Comment évolue un engin spatial dans le champs gravitationnel d'une planète ?
Sortie au musée de l'air et de l'espace au Bourget
Nous avons fait une visite du musée de l'air et de l'espace, qui se situe en Seine St Denis, le samedi 21 novembre 2015. Nous étions en contact avec le responsable du planétarium du musée, Mathieu Beylard, qui nous a aidé à comprendre les différentes notions de notre thème lors de la visite.
La fusée Sonde :
Voici, à droite, une fusée-sonde, le premier satellite. Il permet d'effectuer des mesures et des expériences de l'atmosphère. Une fusée-sonde peut emporter des centaines de kilogrammes d’instruments scientifiques à une altitude entre 100 et 1000 km. Sa charge utile, abritée dans la pointe de l’engin, est récupérée avec un parachute.
Ces fusées là sont capable d'aller dans l'espace, c'est à dire à 100 km au dessus de la surface de la Terre. C'est une fusée décrivant une trajectoire sub-orbitale, elle est allée dans l'espace sans avoir la bonne vitesse pou y rester. C'est la cas par exemple de la fusée Ruby.
La fusée Rubis :
Développée dans le cadre du programme Pierres précieuses, la fusée Rubis est capable d'emporter 25 kg. Elle est en 2 étages : On peut voir ici les deux étages qui sont séparés par un trait rouge, en dessous se trouve le 1er étage et au dessus le 2eme. Cette fusée envoie des sondes dans l'espace afin d'étudier l'atmosphère. A l'envoi elle pouvait aller à plus de 2000 km mais le problème c'est que cette fusée là n'avait pas la puissance nécessaire pour envoyer au 7km à la seconde. Donc elle allait retomber à chaque fois : c'est ce qu'on appelle l’évolution suborbital.
Par conséquent, l'un des premier but de la fusée est de se lever, de faire monter l'objet pour sortir de l'atmosphère et ensuite d'accélérer. Comme les fusées à 2 étagens n'accélèrent pas suffisament, des fusée à 3 étages ont donc été construits.
La fusée Diamant :
Ces lancements sont donc ratés.La fusée Diamant correspond à la taille nécessaire que doit atteindre une fusée pour satelliser. Pour schématiser, on retrouve sur cette fusée diamant, le premier étage qui fonctionne en premier lors du lancement de la fusée. Il a pour but de faire monter la fusée, pour la faire sortir de l'atmosphère, le deuxième étage permet à la fusée d'aller à la bonne vitesse en accélérant et le troisième étage positionne exactement pour lancer sur la bonne orbite car dans l'espace on ne peut pas tourner à droite ou a gauche comme on le couahite. Donc il faut lancer sur la bonne orbite dès le début. Il peut y avoir des satellites qui sont en orbite à la bonne vitesse mais pas exactement sur la bonne orbite. Ce sont des lancements ratés.
Fusées Ariane:
Les fusées Ariane de l'Agence spatiale européenne (ESA) sont développés pour placer des satellites sur orbite géostationnaire et des charges lourdes en orbite basse. Elles sont lancées de Kourou.
Ariane 5 fut créé en1996 pour remplacer Ariane 4. Elle se compose de deux étages : d'un étage avec 2 propulseurs d’accélération pour décoller et sortir de l’atmosphère, d'un étage supérieur pour la mise en orbite de la charge utile.
La fusée Ariane 4 se compose de trois étages, le 1er étage est allumé au décollage, le 2eme étage est mis en route à la sortie de l'atmosphère et le 3eme étage va placer la charge utile sur l'orbite désirée.
Ariane 5 a donc deux étages qui fonctionnent en parallèle contrairement à Araine 4. Pour alléger le lanceur, chaque étage est largué après avoir accompli sa mission.
La charge utile est positionnée au sommet de la fusée au-dessus de tous les étages propulsifs. Elle est constituée d'un ou plusieurs satellites qui sont recouverts d'une coiffe les protègeant tant que la fusée traverse l'atmosphère et qui est larguée par la suite pour réduire la masse propulsée. La case à équipement assure le pilotage automatique du lanceur
La maquette de la fusée Ariane 1 est exposée depuis 1979 et celle d’Ariane 5 depuis 1995. Elles ont été construites par Ariane espace, par le CNES et par l'agence spatiale européenne. Une fusée ne peut servir qu'une fois, c'est le principal problème. L'opération est très chère car il faut une puissance phénoménale pour arriver à la lancer et ensuite elle ne sert qu'une fois. C'est pour ça qu’Ariane espace a des projets qui consistent à récupérer des bouts de fusée lancée, notamment le premier étage qui redescendrait avec un petit moteur et qui irait se poser doucement pour que l'on puisse les récupérer. On peut très souvent récupérer des bouts de fusée mais ils sont tellement abîmés qu'on ne peut pas les réutiliser.
