L'Espace de défense : la nouvelle donne
L'ONERA est un acteur de référence qui dispose de compétences éprouvées sur l'ensemble du spectre scientifique et technique lié à l'Espace de défense. L'ONERA contribue aux principaux programmes de recherche et de développement technologique, en étroite association avec les acteurs publics et industriels du secteur spatial militaire. Fort de ces atouts, l'ONERA est appelé à jouer un rôle clé dans le renouveau du dispositif national de défense spatiale.
L'Espace, un nouveau lieu de confrontation militaire
Traversé depuis longtemps par des missiles intercontinentaux, l'Espace a progressivement acquis le statut de milieu militaire à part entière, à l'instar du ciel au cours de la Première guerre mondiale rappelle Jacques Lafaye, chargé de mission auprès du Président.
En France, la prise de conscience de cette "arsenalisation" de l'Espace est récente. Ainsi le rapport Chocs futurs, publié par le Secrétariat Général de la Défense et de la Sécurité Nationale (SGDSN) au début de 2017, livre une étude prospective à l’horizon 2030, des impacts des transformations et ruptures technologiques sur notre environnement stratégique et de sécurité et envisage la possibilité de confrontations, voire de combats spatiaux. La même analyse est faite dans la revue stratégique réalisée à la demande du Président de la République et publiée en décembre 2017. Face à ces enjeux, un groupe sur la stratégie spatiale de défense a été créé au sein du Ministère des Armées. La ministre a d'ailleurs révélé en septembre dernier l'approche intempestive, par un satellite russe, du satellite Athena-Fidus assurant une partie des communications militaires françaises.
Les apports du New Space
Le tournant qui s'opère au plan stratégique coïncide avec la fin d'une certaine forme de déni français vis-à-vis du New Space et des ruptures qui lui sont associées. D'abord raillée, cette vague d'initiatives privées, notamment initiée par Elon Musk dès 2002, est désormais prise très au sérieux. Ces nouveaux entrants parviennent souvent à faire plus vite et moins cher, tout en étant plus performants, dans le domaine des lanceurs comme dans celui des systèmes spatiaux.
Cette révolution industrielle s'est notamment manifestée par la démocratisation de la très haute résolution, mouvement d’ailleurs amorcé depuis 1994 lorsque Bill Clinton a autorisé les opérateurs américains à proposer des images de résolution croissante. Parmi les nombreux acteurs privés qui investissent le spatial, citons Planet Lab qui exploite - entre autres - des systèmes de satellites de 5 kg fournissant des images d'une résolution de 3 m, ou encore la société Canon, qui est en train de constituer une constellation d'une centaine de satellites dédiée à l'imagerie et à la vidéo. Fondés sur une plate-forme japonaise, ces satellites équipés d'un télescope de formule optique Cassegrain utilisent des capteurs CMOS produisant nativement des images couleurs, ainsi que des micro-actionneurs dérivés de la gamme de produits bureautiques de l'entreprise. Parallèlement, la Finlande a, en janvier 2018, mis en orbite des satellites de moins de 100 kg embarquant un système d'imagerie radar à synthèse d'ouverture, qui fourniront une résolution allant jusqu’à 1 m.
Face à ces évolutions et à cette nouvelle concurrence, la politique spatiale de défense française doit s'adapter et saisir les opportunités offertes par toutes les sources d'innovations.
Le large spectre des activités spatiales de l'ONERA : un atout majeur
Paroles d'experts
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Jean-Claude Traineau Directeur des programmes Espace Palaiseau
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Antoine Guignon Directeur de la prospective et veille aérospatiales Palaiseau
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Antoine Roblin Directeur du département Optique et Techniques Associées Palaiseau
Dans ce contexte de mutation, l'ONERA dispose de compétences clés dans l'ensemble des domaines concernés par la défense spatiale. Ainsi, sur les 24 feuilles de route qui définissent le cap que l'ONERA se fixe, 5 concernent directement l'Espace de défense.
L'ONERA a ainsi développé le système de veille spatiale GRAVES, qui permet de suivre et de cataloguer 2500 objets, en orbite basse et jusqu'à 1000 km. Depuis la mise en service en 2005 de ce système, la France est l'un des rares pays à disposer de moyens autonomes de surveillance de l'Espace, ce qui lui permet de revendiquer un statut de partenaire vis-à-vis des Américains, et de disposer d'informations vérifiées et plus complètes.
L'ONERA effectue actuellement la remise à niveau de ce système afin de garantir son fonctionnement jusqu'en 2030, tout en améliorant ses performances. De plus, l'ONERA a conçu un nouveau système qui permettra, à plus long terme, de voir plus loin des objets plus petits, dans un contexte de multiplication des projets de constellations et de miniaturisation des satellites.
