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1 Sommaire CHAPITRE 1 LE MARCHE DE L ESPACE AUJOURD HUI QUELQUES CHIFFRES LA CONQUETE N EST PLUS LE SEUL MOTEUR DE L ACCES A L ESPACE QUI SE PARTAGE LE MARCHE DU SPATIAL?... 7 CHAPITRE 2 PREMIERES NOTIONS ET VOCABULAIRE LES ACTEURS D UN LANCEMENT SPATIAL QU EST-CE QU UNE ORBITE? POURQUOI LES SATELLITES TOURNENT-ILS AUTOUR DE LA TERRE? ORBITES CIRCULAIRES ET ELLIPTIQUES LES VITESSES DES SATELLITES LES ORBITES EN FONCTION DE L ALTITUDE LES ORBITES EN FONCTION DE LEUR TRAJECTOIRE VUE DE LA TERRE LES ORBITES EN FONCTION DE LEUR PERIODE IMPORTANCE DE LA ROTATION DE LA TERRE QUI ORGANISE ET GERE LES ORBITES DES SATELLITES? CARACTERISTIQUES PRINCIPALES D UN LANCEUR CHAPITRE 3 LES AGENCES SPATIALES ET LEURS BASES DE LANCEMENT CONTRAINTES DES BASES DE LANCEMENT L AGENCE SPATIALE EUROPEENNE (ESA) L AGENCE SPATIALE AMERICAINE (NASA) L AGENCE SPATIALE RUSSE (ROSKOSMOS) L AGENCE SPATIALE CHINOISE (CNSA) L AGENCE SPATIALE JAPONAISE (JAXA) L AGENCE SPATIALE INDIENNE (ISRO) L AGENCE SPATIALE BRESILIENNE (INPE + AEB) L AGENCE SPATIALE IRANIENNE L AGENCE SPATIALE ISRAELIENNE (ISA) LA PLATE-FORME SEA LAUNCH NARO SPACE CENTER (COREE) SPACE X SAN MARCO LAUNCH PAD ORIENTATION DES TIRS DES BASES DE LANCEMENT CHAPITRE 4 STRATEGIE AUTOUR DES LANCEURS UN LANCEUR N EST PAS UNE BICYCLETTE LE MARCHE DES LANCEURS STRATEGIE POUR LES NATIONS QUI SOUHAITENT ACCEDER A L ESPACE STRATEGIE INITIALE DE CONCEPTION D UN LANCEUR STRATEGIE D INDUSTRIALISATION STRATEGIE AUTOUR DU CHOIX DU LANCEUR PAR LE CLIENT CHAPITRE 5 MECANIQUE ET PHYSIQUE DES VOLS ELEMENTS THEORIQUES AUTOUR DE LA VITESSE TRAINEE AERODYNAMIQUE PORTANCE CENTRE DE MASSE ET CENTRE DE GRAVITE CENTRE DE POUSSEE AERODYNAMIQUE (CPA) CONTRAINTES MECANIQUES LIEES A LA VITESSE DES LANCEURS STABILITE DU LANCEUR EN VOL EVOLUTION DES CONTRAINTES ET FORCES PENDANT LE VOL TRAJECTOIRE DU VOL D UNE FUSEE COMMENT UN LANCEUR OU UN SATELLITE SAIT-IL OU IL SE TROUVE? STABILISATION ET ORIENTATION DU SATELLITE STRATEGIES AUTOUR DE L ORBITE GTO INJECTION DU SATELLITE EN GTO INJECTION FINALE EN GEO FENETRE DE TIR PROBLEMATIQUE DE LA SEPARATION DE LA COIFFE

