Comment évolue un engin spatial dans le champs gravitationnel d'une planète ?

                   

          De nos jours, le spatial est un domaine de concurrence connaissant de nombreuses évolutions. Ainsi il représente 20 % de nos efforts de recherche et de développement. En effet chaque année, environ 150 engins spatiaux sont lancés vers l’espace incluant les fusées, les satellites et les sondes interplanétaires. Les lanceurs actuels permettent de lancer plusieurs satellites en même temps, le nombre de lancement par an est donc d'environ 70 tirs. Si les intérêts militaires et politiques ont été les premiers moteurs de la conquête spatiale à la fin de la seconde guerre mondiale, il n’en est plus de même aujourd’hui.
En effet, au cours des années 1920, en Europe comme aux États-Unis, le désir de conquérir les espaces interplanétaires devient de plus en plus vif. Des projets sont réalisés afin de découvrir le monde d'au delà. Avec Spoutnik, le premier objet satellisé par l'homme en 1957 et Youri Gagarine le premier homme dans l'espace en 1961, le domaine de l'aéronautique connaît de nombreuses évolutions.

Afin de satelliser un engin spatial, sa trajectoire est calculée méticuleusement et demande une maîtrise précise de son évolution, de sa construction, de son lancement et de son suivi. Ainsi, nous nous demandons comment évolue un engin spatial dans le champs gravitationnel d'une planète. Afin de répondre à la problématique, nous étudierons les différents engins spatiaux utilisés tout au long de la satellisation et les différentes trajectoires de ceux-ci, du lancement jusque dans l'espace.

 

Voici le plan étudié :

 

                          

                          A – Qu'est ce qu'une fusée et pourquoi lui donner une vitesse minimale ?

                          B – Vitesse pour satelliser autour de la Terre

                          C – Vitesse pour quitter la Terre

 

                       

                          A – Qu'est ce que la satellisation ?

                          B – Quelles sont les engins utilisés pour satelliser, dans quel but ?

                          C – Quelles sont les trajectoires d'une fusée au lancement ?

 

                          

                          A – Quelles sont les trajectoires d'une fusée dans l'espace ?

                          B – Comment contrôler la trajectoire d'un engin spatial dans l'espace ?

                          C – Une mission remarquable, la mission Rosetta

 

 

 

I - Vitesses au lancement

 

A – Qu'est-ce-qu'une fusée et pourquoi lui donner une vitesse minimale ?

 

Une fusée est un lanceur destiné à propulser des engins spatiaux (satellites, sondes) sur une orbite précise. Les fusées peuvent aussi emmener des Hommes dans l'espace, sur la Lune comme le 20 juillet 1969 avec Neil Amstrong.
Il faut savoir que la fusée ne part et ne revient pas en un morceau. Elles sont composées de plusieurs étages qui ont chacun un but et qui se détachent au fur et à mesure de l'évolution de la fusée dans l'espace c'est pourquoi les fusées ne sont pas réutilisables. (morceau de fusée retrouvée ici )

 

Le premier étage celui qui fonctionne en premier lors du lancement de la fusée 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 (structure détaillée des fusées ici).

 

Voici une vidéo du Lanceur Ariane 6, conçu récemment et qui devra être mis sur le marché en 2020 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comme on peut le voir, une impulsion verticale ne suffit pas. Une fois les couches denses de l'atmosphère quittées, le lanceur adopte progressivement une trajectoire "horizontale" par rapport à sa trajectoire d'origine pour sa placer sur le bon plan afin de propulser l'engin spatial, comme on le verra par la suite. Les étages propulsifs et la coiffe sont alors largués.

 

Lors du Lancement de la fusée, plusieurs critères sont pris en compte. La vitesse de la fusée lors du lancement dépend de la destination et de l'objectif de la mission : si on veut qu'elle soit en orbite, qu'elle quitte la terre...

Cependant, il y a une vitesse minimale à communiquer au départ d'une fusée pour que celle-ci reste dans l'espace.

 

Par exemple, la fusée Ruby pouvait aller à plus de 2000 km à l'envoi mais cette vitesse n'est pas nécessaire pour que la fusée reste dans l'espace. Une fois arrivée au point le plus haut elle n'a plus de vitesse et elle retombe donc, c'est ce qu'on appelle une évolution suborbitale. Par conséquent, l'un des premier but de la fusée est de lever, faire monter l'objet pour sortir de l'atmosphère et ensuite d'accélérer.

