Comment se déplace-t-on dans l’espace ?

Au même titre que la portance pour  le vol des  aérodynes et la poussée d’Archimède pour le vol en aérostat, le vol spatial est lui aussi associé à une force. Celle-ci qui naît du principe d’action-réaction. Les forces « aéro » ne permettent pas le vol spatial car il faut sortir de l’atmosphère, (condition à partir de laquelle nous parlons de vol spatial). Il faut une force qui n’ait pas besoin d’air pour exister.

Sortir de l’atmosphère

Le principe d’action-réaction.

Si l’on agit sur un objet (action), par exemple lorsqu’on jette un ballon, on reçoit, de la part de celui-ci une force appelée réaction orientée dans la direction inverse. On en connait différentes manifestations dans la vie courante : Le ballon de baudruche qui se dégonfle en faisant des zig-zag, le recul lors d’un tir à la carabine en sont deux exemples.

Faisons une expérience de pensée. Vous êtes sur un bateau et vous jetez un lourd objet vers l’avant. Cette action va induire en retour une force qui va vous mettre en marche arrière.

Quel rapport avec les fusées ?

Action d’expulser les gaz vers le bas et réaction d’être propulsé vers le haut. (BY-NC-SA ATConcept)

Les fusées sont constituées d’une charge utile, d’une chambre de combustion et sont  dotées de gros réservoirs contenant un carburant mais aussi un  comburant car, dans les hautes couches de l’atmosphère le dioxygène est trop rare. Ce mélange, appelé propergol, fabrique par combustion de grandes quantités de gaz expulsés  à haute vitesse. Dans la logique de l’action-réaction la fusée est donc propulsée dans la direction inverse à l’éjection des gaz.

Pourquoi les bases de lancement sont-elles situées sur l’équateur ?

Dans une certaine mesure, on peut dire que La fusée doit vaincre le champ de pesanteur  pour pouvoir s’élever. Or, la valeur du champ de pesanteur terrestre dépend de plusieurs facteurs au premier rang duquel se trouve bien sur la gravitation. Chaque objet est ainsi attiré vers le centre de notre planète. Elle dépend également de la rotation de la Terre sur elle-même. Cette rotation a pour effet de faciliter l’expulsion des objets qui se trouvent proches de l’équateur. On peut considérer que l’attraction gravitationnelle est atténuée. Cet effet souvent appelé « centrifuge » est bien inférieur à l’attraction gravitationnelle elle-même et donc ne la compense pas totalement (encore heureux !).

A l’équateur le champ gravitationnel est de 9,78 N/kg contre 9,83 N/kg aux pôles. 0,5% ce n’est pas terrible mais c’est toujours cela de pris !

La mise en orbite

Comprendre l’orbite gravitationnelle

De la pesanteur à la gravité (BY-CC-SA AT-concept)

Livrons-nous une fois de plus à une expérience de pensée. Une balle est lancée du sommet d’un immeuble à faible vitesse (1) puis à une plus grande vitesse (2). Les trajectoires de chute ont une forme mathématique bien connue : la parabole.

Imaginons maintenant que nous puissions faire la même chose au-dessus de notre atmosphère. Une première balle lancée lentement suivrait une trajectoire curviligne (3)  mais lancée avec une vitesse importante, la balle tomberait tellement loin qu’elle reviendrait à son point de départ.

Pour satelliser un objet, il faut donc un astre attracteur, beaucoup de hauteur et suffisamment de vitesse. On peut pour résumer dire qu’une fusée place un satellite  en orbite en le montant à la sortie de l’atmosphère et en le libérant avec une vitesse suffisante.

Quelle trajectoire suit un satellite ?

Trajectoire d’un satellite (BY-CC-SA ATConcept)

La fusée dépose  le satellite au-dessus de l’atmosphère (à partir de 200 km) en lui conférant une vitesse suffisante pour qu’il  soit satellisé.