2 4 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 5.17 POURQUOI DES FUSEES A ETAGE? CHAPITRE 6 TECHNOLOGIES DE PROPULSION OBJECTIF DE LA PROPULSION POURQUOI UN BESOIN SPECIFIQUE DE PROPULSION? LA PROPULSION COMME REACTION PHYSIQUE LA PROPULSION ISSUE D UNE REACTION CHIMIQUE CHAMBRE DE COMBUSTION ET TUYERE LES MOTEURS SERVENT EGALEMENT A ORIENTER LE LANCEUR COMBUSTION, CARBURANT, COMBURANT DEBIT, POUSSEE, TONNES, NEWTONS, IMPULSION SPECIFIQUE PROPERGOLS SOLIDES PROPERGOLS LIQUIDES PROPULSION ELECTRIQUE VOILE SOLAIRE BILAN DES PROPERGOLS EMBARQUES SUR ARIANE BILAN DES QUALITES DE MOTORISATION NECESSAIRES SUIVANT LES PHASES DE VOL CHAPITRE 7 COMMUNIQUER AVEC LES SATELLITES BANDE PASSANTE, PUISSANCE ET VOLUME A TRANSFERER QUELLES COMMUNICATIONS ET VERS QUOI? IMPORTANCE DES BANDES DE FREQUENCE UTILISEES LES ANTENNES LA MESURE QUANTITATIVE DE LA PUISSANCE D UN SIGNAL LA PERTURBATION DU SIGNAL LES TRANSPONDEURS : LA CLE DE LA COMMUNICATION DELAIS DE TRANSMISSION VIA UN SATELLITE REPARTITION DE LA CAPACITE TOTALE DE COMMUNICATION D UN SATELLITE BILAN DE L OPTIMISATION DE L UTILISATION D UN SATELLITE CHAPITRE 8 TECHNOLOGIE DES SATELLITES PLATES-FORMES DE SATELLITE ALIMENTATION ELECTRIQUE PROTECTION CONTRE LES VARIATIONS DE TEMPERATURE OPERATIONS DE TELEDETECTION MAINTIEN A POSTE D UN SATELLITE ENTRETIEN ET RAVITAILLEMENT DES SATELLITES EN ORBITE MISE EN ORBITE DE FIN DE VIE CHAPITRE 9 DECOLLAGE! PREPARATION DU VOL PROTECTION DU LANCEUR COMPTE A REBOURS REMPLISSAGE DES RESERVOIRS SEQUENCE D ALLUMAGE DES MOTEURS PHASES DE VOL CHAPITRE 10 MISSIONS DANS LE SYSTEME SOLAIRE PROBLEMATIQUE DE CE TYPE DE VOL ASSISTANCE GRAVITATIONNELLE POUR AUGMENTER LA VITESSE ASSISTANCE GRAVITATIONNELLE POUR REDUIRE LA VITESSE MISSIONS INTERPLANETAIRES AVEC PLUSIEURS ASSISTANCES GRAVITATIONNELLES MISSIONS EN DEHORS DU SYSTEME SOLAIRE POINTS DE LAGRANGE CHAPITRE 11 TOUT NE FONCTIONNE PAS TOUJOURS COMME PREVU PANNE D UN DES SOUS-SYSTEMES D UN SATELLITE APOLLO XIII : REVENIR RAPIDEMENT OU TOURNER AUTOUR DE LA LUNE? GALAXY 15, UN SATELLITE A LA DERIVE VOLS RATES DE ARIANE 5 ET IMPORTANCE DES INFORMATIONS EN VOL LA COIFFE DU LANCEUR NE SE SEPARE QU A MOITIE

3 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 5 Chapitre 1 LE MARCHE DE L ESPACE AUJOURD HUI 1.1 QUELQUES CHIFFRES Un peu plus de 150 engins sont lancés vers l espace chaque année, ce qui inclut les satellites placés en orbite, les sondes interplanétaires et les engins de ravitaillement à destination de la station spatiale internationale. Les fusées actuelles permettant pour la plupart de lancer plusieurs satellites simultanément, le nombre de lancement par an est donc inférieur et tourne autour de 70 tirs. Ce marché semble faible en volume, mais est gigantesque en termes de chiffre d affaire réalisé : plusieurs centaines de milliards de dollars par an pour la construction, le lancement et le suivi des satellites. 1.2 LA CONQUETE N EST PLUS LE SEUL MOTEUR DE L ACCES A L ESPACE 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. L espace civil est le premier pourvoyeur du budget spatial avec des objectifs différents selon les participants : Agence spatiales : Financer une partie des programmes spatiaux des états ou associations d états en donnant accès à ses infrastructures ou en mettant en orbite des engins pour le compte d autres états ou sociétés privées Pays spatialement émergents : Profiter d une position proche de l équateur pour créer de toute pièce une base de lancement idéale pour les lancements géostationnaires Société privées : Intervenir comme opérateur sur le marché des lancements pour fournir clé en main des mises en orbite, en collaboration avec des agences spatiales, des fabricants de fusées, etc.