 

 

B – Vitesse pour satelliser autour de la Terre

 

La vitesse de satellisation minimale est la vitesse minimale nécessaire à un objet au départ d'un astre pour être placé (et rester) en orbite autour de l'astre, et donc pour ne pas retomber dessus. Elle correspond à la vitesse que doit posséder le corps pour être en orbite circulaire à distance minimale de l'astre (rayon R de l'astre).
La vitesse de satellisation minimale est couramment notée Vs ou Vmin et est exprimée en km.s^-1

 

Voici sa formule :

 

 

 

Avec :

[G] : en N.m².kg^-2, représentant la constante gravitationnelle,

[M] : en Kg, représentant la masse de la planète,

[R] : en m représentant son rayon.

 

Quelle est la vitesse de libération pour qu'un objet lancé depuis la surface de la Terre puisse satelliser autour de celle-ci ?

 

Dans le référentiel terrestre on a :

 

G = 6,67.10^-11 N.m².Kg^-2

M = 6.10^24 Kg

R = 6.38.10^6 m

 

On remplace donc, dans la formule de la vitesse de satellisation, les variables par les valeurs du référentiel terrestre :

 

Vs = √ (6,67.10^-11 * 6.10^24) / 6,38.10^6

Vs = 7,9.10^3 m.s^-1 soit 7,9 km.s^-1

 

Pour la Terre, cette vitesse, dite aussi « première vitesse cosmique » est d'environ 7,9 kilomètres par seconde (soit environ 28 440 kilomètres par heure).

 

C – Vitesse pour quitter la Terre

 

La vitesse de libération, appelée également vitesse d'évasion, est la vitesse minimale que doit atteindre un objet pour échapper à l'attraction gravitationnelle d'un astre et s'en éloigner indéfiniment.

Plus la masse de l'astre est importante et l'objet proche de son centre, et plus la vitesse de libération de l'objet est élevée. Elle s'exprime en km.s^-1.

 

Voici sa formule :

 

 

 

 

Avec :

[G] : en N.m².kg^-2, représentant la constante gravitationnelle,

[M] : en Kg, représentant la masse de la planète,

[R] : en m représentant le rayon de la planète.

Le rayon de la planète et la masse de celle-ci sont des variables.

 

Comment trouve-t-on cette formule ?

 

Il faut savoir qu'un objet sur la terre subit 2 forces. L’une centrifuge qui tend à l’emmener vers l’extérieur, et une autre de gravitation qui tend à le ramener vers la planète : c'est la loi de Kepler. Ainsi pour que l’objet reste en orbite autour de la planète, il faut que sa trajectoire soit parfaitement circulaire. Pour cela les forces centrifuge et gravitationnelle doivent se compenser.

 

Dans cette formule, on admet la constance de l’énergie mécanique, c'est-à-dire que l’énergie reste la même du début à la fin de l’action. On utilise alors une formule mettant en relation l’énergie cinétique et l’énergie potentielle de l’objet au temps initial et au temps infini : 

L’énergie cinétique (initiale) + énergie potentielle ( initiale) = énergie cinétique  (infinie) + énergie potentielle ( infinie)

 

L'énergie cinétique est égale à : 1/2mv²

avec :

• m représentant la masse du solide,

• v représentant la vitesse de libération de l'objet.

Or lorsque la vitesse de l'objet est nulle, l'énergie cinétique est égale à 0.

 

L'énergie potentielle est égale à : - GMm/r

avec :

• G représentant la constante de gravitation exprimée en N.m².Kg^-2,

• M représentant la masse de la Terre,

• m représentant la masse l’objet,

• r représentant le rayon de la planète.

 

Ec + Ep = Énergie totale

Et = 1/2mv² - GMm/r

Et = 0

Donc 1/2mv² – GMm/r = 0

1/2v² = GM/r

v² = 2GM/r

v = √2GM/r

 

On retrouve donc la formule de la vitesse de libération.

 

Quelle est la vitesse de libération pour qu'un objet lancé depuis la surface de la Terre puisse s'échapper de l'attraction terrestre ?