Pour l'imagerie haute résolution des objets en orbite moyenne et géostationnaires, des systèmes optiques sont envisagés. Leur conception bénéficiera sans doute de l'optique adaptative, qui permet de s'affranchir des turbulences atmosphériques, domaine dans lequel l'ONERA a développé une expertise mondialement reconnue.
L'ONERA bénéficie également d’une expérience significative dans le domaine des armes antisatellites à énergie dirigée en particulier celles utilisant des lasers. Dans le sillage de l'initiative de défense stratégique, dans les années 1990, des essais grandeur nature de neutralisation de satellites en fin contractuelle de vie opérationnelle ont ainsi été menés, ce qui a permis de recueillir de précieuses données, notamment sur les niveaux d'énergie nécessaires. Dans ce domaine encore, le bagage de l'optique adaptative pourrait être mobilisé.
Qu'il s'agisse de la surveillance ou de l'alerte spatiale, de la survivabilité des systèmes spatiaux, des nouveaux concepts de service en orbite, avec des petits satellites en charge de mission d'inspection et/ou de maintenance, ou encore des lanceurs réutilisables et économiques, l'ONERA est appelé à jouer un rôle clé dans le développement des outils requis par la nouvelle inflexion de la politique spatiale.
Paroles d'experts
Dès 2000, l'ONERA a proposé à sa tutelle de travailler sur les lanceurs réutilisables ; aujourd'hui, il participe au développement d'un accès innovant et économique à l'Espace, dans une perspective aussi bien civile que militaire. L'enjeu est d'apporter réactivité et flexibilité, à un coût optimisé pour parer aux situations de crise, par exemple pour organiser la réponse à une catastrophe naturelle. Il s'agit également de préparer l'avenir, des lanceurs lourds au-delà d'Ariane 6, ainsi que des petits lanceurs, dont l'idée fait son chemin en France.
L'ONERA contribue par des études spécifiques à ouvrir la voie industrielle poursuivie par ArianeGroup, notamment sur le projet de démonstrateur THEMIS, qui sera proposé à la conférence de l'ESA en fin d'année. Les travaux de l’ONERA portent en particulier sur un programme d'intérêt commun avec le CNES visant à démontrer les spécificités de la combustion du couple oxygène-méthane, utilisée sur le moteur Prometheus qui équipera THEMIS. Le développement de ce moteur implique de régler certains problèmes spécifiques à la combustion turbulente oxygène-méthane comme la dynamique de l’écoulement dense d’oxygène liquide, les instabilités de combustion, et d’évaluer le risque de génération de suies.
Dans le domaine des petits lanceurs réutilisables, la piste étudiée ces dernières années par l'ONERA est la solution aéroportée (drone porteur réutilisable sous lequel est accroché un petit lanceur), dont l'intérêt est de permettre d'effectuer des lancements depuis différents endroits du globe. Ce concept fait l'objet du projet européen ALTAIR, mené de concert avec divers partenaires européens. Le lanceur proposé utilise une propulsion hybride écologique, mais aux performances limitées. Le projet se conclura en 2019 par le lancement à Kourou, d'une maquette non-motorisée d'un petit lanceur, depuis l'avion porteur Eole développé conjointement par le CNES et l’ONERA.
L'ONERA envisage de poursuivre cette piste par une étude « système » plus complète, toujours avec un drone, ou un porteur piloté, en remettant également en question la propulsion. La solution, pourrait être approfondie dans le cadre d’un des Grands Défis du Conseil de l’Innovation, pour répondre à la question : comment lancer une constellation de micro- et nano- satellites de manière flexible et économique ?
La réduction des coûts promise par le New Space passe également par la qualification pour le spatial d'équipements provenant d'autres secteurs, et de techniques de fabrication innovantes. Quoi qu'il en soit, la réutilisabilité représente un défi en termes de contrôle de la santé des structures : véhicule et moteur, ce que l'on nomme HUMS (Health and Usage Monitoring System). Un domaine du contrôle non-destructif dans lequel le département Matériaux de l’ONERA dispose d'une précieuse expertise, aussi bien pour définir les capteurs que les méthodes de diagnostic.
Nos sociétés sont devenues extrêmement dépendantes de l'Espace et des systèmes spatiaux, que ce soit au plan économique ou stratégique. C'est pourquoi il est crucial d'assurer la permanence du fonctionnement de ces systèmes, qui sont des outils indispensables pour les télécommunications ou pour le renseignement.