4 6 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités C est un tournant pour ce marché de l espace qui a vu en vingt ans ses financements passer majoritairement du public au privé L espace et le domaine de l observation C est le domaine qui monopolise le plus les lancements, et qui amène souvent un pays à se lancer dans l aventure spatiale. Deux domaines sont privilégiés car ils ont un impact économique fort sur les pays qui disposent de ces moyens : La prévision météorologique : critique pour assister l agriculture à court et moyen terme, éviter les désastres climatiques (inondations, tornades, etc.) L observation du territoire : autant pour observer les cultures que les risques écologiques, les évolutions de l hydrographie, etc L espace et le domaine de la communication Ce domaine couvre tout ce qui est téléphonie, Internet et télévision. Les satellites sont majoritairement placés sur des orbites géostationnaires pour couvrir en permanence des zones très précises sur Terre. La multiplication des offres dans tous les pays fait de ce marché un des plus importants pour les opérateurs de lancement, d autant que les tirs doivent à la fois : être précis pour placer le satellite en bonne position : cela permet d éviter de gaspiller son carburant pour le positionner et ainsi allonger sa durée de vie réaliser un lancement en douceur : les satellites sont fragiles et ne peuvent pas être réparés de façon rentable en orbite L espace et le domaine de la localisation Deux réseaux de géo localisation sont actifs depuis plusieurs années : L un Américain, le réseau GPS L autre Russe, le réseau GLONASS Un troisième réseau, Européen, devrait être disponible dans les années à venir : le réseau GALILEO. Ces réseaux ont en commun leur mode de fonctionnement et utilisent chacun une flotte de plusieurs dizaines de satellites. La géolocalisation se fait en comparant des signaux basés sur des horloges extrêmement précises, émis par plusieurs satellites et reçus depuis un point du globe. La maintenance et l évolution du service rendu par ces systèmes de géolocalisation nécessitent de compléter fréquemment la flotte déjà en orbite par de nouveaux satellites. L importance de la géolocalisation est telle aujourd hui que bien des services seraient perturbés si le système GPS, le plus utilisé, tombait en panne : Transport (positionnement des avions, etc.) Secours (positionnement précis des bateaux en détresse, etc.) Travaux publics (Précisions des tracés d ouvrage, etc.) Prospection minière, agriculture, etc L espace et le domaine de la recherche L espace a donné une nouvelle dimension à la recherche scientifique. Si les lancements sont moins nombreux, ils sont toujours plus complexes : Les expériences embarquées nécessitent des lancements en douceur pour ne pas être endommagées Le positionnement sur une trajectoire donnée, ou à un endroit de l espace précis, impose une rigueur plus grande qu à l habitude Le format parfois inhabituel de l engin à placer en orbite peut nécessiter des adaptations spécifiques La variété des missions est à l échelle de l imagination du monde scientifique : Satellites d observation : mesures de la hauteur des mers, analyse de l atmosphère, suivi de la magnétosphère, etc.