 

Dans le référentiel terrestre on a :

 

M = 6.10^24 Kg

G = 6,67.10^-11 N.m².Kg^-2

R = 6.38.10^6

 

On remplace donc, dans la formule de la vitesse de libération, les variables par les valeurs du référentiel terrrestre :

 

v = √(2*6,67.10^-11*6.10^24)/6,38.10^6

v = 1,12.10^4 m.s^-1 soit 11,2 Km.s^-1.

 

Pour un objet lancé depuis la surface de la Terre, la vitesse de libération, lui permettant d'échapper à l'attraction terrestre, est de 11,2 km.s^-1 (soit 40 320 km.h^-1).

Une fois qu'un objet a échappé à l'attraction terrestre, il reste, comme la Terre, soumis à l'attraction du Soleil.

 

         Pour conclure, le lanceur a pour but de « monter » jusqu'à l'espace, pour ensuite propulser des engins spatiaux sur une trajectoire précise. Pour cela, il devra atteindre une vitesse minimale appelée vitesse de satellisation pour rester autour de la Terre et qui est de 7,9 km.s^-1, et une vitesse de 11,2 km.s^-1 appelée vitesse de satellisation pour quitter la Terre. Cependant, ces vitesses ne sont pas communiquées dès le lancement de la fusée. L'accélération doit être progressive. Une fois sortie de l'atmosphère, elle largue les étages propulsifs. Au cours des dernières minutes de vol, lorsque la vitesse souhaitée est atteinte, le moteur est éteint et le lanceur libère sa charge utile. Le satellite utilise désormais ses propres ressources.

 

 

II – Décollage du lanceur pour satelliser

 

A - Qu'est ce que la satellisation ?

 

Commençons par un exemple pour mieux comprendre la situation : Prenons une balle, si on la lâche sans vitesse, elle tombe vers le sol.

Si elle est lancée horizontalement, elle décrit un arc d'ellipse. Si la balle est lancée avec une plus grande vitesse, l'ellipse devient plus aplatie et le projectile va plus loin. En augmentant encore la vitesse, l'ellipse devient plus grande et plus ronde et le point d'impact est plus loin.

 

Depuis l’antiquité, cette observation a intrigué de nombreux savants. C’est Isaac Newton et sa fameuse pomme qui a commencé à entrevoir la réalité de ce phénomène :

 

 

 

 

 

 

 

Si la pomme tombe vers le sol c’est qu’elle est attirée par la Terre dont la masse est bien plus grande que la sienne. De son côté la pomme attire également la Terre, mais dans une proportion infime car chaque objet qui participe à cette attraction mutuelle agit en fonction de sa masse : plus elle est importante et plus elle agit sur l’autre objet. La pomme A, abandonnée sans vitesse initiale, tombe à la verticale sous l’effet de l’attraction terrestre.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Un missile lancé avec une vitesse de départ a l'horizontal est attiré par la Terre, il ne va pas en ligne droite mais décrit une courbe descendante jusqu'à rencontrer le sol. Plus la vitesse initiale est grande, moins la trajectoire est courbée et plus le point de chute est éloigné.

 

Revenons à l'exemple de départ. Finalement, à une vitesse de lancement précise, la balle plane au dessus du sol à la même altitude de la surface de la Terre et décrit un tour complet, sans jamais la heurter. La satellisation est l'action d'imprimer à un engin spatial un mouvement périodique autour d'un astre de sorte qu'il en devient un satellite artificiel. 

 

En allant à la vitesse de satellisation, c'est à dire à 7,9km.s^-1 au niveau du sol, la courbure de la trajectoire devient égale à celle de la Terre. Il n’y a plus de point de chute et l’objet lancé suit un parcours circulaire : il est " satellisé ".

 

Bien entendu, ceci n’est pas possible près du sol, car à de telles vitesses l’atmosphère freinerait l’objet lancé et le détruirait par échauffement. C’est pourquoi on ne peut pas de satellites placer en orbite à moins de 150 km d’altitude.

 

 

B - Quels sont les engins utilisés pour satelliser, dans quel but ?

 

Afin de satelliser, une fusée envoie principalement des satellites autour de la Terre. On distingue deux types de satellite, un satellite naturel comme la Lune autour de la Terre ou un satellite artificiel. Spoutnik fut le premier satellite envoyé dans l'espace.

