En voilà un mot qui, à lui seul, suscite beaucoup d'interrogations et de fausses croyances... 🤔
Dans cet article, on va expliquer le principe de l'orbite, et tant qu'on y est on parlera des rendez-vous orbitaux. 🚀 💫
Examinons quelques orbites familières :
L'ISS 🛰 (la station spatiale internationale) se trouve à 400 km de la terre 🌍 et tourne autour de cette dernière en 90 mn, elle parcourt 16 orbites en 24H, soit une vitesse orbitale de 28.000 km/h. Cette orbite est désignée comme étant l'orbite basse.
Un satellite géostationnaire 🛰 (qui reste fixe par rapport à la terre) se trouve à 35.786 km de la terre 🌍, il orbite donc en 24H tout pile (puisqu'il doit rester stationnaire) et possède une vitesse orbitale de 11.066 km/h.
La lune 🌛 se trouve à 384.000 km de la terre 🌍 (en moyenne) et orbite la terre en 27,32 jours, soit une vitesse orbitale de 3.672 km/h.
A ce stade, vous avez compris qu'à chaque hauteur d'orbite correspond une vitesse orbitale.
C'est bien beau tous ces chiffres, mais par quel miracle la lune, l'ISS ou les satellites ne tombe t'ils pas sur la terre ? 🤔
On est en présence de 2 forces qui s'opposent :
la vitesse linéaire (orbitale) propre de la lune qui veut filer tout droit vers l'infini ♾️ (et au delà 🤣), donc s'éloigner et quitter la terre,
la force de la terre (gravitation) qui attire la lune.
Ces 2 forces sont en équilibre.
Une orbite c'est une chute libre perpétuelle où on s'est juste arrangé pour louper le sol en permanence grâce à une vitesse linéaire adaptée : la vitesse orbitale.
Dans cette orbite, on "flotte" de la même manière qu'on "flotterait" dans un ascenseur en chute libre dont les câbles et les sécurités auraient lâché.
(sans le léger inconvénient à l'arrivée ☠️ 😂 ).
OK, donc on a un équilibre entre 2 forces. Mais ça tient du miracle que ces 2 forces soient pile-poil ajustées pour maintenir la lune (et l'ISS, toutes les planètes, leurs lunes, les astéroïdes...) en orbite, non ? En fait non : si la lune accélère sa vitesse propre, elle va se rapprocher de la terre, et si elle ralentit, elle va s'en éloigner. C'est d'ailleurs ce qui est en train de se passer : la lune s'éloigne de la terre de 3,8 cm/an.
On a donc tout un panel de combinaisons possibles (différentes orbites, donc).
Ce phénomène de mécanique orbitale se retrouve partout dans l'univers. Tous les corps sont sous influence : la lune tourne autour de la terre, qui tourne autour du soleil, qui tourne autour du cœur de notre galaxie la voie lactée.
Attention : Ne confondez pas apesanteur et absence de gravité ! La Terre exerce sur la station spatiale internationale une force équivalente à 96% de la gravitation qu'elle subirait si elle était au sol. La gravité exercée sur les astronautes dans l'ISS est donc pratiquement la même que s'ils se trouvaient sur terre. Les astronautes ne flottent dans l'ISS pas par absence de gravité, mais parce que la station spatiale est en chute libre... permanente autour de la Terre ! L'ISS tombe sur la terre avec une vitesse horizontale précisément calculée pour que sa trajectoire de chute épouse la forme de la Terre à 400 km d'altitude. En résumé, l'ISS tombe vers l'avant en loupant perpétuellement la Terre. Y compris tout ce qui est dedans.
Une belle illustration qui démontre que la micro-gravité ressentie à l'intérieur de l'ISS n'est pas due à l'absence de gravité ou au fait que la gravité est "compensée" par une autre force, mais bien parce que l'ISS est en chute libre autour de la Terre : une boite transparente, une GoPro et des Playmobils, jetez en l'air et observez :
D'ailleurs, le jour ou on voudra désorbiter l'ISS, on ralentira sa vitesse linéaire, ce qui la rapprochera de la terre où elle finira par s'écraser (on visera le point Némo, en mer).