5 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 7 Missions de découverte du système solaire : vers les planètes, le soleil, les astéroïdes, les comètes, Satellite d observation astronomique : placés sur des orbites complexes en fonction des résultats attendus (dos au soleil et protégés par la Terre pour les observatoires infrarouges, etc.) L espace et le domaine militaire S il a été la raison première de la conquête spatiale, le domaine militaire n est plus aujourd hui le pourvoyeur de fond du marché spatial. Trois objectifs majeurs, spécifiques au spatial militaire : La communication sécurisée à travers des satellites de communication privés : ces satellites peuvent avoir des orbites géostationnaires pour couvrir une partie spécifique du globe L espionnage photographique et audio : les satellites sont envoyés en basse altitude pour plus de précision ce qui écourte leur durée de vie. Ils sont aussi fréquemment remplacés pour intégrer de nouvelles technologies. La détection rapide : Les satellites sont en charge de détecter le plus rapidement possible d éventuels tirs de missiles balistiques L envoi d armes complexes dans l espace tient plus du fantasme cinématographique que de la réalité. Des essais d engins suicides ont été réalisés, ainsi que des destructions par missiles depuis le sol, ou par tirs lasers depuis d autres satellites, mais ils sont aujourd hui régulés par les chartes spatiales afin de limiter les déchets en orbite, dangereux pour les engins et pour les hommes dans l espace. Le marché militaire est par nature discret et il est assez difficile de définir précisément le nombre de lancements annuels. Les évaluations se font par le biais des observations de nombreux groupes civils qui analysent en permanence les traces laissées par les objets en orbite. Les paramètres orbitaux des nouveaux objets détectés donnent des informations sur l altitude, l inclinaison, et de là le site potentiel de lancement, voire le lanceur utilisé! On est toutefois bien loin des premières missions d espionnage où les photographies étaient prises sur des pellicules argentiques : il fallait récupérer rapidement le satellite pour les étudier, ce qui impliquait des missions extrêmement courtes et des lancements très fréquents. 1.3 QUI SE PARTAGE LE MARCHE DU SPATIAL? A la fin de la seconde guerre mondiale, la situation était relativement simple : Russes et Américains s engageaient dans une course à l espace et aux missiles balistiques sous couvert du secret militaire (ils produisaient leurs propres fusées et en assuraient le lancement) Quelques rares pays se lançaient plus modestement dans la course, toujours sous le sceau du secret (France, Angleterre, etc.) Lentement, les agences d état comprennent que les lancements civils liés aux besoins croissants d observation et de communication apporteront le financement nécessaire aux programmes de recherche et militaires. Elles s ouvrent alors au domaine civil. L ESA (Agence Spatial Européenne) née en 1975 de l accord de 17 pays en est un bon exemple : la France seule ne pouvait devenir un acteur majeur malgré ses compétences et son expérience. En regroupant les forces de plusieurs états, l ESA devient rapidement incontournable face aux Américains et aux Russes. Après la chute de l Union Soviétique, la situation change totalement. Le coût de son programme spatial n est plus supportable par la Russie qui doit s ouvrir aux industries de l ouest pour financer ses projets : Les anciens missiles balistiques deviennent de pacifiques et efficaces lanceurs, Les bases de lancement autrefois secrètes s ouvrent aux consortiums étrangers qui proposent alors des «forfaits» de lancement allant de la construction du lanceur au suivi de la mise en orbite. Les agences d état ne sont définitivement plus les seules en course et agissent soit comme un client à part entière sans capacité propre de lancement, soit en finançant ou gérant des bases de lancement afin de garantir les niveaux de qualité requis et maîtriser leur calendrier. Elles doivent travailler en relations étroites avec : Les consortiums privés opérateurs de lancement : Ils organisent de bout en bout le placement en orbite d une charge utile, de la construction de la fusée au lancement

6 Chapitre 2 VOCABULAIRE PREMIERES NOTIONS ET Cette section présente rapidement les termes et les concepts techniques simplifiés nécessaires à la compréhension des chapitres suivants, notamment concernant le marché des lanceurs spatiaux. Ces sujets seront ensuite approfondis dans des chapitres spécifiques. Les schémas de ce livre ne sont pas forcément à l échelle car dans ce cas ils seraient souvent illisibles et ne garantiraient pas une bonne compréhension. Voici donc un schéma à l échelle qui vous permettra de comparer. Figure 5 Schéma à l échelle des éléments en jeu

7 12 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Les schémas de ce livre utilisent deux façons de représenter la Terre, qui dépendent simplement du point de vue adopté : Vue de dessus qui montre le pôle nord Vue de face qui montre l équateur et les deux pôles Figure 6 La Terre vue de face et de dessus 2.1 LES ACTEURS D UN LANCEMENT SPATIAL Le lanceur est la fusée qui emportera l engin en orbite et en garantira le positionnement initial correct. La base de lancement (ou centre spatial) est le lieu d où partira la fusée. Il comprend des installations qui permettent non seulement le lancement, mais également sa préparation, son suivi, etc. L aire de lancement (ou pas de tir, complexe de lancement) est la zone spécifique du centre de lancement d où va décoller le lanceur. Il comprend une tour ou un silo, des capacités d approvisionnement en carburant pour la fusée, etc. Le satellite ou la sonde interplanétaire est l objet qui va être mis en orbite par le lanceur. Figure 7 Les acteurs d un lancement spatial