 

Il existe différents types de satellites artificiels, qui ont chacun une mission :

• Espionnage, observation et cartographie : pouvant aller à de très hauts niveaux de détail.

• Météorologie et scientifique : les satellites qui nécessitent de couvrir régulièrement la surface pour en avoir une vue complète

• Communication et positionnement : mise en place d'une constellation de satellites, c'est-à-dire un nombre suffisant de satellites réparties sur tout le globe

 

Les réseaux de satellites permettent à l'homme de se localiser sur toute la surface de la Terre en obtenant des informations précises sur sa longitude, sa latitude et son altitude. Par exemple le système GPS (Global Positioning Systeme : système de positionnement sur le globe) est une constellation de 21 satellites qui capte les signaux de 4 à 12 satellites, il permet à tout utilisateur terrestre, maritime, aérien ou spatial de connaître l'heure et sa position. Le calcul des information du GPS se fait par triangulation, c'est-à-dire par la mesure du temps de propagation des ondes entre les différents satellites de la constellation. Ces satellites tournent à 20 000 km autour de la Terre.

 

Satellites de positionnement :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De nos jours, les satellites sont principalement utilisés pour la communication : pour écouter la radio, regarder la télévision, téléphoner à un correspondant sans un fil, des ondes électromagnétiques sont émis par le biais de poste de radio, téléviseur et téléphone

 

Satellites de communication:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La navigation dans le champs gravitationnel est compliqué, quand on accélère on monte et si on ralentit on descend. C'est une des raison pour lesquelles les satellites redescendent au bout d'un moment, ils sont freinés par l'atmosphère et vont redescendre en allant moins vite. C'est pour cela qu'on doit remonter les satellites spatiales de temps en temps.

 

Lors de leur évolution autour de la Terre, les satellites ne peuvent pas revenir en arrière. Suivant leur mission, ceux-ci ont différents mouvements par rapport à la Terre. Afin de les placer dans l'espace, différentes trajectoires sont adoptées lors du propulsement de la fusée.

 

Il existe aussi des sondes spatiales qui servent à la conquête de l’espace, elles seront donc propulsées en dehors du champs gravitationnel de la Terre afin de se satelliser autour d'autres planètes ou comètes. Par exemple, dernièrement la sonde « curiosity » a été envoyée sur Mars pour rechercher toute forme de vie.

 

C – Quels sont les trajectoires d'une fusée au lancement ?

 

Différentes trajectoires sont adoptées par la fusée pour lancer le satellite ou la sonde sur leur trajectoire. Ces trajectoires sont calculées lors du lancement de la fusée et sont représentées par une équation de droite :

 

 

 

Cette trajectoire est appelée une conique de paramètre p et d'excentricité e.

La nature de la conique dépend de la valeur de l'excentricité e. Suivant les valeurs de e on distingue 4 trajectoires possibles. Donc lors du lancement de la fusée, on fait varier ce paramètre e pour diriger la fusée.

 

 

On a réalisé une animation géogébra afin de représenter les différentes trajectoires en variant l'excentricité e. Il vous suffit de modifier l'excentricité grâce au curseur, vous verrez alors les 4 trajectoires apparaître.

 

 

L'origine de ces trajectoires viennent d'un objet ressemblant à deux cônes l'un au dessus de l'autre se nommant conique :

 

 

 

 

En coupant cet objet par différents plans, on obtient la trajectoire circulaire, elliptique, parabolique, hyperbolique comme représentés sur  les schémas ci-dessus.

 

Les vitesses communiquées à la fusée sont en lien avec l'excentricité :

 

• Si la vitesse est égale à la vitesse de satellisation de 7,9 km.s^-1, l'engin effectuera une trajectoire circulaire autour de la Terre, car elle sera retenue par son champs gravitationnel

 

• Si la vitesse est supérieure à la vitesse de satellisation minimale mais inférieure à la vitesse de libération entre 7,9 et 11,2 km.s^-1, le corps aura une trajectoire elliptique.

 

• Si la vitesse est égale à la vitesse de libération de 11,2 km.s^-1, le corps échappera définitivement à l'attraction gravitationnelle de l'astre en suivant une parabole.