Se pose dès lors la question de la vulnérabilité des systèmes spatiaux. L'Espace est un environnement hostile ou en tout cas contraignant pour les systèmes techniques, soumis en particulier à des rayonnements intenses et à des risques liés aux débris. Outre ces contraintes physiques, des menaces intentionnelles contre nos intérêts sont également envisagées. Étant donné la diversité de ces menaces, il s'avère impossible de concevoir des composants capables de résister à toutes les agressions. Dès lors, comment assurer la protection des systèmes spatiaux ? L'ONERA travaille sur ces questions depuis plus de 25 ans. La réponse passe par la continuité de la fonction plutôt que par la conservation à tout prix de l'intégrité de tous les composants du système. Il s'agit donc de concevoir de manière différente. La doctrine de l’ONERA en la matière peut se résumer par le concept des 3R pour Redondance, Réactivité et Reconfiguration. Une fonction peut, par exemple, être dupliquée pour être réalisée par deux satellites au lieu d'un. Plus généralement, grâce à des satellites de plus petite dimension, tels ceux qui se multiplient avec le New Space, il devient envisageable techniquement et économiquement de distribuer avec un niveau de redondance déterminé toute fonction clé sur un certain nombre de systèmes miniaturisés, remplaçables, robustes et évoluant en essaim. On comprend dès lors l'importance de la notion de reconfiguration, qui passe par le réarrangement des ressources d'un système, de manière à assurer la survivabilité des fonctions de haut niveau que ce même système assure. Ces réarrangements doivent être prévus dès la conception pour assurer la survivabilité de fonctions de haute valeur, souvent par des systèmes de composants de moindre valeur que ceux utilisés actuellement.
Lorsqu'il s'agit de rétablir une fonction interrompue par l'endommagement d'un satellite, la notion de réactivité est cruciale. Concrètement, il peut s'agir d'effectuer rapidement un lancement pour reconstituer cette fonction. C'est là qu'interviennent les lanceurs réutilisables ou aéroportés, qui pourraient permettre d'envoyer des charges de manière réactive et à des coûts réduits. Ces différents sujets occupent une place de choix dans les feuilles de route de l'ONERA.
L'alerte spatiale consiste à détecter les départs de missiles balistiques grâce à des capteurs optiques disposés dans l'Espace, qui observent en continu la Terre ou son voisinage. Outre la fonction de détection, un système d'alerte spatial peut aussi servir à estimer la localisation du point d'impact, à désigner à un autre système la position du missile ou encore à évaluer la position du pas de tir. Ces différentes fonctions permettent donc de protéger les populations ou des forces déployées, mais également d’accroître la dissuasion.
La conception de tels systèmes est un sujet vaste et pluridisciplinaire, qui fait l'objet d'études menées depuis plus de 25 ans à l'ONERA. Des compétences de pointe sont requises, à la fois dans la définition des systèmes, dans la connaissance des scènes observées par les senseurs et des signatures des objets à détecter, mais également dans les traitements à mettre en œuvre pour limiter à un niveau très faible le taux de fausses alarmes et maximiser la probabilité de détecter tous les tirs.
Le principe de l’alerte spatiale consiste à observer toute la Terre depuis un satellite géostationnaire avec un senseur infrarouge. Les images obtenues présentent des similitudes avec les images infrarouges produites par les satellites météorologiques en orbite géostationnaire. Cependant, la bande spectrale doit être spécifiquement choisie pour maximiser le contraste avec lequel le missile est observé sur fond de Terre. Tout l’enjeu consiste à optimiser la bande spectrale pour réduire les sources de signal autres que l’émission des jets de missiles, puis à mettre au point des traitements permettant d'éliminer les sources résiduelles.
En 2010, la DGA a fait lancer par la Société ADS les deux satellites Spirale chargés de collecter les fonds de Terre et de préparer un futur système opérationnel. L’ONERA a été impliqué dans ces travaux, pour la phase de préparation des charges utiles et pour l’exploitation des données collectées.
L’observation de missiles peut également être envisagée depuis des satellites défilants ; elle se fait alors sur fond de Limbe, avec une bande spectrale adaptée au suivi du missile, au-delà de la phase propulsée. L’ONERA a également travaillé sur ce sujet.
L’alerte spatiale représente plusieurs enjeux en termes de systèmes optiques, de grandes matrices de détection infrarouge, de connaissances des fonds de Terre et des signatures des missiles, et de traitements de détection, de pistage et de trajectographie. Sur tous ces sujets spécifiques, les équipes de l’ONERA ont acquis une expérience de premier plan.