Carte des lancements de fusée :
Morceaux de fusées :
Par exemple, voici un morceau de fusée qui a été récupéré, il n'est pas réutilisable. On remarque une structure faite tel un nid d'abeilles tout comme les avions. Ce morceau est en alliage d'aluminium, en effet les fusées comme les avions sont fait en aluminium ou de l'acier. Les booster d'Ariane 5 sont en acier.
Ce gros morceau de fusée retombée a été retrouvé dans l'océan Atlantique, c'est pour cela qu'on tire au dessus des zones non habitée.
Zones de lancements des pays les plus actifs :
Les Etats Unis
La Russie
La Chine
Zones de lancements d'autres pays :
L'Inde
Israël
La France
Pour faire fonctionner un réacteur d'avion ou un moteur de voiture il faut de l'essence appelé le carburant qu'il faut mélanger à un comburant pour faire une réaction chimique : L'air.
Pour les fusées, ce système ne va pas être possible car elles sont beaucoup trop dans l'atmosphère et ne pourront pas avaler l'air comme les réacteurs d’avions.
Les fusées emportent donc avec elles leur propre carburant très froid (ergol ou propergol) et un comburant qui remplace l'air : l'oxygène liquide.
C'est le corps central de la fusée appelé moteur-fusée. Les accélérateurs sont composés de poudre : du perfurate d’ammonium et poudre d’aluminium (propergol solide).
Suivant les types de carburants il y a des avantages et inconvénients : la poudre est très puissante, on ne peut pas l'arrêter ou la contrôler une fois qu'on la déclenche. Par contre le moteur central, beaucoup moins puissant, peut être ralenti ou l'accéléré, étteint et rallumé.
La fusée pèse 750 tonnes avec 700 tonnes carburant, elle est donc un immense réservoir de carburant car le but est d'envoyer ces satellites de plus en plus lourd à 28000km/h.
Un lanceur classique :
La nouvelle génération :
L'Europe lance ses fusées Ariane de Kourou, pour bénéficier de l'effet de fronde du à la terre. En effet si on est sur le pôle, et qu'on tourne sur nous même on a 0 km/h de vitesse, on tourne en rotation mais on ne bouge pas par contre si on est à l'équateur on tourne a 1600km/h. Donc plus on est proche de l'équateur plus on bénéfice de la vitesse de rotation de la terre. Comme le but est de lancer à une certaine vitesse, la Terre en elle même nous donne une partie de cette vitesse.
Les Russes lancent de Baïkonour car c'est le plus près pour eux de l'équateur et les Américains de Cap Canaveral , la zone de lancement le plus connue.
La plate-forme Odyssée été crée pile sur l'équateur et lance des fusée zénith d'origine ukrainienne.
La plupart des pays lancent leurs fusées vers l'est comme la terre tourne vers l'Est. De plus à l'est de Kourou il y a l'océan, comme de temps en temps des morceaux retombent, ça permet de les faire tomber dans l'océan. Ou vers le nord, pour les orbites polaires.
Selon l'orbite sur lequel on lance, il est plus ou moins nécessaire d'avoir la vitesse de rotation de la terre.
Israël tire à l'ouest pas lancer sur les pays, il lance alors plus vite et avec moins de poids. Les activités spatiales importantes sont en Russie, en Chine, aux USA, en Europe, au Japon et en Inde.
Sur les cartes ci-dessous, on voir les zones de lancements de chaque pays, L'angle de la lumière blanche correspond au sens de lancement :
Leur fonctionnement :
Maquette d'une fusée
La Mission Rosetta :
Deux grands types de lanceurs :
La maquette de la sonde Rosettea :
Jean-Loup Chrétien, le premier français dans l'espace, a utilisé ce vaisseau pour redescendre sur Terre en 1982.
C'est un vrai vaisseau spatiale : l'extérieur est complètement brûlé en raison du frottement atmosphérique, c'est donc un bouclier de protection qui brûle, et qui sert aussi pour ralentir. Dès qu'il est suffisamment ralentit et qu'il ne brûle plus un parachute s'ouvre. Le module de rentré est donc la partie faite pour protéger les cosmonautes de leur rentré atmosphérique.
Missions lunaires :
Le module lunaire allume alors son moteur pour ralentir et se poser sur la Lune, il permet à deux astronautes de descendre sur le sol lunaire puis, leur mission achevée, de rejoindre le module de commande resté en orbite. L'avantage est que le module lunaire n'a pas besoin de bouclier de protection car il n'y a pas d'atmosphère sur la Lune, contrairement au module de commande qui possède un bouclier de protection car il va revenir sur la Terre. De plus, il n'a pas besoin d'un moteur aussi puissant pour redécoller puisque la Lune est plus petite donc sa vitesse de libération sera plus faible. Il y aura donc une partie du module lunaire qui pèse environ 7 tonnes qui ne redécollera pas, c'est l'étage de descente abandonné sur la Lune. Uniquement la partie haute, l'étage de remontée, rejoint le module de commande et sera largué après le retour des astronautes.