8 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités QU EST-CE QU UNE ORBITE? L orbite est la trajectoire que décrit un objet qui tourne autour d un autre objet. Dans le cadre de ce livre, nous traiterons principalement des satellites artificiels qui tournent autour de la Terre. Nous verrons que la forme de ces orbites peut être très variée (circulaire, elliptique) et qu elle détermine pour beaucoup la durée de vie de l engin et les fonctions qu il pourra remplir. Mettre un objet en orbite représente l action de placer cet objet qui se trouve sur Terre : A une certaine altitude A une certaine vitesse Dans une certaine direction initiale (inclinaison) Sans action interne (moteur) ou externe (choc), ces trois paramètres détermineront l orbite suivie par l objet qui a été lancé. Figure 8 Qu est-ce qu une orbite? Inclinaison de l orbite L inclinaison de l orbite représente l angle que fait la trajectoire du satellite avec le plan de l équateur terrestre. L inclinaison est avec l altitude l une des caractéristiques les plus importantes d un engin en orbite : elle va définir en grande partie l usage que l on pourra faire du satellite. Certaines inclinaisons sont plus recherchées que d autres, notamment à haute altitude car elles confèrent au satellite une immobilité vis-à-vis des points d observation sur Terre. Figure 9 Notion d inclinaison de l orbite

9 14 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Quel que soit l inclinaison adoptée, le satellite effectue à chaque rotation : un passage en direction du pôle nord : phase ascendante qui croise le plan équatorial au nœud ascendant un passage en direction du pôle sud : phase descendante qui croise le plan équatorial au nœud descendant Figure 10 Nœud ascendant et nœud descendant Un satellite tourne-t-il indéfiniment autour de la Terre? En mouvement autour de la Terre, le satellite n est pas propulsé, mais en déplacement permanent à une vitesse qui lui a été communiquée par la fusée qui l a placée en orbite, ou par une accélération créée par un allumage temporaire de son propre moteur. Evoluant à des altitudes où seules quelques molécules subsistent, le satellite est très peu freiné. Un satellite en orbite à quelques centaines kilomètres d altitude mettra plusieurs centaines d années avant de se désintégrer dans l atmosphère Quelques opérations impossibles pour un satellite Un satellite n est pas un avion, ce qui implique qu il ne dispose pas des moyens de propulsion suffisant pour réaliser certaines manœuvres. Il lui est donc impossible de : Faire demi-tour et repartir dans le sens inverse : à une même altitude, les satellites tournent tous dans le même sens Effectuer un virage brutal : les modifications de trajectoire sont des opérations longues à mettre en place et coûteuses en énergie S immobiliser : conserver son altitude implique pour le satellite de conserver sa vitesse. Réduire sa vitesse modifiera immédiatement la forme de son orbite et son altitude Peut-on changer l altitude d une d orbite? Il est tout à fait possible pour un satellite de changer d altitude, tout en conservant son inclinaison, mais cela se fait au détriment de sa durée de vie : Changer d orbite nécessite d utiliser du carburant qui est embarqué au lancement du satellite Ce carburant est limité et il n est pas possible de refaire le plein Cette opération est nécessaire à trois étapes de la vie du satellite : Au lancement pour le placer à l altitude souhaitée Au cours de sa vie pour ajuster son altitude En fin de vie pour le placer sur une orbite de rebus

