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

 

          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, ea 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 2h à 24h.

 

 

• 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'autres 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 su 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 planète

 

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.