À la fin de cette section, vous serez capable de :
- Expliquer comment un objet (tel qu’un satellite) peut être mis en orbite autour de la Terre
- Expliquer comment un objet (tel qu’une sonde planétaire) peut s’échapper de l’orbite
La loi universelle de la gravitation de Newton et les lois de Kepler décrivent les mouvements des satellites terrestres et des engins spatiaux interplanétaires, ainsi que des planètes. Spoutnik, le premier satellite artificiel de la Terre, a été lancé par ce qui s’appelait alors l’Union soviétique le 4 octobre 1957. Depuis lors, des milliers de satellites ont été placés en orbite autour de la Terre, et des engins spatiaux ont également orbité autour de la Lune, de Vénus, de Mars, de Jupiter, de Saturne et d’un certain nombre d’astéroïdes et de comètes.
Généralités
Une fois qu’un satellite artificiel est en orbite, son comportement n’est pas différent de celui d’un satellite naturel, comme notre Lune. Si le satellite est suffisamment haut pour s’affranchir des frottements atmosphériques, il restera en orbite pour toujours. Cependant, bien qu’il n’y ait aucune difficulté à maintenir un satellite en orbite, une grande quantité d’énergie est nécessaire pour soulever le vaisseau spatial de la Terre et l’accélérer jusqu’à sa vitesse orbitale.
Pour illustrer le lancement d’un satellite, imaginez un canon tirant une balle horizontalement depuis le sommet d’une haute montagne, comme le montre la figure 3.11, adaptée d’un diagramme similaire de Newton. Imaginons en outre que le frottement de l’air puisse être éliminé et que rien ne vienne entraver la trajectoire de la balle. Dans ce cas, la seule force qui agit sur la balle après qu’elle a quitté la bouche du canon est la force gravitationnelle entre la balle et la Terre.
Si la balle est tirée à une vitesse que nous pouvons appeler a, la force gravitationnelle qui s’exerce sur elle la tire vers le bas en direction de la Terre, où elle frappe le sol au point a. Toutefois, si la vitesse initiale est plus élevée, b, cette vitesse plus élevée la porte plus loin avant qu’elle ne frappe le sol au point b.
Si la vitesse initiale de notre balle est suffisamment élevée, c , la surface incurvée de la Terre fait que le sol reste à la même distance de la balle, de sorte que celle-ci tombe autour de la Terre en décrivant un cercle complet. La vitesse nécessaire pour obtenir ce résultat, appelée vitesse de satellisation minimale, est d’environ 8 kilomètres par seconde, soit environ 28.800 kilomètres par heure en unités plus familières.
Chaque année, plus de 50 nouveaux satellites sont mis en orbite par des pays tels que la Russie, les États-Unis, la Chine, le Japon, l’Inde et Israël, ainsi que par l’Agence spatiale européenne (ESA), un consortium de pays européens (figure 3.12). Aujourd’hui, ces satellites sont utilisés pour le suivi météorologique, l’écologie, les systèmes de positionnement global, les communications et les objectifs militaires, pour n’en citer que quelques-uns. La plupart des satellites sont lancés sur une orbite terrestre basse, car cela nécessite un minimum d’énergie de lancement. À la vitesse orbitale de 8 kilomètres par seconde, ils font le tour de la planète en 90 minutes environ. Certaines des orbites terrestres très basses ne sont pas indéfiniment stables car, lorsque l’atmosphère terrestre se gonfle de temps à autre, une traînée de frottement est générée par l’atmosphère sur ces satellites, ce qui conduit finalement à une perte d’énergie et à la "désintégration" de l’orbite.
Vaisseau spatial interplanétaire
L’exploration du système solaire a été réalisée en grande partie par des vaisseaux spatiaux robotisés envoyés vers les autres planètes. Pour s’échapper de la Terre, ces engins doivent atteindre la vitesse de libération, c’est-à-dire la vitesse nécessaire pour s’éloigner définitivement de la Terre, qui est d’environ 11 kilomètres par seconde (environ 39.600 kilomètres par heure). Après s’être échappés de la Terre, ces engins se dirigent en roue libre vers leurs cibles, sous réserve uniquement d’ajustements mineurs de la trajectoire fournis par de petites fusées de propulsion à bord. En vol interplanétaire, ces engins suivent des orbites autour du Soleil qui ne sont modifiées que lorsqu’ils passent à proximité de l’une des planètes.
Lorsqu’il s’approche de sa cible, un vaisseau spatial est dévié par la force gravitationnelle de la planète vers une orbite modifiée, ce qui lui permet de gagner ou de perdre de l’énergie. Les contrôleurs des engins spatiaux ont en fait été capables d’utiliser la gravité d’une planète pour rediriger un engin spatial de survol vers une seconde cible. Par exemple, Voyager 2 a utilisé une série de rencontres assistées par la gravité pour effectuer des survols successifs de Jupiter (1979), Saturne (1980), Uranus (1986) et Neptune (1989). Le vaisseau spatial Galileo, lancé en 1989, a survolé Vénus une fois et la Terre deux fois afin d’acquérir l’énergie nécessaire pour atteindre son objectif final, à savoir orbiter autour de Jupiter.
Si nous voulons nous mettre en orbite autour d’une planète, nous devons ralentir le vaisseau spatial à l’aide d’une fusée lorsqu’il est proche de sa destination, ce qui lui permet d’être placé sur une orbite elliptique. Une poussée supplémentaire de la fusée est nécessaire pour faire descendre le véhicule de son orbite et le faire atterrir à la surface. Enfin, si un voyage de retour vers la Terre est prévu, la charge utile au sol doit inclure suffisamment de puissance propulsive pour répéter l’ensemble du processus en sens inverse.