Pour aller sur la Lune, il faut aller à 11km/s, se poser sur la Lune décoller de la Lune et revenir se poser sur la Terre. Suite aux différentes tâches que doit accomplir le vaisseau, il va falloir l'équiper d'un bouclier de protection, afin de protéger les hommes lors de la traversée de l'atmosphère. Ainsi, il pourra se poser sur la Lune puis revenir sur la Terre. Mais le problème de cette mission est que la Lune ne possède pas d'atmosphère en plus de sa petite taille. Il faut donc arriver beaucoup moins vite lorsque l'on souhaite se poser sur la Lune. Le bouclier de protection ne sera pas utile lors de cette phase. Il a donc fallu créer un vaisseau beaucoup plus simple. Les Américains ont eu l'idée d'envoyer un vaisseau en deux parties, une partie pouvant revenir sur la Terre et une autre se posant sur la Lune.
La fusée Saturne 5 est la plus grande construite et qui fonctionne, elle fait 110 mètres de haut en comparaison, la fusée Ariane mesure 50 mètres de haut. Elle est également composée de trois étages dont le premier sert à monter, le deuxième à accélérer et le dernier à se placer sur la bonne orbite. Sauf que le moteur doit être rallumé pour aller vers la Lune après un tour et demi autour de la terre. La fusée est envoyée vers la Lune, le vaisseau se détache de la fusée, part vers la Lune et se met sur la bonne orbite. C'est lors de la mission Apollo en 1969 que Neil Armtrong fut les premiers pas sur la Lune.
Moteur H1
Huit moteurs H1 à ergols liquides sont assemblés en faisceau afin d'assurer la propulsion du premioer étage des fusées Saturn, développées pour les besoins du programme de vols habités vers la Lune.
Atlas
Le lanceur : la fusée Saturn 5
Le vaisseau : Module de commande et module lunaire
C'est la même technique que pour lancer un satellite, la seule différence c'est qu'il y a des systèmes redondants, c'est à dire plusieurs systèmes au cas où il y aurait une panne.
Youri Gagarine, soviétique, fut le premier homme dans l'espace, en 1961. Il a été envoyé dans une capsule car en ralentissant pour redescendre, on brûle au niveau de l'atmosphère, c'est un bouclier de protection.
Les 2 premiers américains dans l'espace ont été lancés par une fusée Retsone qui n'était pas assez puissante pour satelliser. Ils sont retombés au bout de 12 à 13 minutes, c'est un vol surborbital. C'est en 1962 que les Américains ont construit une fusée Atlas capable de satelliser. John Glen fut le 3 eme américain dans l'espace mais le premier en orbite. Valenantique Terechkova fut la première femme dans l'espace en 1963.
Envoyer un Homme dans l'espace ?
Il n'y a que 3 pays qui maîtrisent les techniques d'envoi d'un être humain dans l'espace c’est la Russie (l'union soviétique) les états-unies et la chine.
C'est la partie la plus compliquée et la plus dangereuse de la mission: il faut arriver sur la bonne trajectoire avec la bonne vitesse. Cette manœuvre est appelée le rendez-vous lunaire.
La sonde Rosetta est un gros cube de 2,8m*2,2m*2m pesant 3 tonnes. Équipée de panneaux solaires gigantesques couvrant une surface de 64m², elle est pourvue d'un antenne parabolique pour la transmission des commandes et des données ainsi que de onze instruments scientifiques. Elle avait pour mission de satelliser autour d'un petite comète Tchouri. Son voyage a duré 10 ans
La maquette de Philae :
Accroché à ce cube, l’atterrisseur Philae est un engin complexe composé de dix instruments pour des mesures du noyau de la comète, destinés à analyser la structure du noyau, analyser la composition du sol de la comète et étudier les propriétés physiques du noyau. Elle est disposée d'une foreuse dont le rôle principal est de fournir les échantillons aux microscopes.
Voici la maquette de Philae, elle contient des harpons. Quand la sonde Rosetta a été lancée, elle est allée jusqu'à sa destination puis Philae s'est détachée tout doucement. Ensuite, au moment où elle se pose sur la comète, le moteur doit s'actionne et plaque la sonde au sol. Les harpons doivent se planter dans la neige, le sol et la roche qu'il y a pour la retenir.
Il y a besoin de ces différents aménagements car la comète Tchouri est toute petite. Cela signifie que sa masse est très faible et sa vitesse de libération très petite. En effet plus un objet est petit, plus il est facile d'en sortir. Le problème est que certains astres sont trop petits pour que les engins spatiaux se posent et il y a beaucoup de chances qu'ils rebondissent.
La sonde Philae a rebondi pendant deux heures, mais pas suffisement vite pour repartir. On peut donc constater que la vitesse de libération n'est pas la même suivant chaques astres ou chaques planètes. Des missions sont envisagées sur des astéroïdes où le problème principal est de rester sur l'objet. Il faut donc réussir à se cramponner dessus pour arriver à rester.