Les rendez-vous orbitaux :
Si vous avez bien capté ce qui précède, vous devez commencer à comprendre que lorsqu'on veut envoyer une fusée, disons vers Mars, il ne suffit pas de viser Mars et de mettre les gaz à fond, comme on le ferait en avion.
On va organiser un rendez-vous orbital :
La fusée 🚀 décolle à la verticale mais rapidement elle infléchit sa trajectoire pour se circulariser autour de la terre. C'est beaucoup moins gourmand en carburant.
Environ 2 mn 30 après le décollage, la fusée atteint déjà 8.000 km/h et largue son premier étage.
Le second étage se place sur une orbite de transfert environ 9 mn après le launch.
Crédit photo Travor Mahlmann.
Les moteurs 🚀 fournissent une vitesse linéaire propre à la fusée, qui accélère jusqu'à atteindre la vitesse orbitale requise pour se placer en orbite basse terrestre (autour de 28.000 km/h). Le plus dur est fait (du point de vue énergétique).
Voir l'infographie ci-dessous :
Débarrassés de son 1er étage devenu inutile, le second étage et la chargent utile sont maintenant en orbite, ça veut dire qu'ils tournent autour de la terre sans consommer de carburant. Pour rejoindre la cible, il "suffit" de fournir une "petite" poussée, qui va avoir pour effet d'élargir encore l'orbite, donc de l'éloigner de la terre, mais la rapprocher de sa cible. (infographie) :
Vous constatez que vous avez beau être sur l'orbite de la cible, encore faut-il y arriver au bon moment pour l'intercepter ! Ce qui sous-entend de savants calculs de rendez-vous orbitaux, et donc un décollage dans une fenêtre de tir précise ! Si vous décollez trop tôt ou trop tard, vous serez sur la bonne orbite mais loin de la cible ! Et sans aucun moyen de la rejoindre, car si vous ralentissez ou accélérez, vous réduisez ou augmentez votre orbite... 😫
Du coup, vous venez de comprendre pourquoi il y a des fenêtres de tir !
Cette technique fonctionne pour des cibles proches, mais envoyer une sonde sur Saturne ou au delà est bien plus complexe : Il ne sera pas possible d'embarquer suffisamment d'ergols (carburant/comburant) pour circulariser une orbite aussi éloignée.
Pas seulement du point de vue du budget, mais surtout de la masse : emporter ➕ de carburant implique un lanceur ➕ lourd, donc des moteurs ➕ puissants qui consommeront ➕ donc il faut encore ➕ de carburant... Le serpent se mort la queue...
L'assistance gravitationnelle :
On va donc utiliser une astuce qui va faire économiser beaucoup de carburant, mais qui va en contrepartie beaucoup ralentir la mission : l'assistance gravitationnelle.
Si vous étiez déjà impressionné par les calculs de rendez-vous orbitaux, accrochez-vous à vos chaussettes : je vous emmène faire une partie de billard cosmique ! On va calculer la fenêtre de tir pour viser l'orbite d'un corps mais juste en le frôlant (on fait exprès de rater le RDV orbital de peu). Infographie :
En frôlant la première cible (par ex la lune) la sonde va subir un effet de fronde gravitationnelle qui va dévier la trajectoire de la sonde tout en augmentant sa vitesse !
Là où ça devient délirant, c'est qu'on va répéter l'opération plusieurs fois avec Mars, puis Jupiter, pour enfin viser Saturne !
Et ça fonctionne ! C'est avec ce principe que les sondes Voyager lancées en 1977, ont pu survoler Jupiter (en 79), Saturne (80), Uranus (86) puis Neptune (89). 46 ans plus tard, elles continuent d'envoyer les données des instruments scientifiques (malheureusement ça sent la fin 😢 ) et se trouvent aujourd'hui à la frontière de l'influence de notre système solaire.
Malgré leur vitesse prodigieuse de 17 km/s (61.000 km/h) il leur faudra tout de même encore 4️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣ ans 😲 pour parvenir à l'étoile ⭐️ la plus proche (Proxima du Centaure) !
Alors non, nous n'irons jamais prendre l'apéro chez les petits hommes verts 👽, et non, ils ne sont jamais venus nous rendre visite.
Et ça n'arrivera jamais. ⛔️
Michel Havez, Novembre 2023.
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