 

• Si sa vitesse est supérieure, sa trajectoire sera hyperbolique.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                         

 

 

Pour conclure, le faite de satelliser correspond à placer un engin spatial autour d'une planète, qui sera alors retenu par l'attraction gravitationnelle de celle-ci. Ainsi des satellites sont placés autour de la Terre afin de se positionner dans l'espace et dans le temps sur celle-ci et afin d'accomplir diverses missions. La conquête de l'espace est effectuée en envoyant des sondes sur d'autres astres. Pour cela différentes trajectoires sont adoptées lors du lancement de la fusée : circulaire, elliptique, parabolique ou hyperbolique. Nous verrons maintenant les trajectoires des engins spatiaux lorsqu'ils sont placés autour de l'astre pour accomplir leur mission pour les satellites ou comment contrôler la trajectoire des sondes.

 

 

III – La Navigation dans l'espace

 

A – Quelles sont les trajectoires d'une fusée dans l'espace ?

 

Dans l'espace, le satellite est soumis à la gravitation des autres corps célestes. Il aura donc une trajectoire régulière autour de ce corps dessinant une courbe fermée. Cette trajectoire est appelée une orbite. Par exemple, dans le Système solaire, la Terre, les autres planètes, les astéroïdes et les comètes sont en orbite autour du Soleil.

 

Lorsqu'un engin spatial est placé en orbite, on appelle cela un vol orbital. Une fois que la fusée a quitté la terre elle doit se placer sur la bonne orbite car suivant les missions souhaitées, les mouvements par rapport à la planète sont différents.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il y a différents types d'orbites qui dépendent de l'inclinaison et de l'altitude. L'altitude utilisée pour la mise en orbite d'objets est habituellement située au-dessus de 300 km pour limiter les effets de ralentissement et d'échauffement causés par l'atmosphère :

 

• Entre 400 et 2000 km d'altitude, il y a les orbites basses LEO (Low Earth orbit). Pour atteindre cette orbite, le lanceur doit atteindre la vitesse de satellisation minimale. Elles permettent la mise en orbite de charges lourdes car ces orbites requièrent moins d'énergie que les autre orbites terrestres. Un satellite à cette altitude mettra entre 1 heure 30 et 2 heures pour effectuer un tour de la Terre.
  Les intérêts d'être situé à ces faibles distances au sol sont nombreux : observer la surface de la Terre avec plus de précision, couvrir une très grande partie voire la totalité de la planète en défilant au-dessus, relayer les communications avec une grande qualité et une grande rapidité.
  
  Selon les missions des satellites, l'inclinaison des orbites peut se situer entre 0° et 180° par rapport au plan de l'équateur terrestre. Elles sont alors dites orbites quelconques.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Lorsque l'orbite passe au dessus des pôles avec une inclinaison proche de 90° c'est l'orbite polaire.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  Ou elle est situé sur le plan de l'équateur, on dit qu'elle est équatoriale.

 

 

 

 

 

 

 

 

• Entre 2 000 km et 35 786 km d'altitude, il y a les orbites moyennes MEO ( Medium Earth Orbit) ou ICO (Intermediate Circular Orbit). La durée des orbites varie de 2heures à 24heures.

 

 

• Vers 36 000 km d'altitude, il y a les orbites Orbite géosynchrone (GSO) et géostationnaire (GEO).
  L'orbite géostationnaire est une orbite circulaire, qui est située dans le plan de l'équateur c'est-à-dire que son inclinaison est égale à 0°. Sur cette orbite le satellite se déplace de manière exactement synchrone avec la planète et reste constamment au-dessus du même point de la surface. De ce fait tourne tout simplement à la même vitesse que la terre, ce qui donne l'impression qu'il ne bouge pas.
  Les satellites en orbite géosynchrone sont inclinés, il ne sont pas fixes depuis un point de la Terre.

Les deux types d'orbite les plus utilisées sont les LEO et les GTO.

Peut-on changer d'orbites?