La forme de sa trajectoire est alors une ellipse dont la planète est placé à l’un des foyers. Pour comprendre ce qu’est une ellipse, imaginez que vous attachez sans la tendre une ficelle entre deux clous (les foyers) puis que vous tracez une ligne courbe à l’aide d’un crayon (le satellite) qui maintient la ficelle tendue. L’ellipse est donc la figure mathématique telle que la somme L1+L2 soit constante.

La trajectoire du satellite peut aussi être circulaire le cercle pouvant être considéré comme un cas particulier d’ellipse où les deux foyers seraient confondus.

La station spatiale ISS tourne  par exemple en suivant un mouvement elliptique. Au plus proche de la Terre (périapside) son altitude est de 330 km et au plus loin (apoapside), de 420 km.

Les satellites de transmission TV-Radio suivent en revanche une orbite dite « géostationnaire » qui est circulaire et uniforme. Il sont dit géostationnaires car immobiles dans notre ciel. Ces conditions ne sont possibles qu’à une altitude proche de 36 000 km. En effet,  leur période de rotation est alors de 24 H.

Le plan dans lequel s’inscrit l’orbite est aussi une donnée importante. Elle peut être équatoriale (le satellite est alors tout le temps à la verticale de l’équateur) ou encore polaire (le satellite passe alors à la verticale des pôles).

Mais à quelle vitesse se déplace un satellite ?

Dans le cas d’une trajectoire elliptique, la vitesse n’est pas constante. Le satellite est d’autant plus rapide qu’il est proche de l’astre attracteur. Dans le cas d’une trajectoire circulaire la vitesse sera constante (cas du mouvement circulaire uniforme).  A titre d’exemple, un satellite géostationnaire se déplace à 3000m/s environ.

Qu’est-ce qu’une orbite de transfert ?

La fusée, nous l’avons vu,  dépose le satellite juste au-dessus de l’atmosphère terrestre aux alentours de 200 km d’altitude. Alors on peu dire que la trajectoire du satellite est une ellipse dont la périapsie se situe à 200 km du plancher des vaches (ou alors un cercle de rayon 200 km).

Mais si l’on veut placer un satellite en orbite géostationnaire (à 36000 km) il faut bien le faire passer de 200 km à 36 000 km. C’est le but de l’orbite dite de transfert.

Cette orbite intermédiaire possède une apoapsie à une altitude de 36 000 km. Arrivé à ce point le satellite doit actionner de petits propulseurs pour se placer sur son orbite définitive.

L’équilibre dynamique du satellite

L’attraction gravitationnelle responsable de la mise en orbite du satellite (BY-CC-SA ATConcept)

Le mouvement n’étant pas rectiligne uniforme,  les forces agissant sur le satellite ne se compensent pas. Ça tombe bien car le satellite n’étant en interaction qu’avec la Terre, il ne subit que l’attraction  gravitationnelle.  D’un point de vue de l’étude mécanique, il se passe  à peu près la même chose que quand on fait tourner un objet rapidement autour d’une ficelle, comme une fronde.

Si le mouvement est circulaire uniforme, la force est dite centripète  (dirigée vers le centre de la trajectoire).

Le voyage interplanétaire

Au jour d’aujourd’hui, aucun être vivant ne s’est rendu sur une autre planète du système solaire. Seules des sondes dédiées à l’exploration ont réalisé des voyages au sein du système solaire.

Hors de l’attraction d’un astre, puisque l’espace est vide, un véhicule spatial se déplace en mouvement rectiligne uniforme sans accélérer ni ralentir. Il change de direction lorsqu’il entre dans le champ gravitationnel d’un astre.

Il va alors adopter une trajectoire curviligne et tourne autour de l’astre. Il sera également accéléré ou ralenti suivant le sens de déplacement de la planète. Ce phénomène est exploité pour guider le satellite dans l’espace et porte le nom d’assistance gravitationnelle.

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