il entrera dans l’atmosphère terrestre. Si le satellite défectueux se trouve en orbite terrestre haute, on peut lui envoyer un message lui demandant d’accélérer. Le satellite quittera son orbite et va s’envoler dans l’espace. En attendant que l’une ou l’autre solution soit exécutée, les satellites défectueux continuent d’orbiter autour de la Terre. En fait, plus de la moitié des satellites actuellement en orbite ne fonctionnent plus! Ces satellites hors d’usage et les autres débris qui flottent dans l’espace sont appelés des débris spatiaux.

Coup d’œil sur l’avenir

À quoi faut-il s’attendre du côté des satellites pour les prochaines années et décennies? Certainement à un nombre encore plus grand de constellations de satellites. Des experts prévoient que d'ici 2030 plus de 100 000 satellites pourraient orbiter autour de la Terre. Ce nombre t’amène peut-être à te poser des questions, comme les trois suivantes : Y a-t-il trop de satellites? Sera-t-il encore possible de voir les étoiles malgré la pollution lumineuse des satellites? Ou, plus important encore, comment contrôler la circulation de tous ces satellites autour de la planète afin d’éviter les collisions? Les scientifiques et les gouvernements réfléchissent sans aucun doute sur ces questions.

Les satellites de l’avenir seront plus durables. Comme les voyages dans l’espace coûtent moins cher, il sera un jour plus rentable de réparer ou d’améliorer les satellites en orbite. Ce serait de plus un excellent moyen de diminuer la quantité de débris spatiaux. Le projet OSAM-1, qui veut dire « On-orbit Servicing, Assembly and Manufacturing » (Entretien et réparation, assemblage et fabrication en orbite), est une mission de la NASA qui mettra à l’essai un robot orbital pour entretenir et réparer les satellites.

Regardez cette vidéo montrant l'OSAM-1 en action !

Veux-tu voir des satellites?

Si tu as envie de voir des satellites, tu constateras que c’est assez facile d’en voir dans le ciel nocturne. Les satellites ressemblent beaucoup à des étoiles, mais des différences importantes nous permettent de les reconnaître. Alors que les étoiles semblent rester à la même place, les satellites se déplacent à un rythme constant et en ligne droite dans le ciel. Autre différence : contrairement aux étoiles et aux aéronefs, la lumière des satellites ne scintille pas et ne clignote pas. La Station spatiale internationale ressemble aux autres satellites, mais elle est plus brillante! En fait, à part la Lune, la SSI est l’objet le plus brillant dans le ciel nocturne.

Si tu veux savoir quels satellites sont en orbite en ce moment, tu trouveras sur ce site Web (en anglais) une carte montrant l’emplacement d’environ 19 300 objets faits par les humains qui orbitent autour de la Terre: des satellites, mais aussi des débris spatiaux comme des propulseurs de fusée abandonnés. Sur ce site Web, tu pourras filtrer les cartes en fonction de différents paramètres, comme demander de voir les satellites lancés par les différents pays.

Pour terminer, prends une minute pour admirer quelques photos du Canada prises du haut d’un satellite!