 

Il est possible pour un satellite de changer d’altitude, tout en conservant son inclinaison. Il devra alors utiliser du carburant embarqué au lancement pour effectuer la trajectoire de Hohmann. En effet, l'orbite de transfert de Hohmann est une trajectoire qui permet de passer d'une orbite circulaire à une autre orbite circulaire située dans le même plan, en utilisant uniquement deux manœuvres impulsionnelles (allumages du moteur pendant de courts instants).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'impulsion a pour effet de modifier la vitesse du satellite sans modifier sa position, car elle est de courte durée, le satellite se placera alors sur une orbite de transfert, qui permet de faire le lien entre une orbite initiale et une orbite visée. Pour rejoindre une orbite de plus grand rayon, il faut augmenter la vitesse, et à l'inverse, pour rejoindre une orbite de plus faible rayon, il faut diminuer la vitesse.

 

Cette manœuvre est d'ailleurs nécessaire à un satellite au lancement pour le placer à l’altitude souhaitée, au cours de sa vie pour ajuster son altitude, et à la fin de sa vie, le satellite sera placé sur une orbite beaucoup plus haute que les orbites géostationnaires pour libérer de la place, ou sur une orbite très basse afin d’accélérer sa désintégration dans les hautes couches de l’atmosphère.

 

Alors que pour les orbites basses, les lanceurs peuvent placer le satellite directement à l’altitude souhaitée, pour les orbites géostationnaires il est impossible pour les lanceurs de placer les satellites à la bonne altitude. Ils se contentent de placer le satellite sur l'orbite de transfert géostationnaire GTO (geostationary transfert orbit), une trajectoire elliptique avec l’inclinaison souhaitée, qui croisera l’altitude visée. Le satellite se placera alors en orbite géostationnaire.

 

Pour les voyages interplanétaires, il n'est pas nécessaire d'atteindre une orbite fermée à condition que le lanceur atteigne 11 km.s^-1 sur Terre. Le lanceur devra alors utiliser d'autre moyens afin de parvenir à l'orbite souhaitée.

 

B - Comment contrôler la trajectoire d'un engin spatial dans l'espace ?

 

Afin d'accélérer, ralentir ou dévier un lanceur dans l'espace, on peut utiliser l'attraction gravitationnelle des autres planètes, on appelle cela l'assistance gravitationnelle ou l'effet de fronde gravitationnelle. Cette technique permet aux sondes interplanétaires d'économiser du carburant.

 

Cela consiste à faire entrer la sonde dans une zone à la périphérie de la zone d'attraction d'une planète. Lorsque la sonde entre dans cette région avec une vitesse suffisante pour s'en échapper, sa trajectoire est déviée. Ou elle devient pendant un temps un satellite de la planète. La sonde empreinte alors une partie du mouvement orbital de la planète pour acquérir une impulsion supplémentaire, elle pourra alors ralentir ou accélérer.

 

Par exemple, dans le champs gravitationnel d'un astre, plus on est proche de l'astre plus on accélère. Ainsi en envoyant des sondes vers Mercure ou Venus qui sont des planètes entre la Terre et le Soleil (astre), la sonde va se rapprocher du Soleil ce qui va la faire accélérer. On va alors utiliser la gravité des autres planètes pour ralentir.

Au contraire pour s'éloigner du Soleil, on va essayer de trouver de l'accélération.

 

En passant de planète en planète, une sonde peut donc accélérer pour atteindre des vitesses considérables sans utiliser de carburant et parcourir des distances beaucoup plus rapidement comme la sonde Voyager, lancée en 1977 pour explorer les planètes Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Ce trajet aurait dû prendre à peu près 30 ans or elle a mis 12 ans pour atteindre Neptune grâce à l'assistance gravitationnelle.

 

C – Une mission remarquable, la mission Rosetta.

 

LA MISSION : Le 2 mars 2004, une fusée Ariane 5 a propulsé la sonde Rosetta pour un voyage de dix ans à la rencontre de la comète Churyumov-Gerasimenko. Cette mission spatiale, projet de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), a pour objectif d'analyser un des plus anciens vestiges solaires, la comète Churyumov-Gerasimenko. Le CNES joue un rôle clé dans Philae, l'atterrisseur de la sonde Rosetta. Son objectif principal est de recueillir des données sur la composition du noyau de la comète et d'étudier l'évolution de la surface du noyau au fur et à mesure de son rapprochement avec le Soleil. Dans le cas de cette mission, il ne s’agit pas de croiser la trajectoire de la comète et de l’observer pendant quelques heures, comme lors de missions précédentes, mais d’amener la sonde sur l’orbite de la comète et d’escorter son noyau à proximité immédiate. Rosetta est donc la première sonde spatiale à se placer en orbite autour d'une comète et à poser un atterrisseur à sa surface.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'ORBITEUR : La sonde Rosetta.

L'ATTERRISSEUR : L'’atterrisseur Philae.

LE LANCEUR : Ariane 5

 

La comète étant de petite taille, il faut arriver avec une vitesse inférieure à sa vitesse de libération, à 3 ou 4 mètres par seconde pour ne pas que la sonde s'échappe et afin qu'elle se mette en orbite. Afin de ralentir et dévier dans l'espace, on a utilisé le champs gravitationnel d'autres planètes.

 

SON VOYAGE : Pendant son voyage, la sonde Rosetta a parcouru 7 milliards de kilomètres. Pour se placer sur une orbite identique à celle de la comète, la sonde spatiale a recours à l'assistance gravitationnelle passant trois fois près de la Terre et une fois près de Mars. Les scientifiques ont profité du trajet pour observer deux astéroïdes, Steins et Lutetia, qui ont été survolé par la sonde.

 

Voyage par assistance gravitationnelle de la sonde Rosetta                                                             Chronologie du voyage de la mission Rosetta

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Six ans après son lancement, durant la phase de sa trajectoire où elle se trouve le plus loin du Soleil et trop éloignée pour recevoir assez d’énergie solaire Rosetta est plongée en hibernation pour trois ans en 2011 afin de réduire sa consommation d'énergie.

Elle se réveille automatiquement en janvier 2014 et s'est placée en orbite autour de la comète en août 2014. Après une période d'observation de plusieurs mois elle largue Philae en novembre 2014 à la surface de Churyumov-Gerasimenko qui recueille des données pendant trois jours.

Mi-2015, la sonde accompagne la comète le long de son orbite à faible distance autour du Soleil et poursuit ses mesures.

La mission se poursuit autour de la comète qui atteint son pic d'activité au moment de son passage au plus près du Soleil en août 2015.

La fin de sa mission est prévue en septembre 2016.

Bien avant son achèvement la sonde spatiale a largement atteint ses objectifs et fait de nombreuses découvertes inédites sur la structure et la composition de la comète.

Ainsi même si le voyage fut long, il fut un succès car la sonde est arrivée à la bonne vitesse sur la bonne orbite.

 

 

 

          En conclusion la fusée est un lanceur qui va emmener les engins spatiaux dans l'espace. Il est constitué pour cela de 3 étages : le ler pour monter, le 2eme pour accélérer et le 3eme pour positionner. Ainsi, à son décollage il doit accélérer progressivement afin d’atteindre une vitesse minimale de 7 km.s^-1 pour satelliser autour de la Terre ou de 11 lm.s^-1 afin de quitter l'attraction gravitationnelle de la Terre. De son lancement, la fusée est en position verticale, lorsqu’elle dépasse l'atmosphère elle se met en horizontal afin de placer sa charge utile sur la bonne orbite. Pour cela elle adoptera différentes trajectoires qui lui seront programmées à son lancement (cercle, ellipse ; hyperbole ; parabole), elle pourra ainsi soit rester dans le champs gravitationnel de la Terre et placer des satellites en orbites autour de celle-ci. Le satellite effectuera son rôle lorsqu'il sera mis en orbite. Soit elle pourra propulser une sonde hors du champs gravitationnelle de la Terre grâce à la vitesse et la trajectoire, cette sonde utilisera alors l'assistance gravitationnelle pour se diriger et se placer en orbite autour de la planète visée afin d'effectuer sa mission.

 

          Une fois que la fusée a exercé son rôle dans l'espace, elle n'est pas réutilisable. Le fait que les fusées coûtent très chers pour la construction et pour envoyer à de forte puissance, mais qu'elles ne soient pas récupérables est un véritable problème. C'est pourquoi plusieurs pays notamment la France ont essayé de récupérer un étage du lanceur. Dernièrement, ce fus un exploit pour l'Agence spatiale Space X, qui tenta de récupérer le 1er étage de sa fusée Falcon 9.