10 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 15 Au lancement, un satellite va devoir rejoindre son altitude de fonctionnement. Cette opération est à la fois : coûteuse en énergie et nécessite une propulsion assez puissante pour cette action qui ne sera théoriquement réalisée qu une seule fois dans la vie du satellite. La masse liée au système de propulsion est ensuite une charge passive le reste de la vie du satellite Pour les orbites basses, certains lanceurs peuvent injecter le satellite directement à l altitude souhaitée : cela représente un gain de poids (propulsion) et d énergie (carburant) qui permet de prolonger la durée de vie du satellite. Pour les orbites plus élevées, et notamment les orbites géostationnaires il est impossible pour les lanceurs d injecter les satellites à la bonne altitude. Ils se contentent de placer le satellite sur une trajectoire elliptique avec l inclinaison souhaitée, qui croisera l altitude visée. Arrivée à l altitude prévue de fonctionnement, le satellite se circularisera (passera d une orbite elliptique à une orbite circulaire) par ses propres moyens. Il utilise pour cela un moteur intégré et une réserve de carburant. Nous verrons plus loin dans ce livre pourquoi ces opérations sont complexes et coûteuses. Au cours de sa vie, un satellite sera amené à faire de nombreuses corrections de trajectoire car il aura naturellement tendance à dévier de sa trajectoire. Ce sont ces opérations, souvent mensuelles voire hebdomadaires, qui vont consommer le carburant embarqué par le satellite et ainsi déterminer sa durée de vie : quand il n y aura plus de carburant pour réaliser ces corrections, le satellite ralentira et déviera de sa position, jusqu à être inutilisable. Il passera d abord sur des orbites où il sera de moins en moins efficace par rapport à sa finalité première, puis ensuite sur des orbites tellement basse que son ralentissement sera de plus en plus marqué jusqu à se désintégrer dans les hautes couches de l atmosphère. Il faudra aussi prendre en compte les approximations de trajectoire car même si l orbite initiale est très précise par rapport à l objectif, elle ne peut pas être parfaite. Après plusieurs milliers d orbites, de petites corrections doivent être réalisées pour retrouver une orbite idéale. En fin de 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 (on parle parfois en centaines d années ) sa désintégration dans les hautes couches de l atmosphère. Figure 11 Peut-on changer l altitude d une orbite? Peut-on changer l inclinaison d une orbite? Cette opération est encore plus coûteuse et réduit souvent de plusieurs années la durée de vie d un satellite tant l énergie nécessaire est importante.

11 16 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Les cas où ce choix est fait sont peu nombreux : il s agit souvent d une décision de la dernière chance pour ne pas perdre totalement un engin. Quand l injection n a pas été suffisamment précise et que l inclinaison ne correspond pas à l orbite cible, le satellite ne pourra pas remplir ses objectifs. Il peut même se trouver sur une orbite qui : Le ramènera rapidement dans les hautes couches de l atmosphère et le détruira Est dangereuse pour d autres satellites en termes de perturbation des communications plus que de risque de collision Dans ce cas il n y a pas le choix, il vaut mieux réduire la durée de vie du satellite que de risquer de le perdre définitivement. Figure 12 Peut-on changer l inclinaison d une orbite? Importance de la précision de l orbite Chaque satellite est conçu et construit pour un objectif clairement défini : il devra être positionné sur une orbite la plus précise possible afin de remplir sa mission. C est pourquoi le choix du lanceur est important : il doit garantir l atteinte de cette orbite, sans endommager le satellite, et sans nécessiter une sur utilisation du carburant embarqué. C est aujourd hui le principal critère mis en avant par les opérateurs pour se différencier de leurs concurrents (avec la sécurité et la confidentialité) Caractéristiques principales d une orbite En simplifiant, trois caractéristiques principales permettent de définir une orbite : Son altitude : c est la distance qui sépare l orbite de la surface de la Terre Sa forme : elle peut être circulaire ou elliptique Son mouvement par rapport à la Terre : est-ce qu elle tourne sur le plan de l équateur? Est-ce qu elle passe tous les jours au-dessus des pôles?

12 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités POURQUOI LES SATELLITES TOURNENT-ILS AUTOUR DE LA TERRE? Attraction des objets et loi de la gravitation Prenez une pierre, tenez la dans votre main, bras tendu puis lâchez là : elle va tomber vers le sol. Vous pouvez répéter cette expérience autant de fois que vous le voulez, elle tombera irrémédiablement vers le sol. Depuis l antiquité, cette observation a intrigué de nombreux savants. En réalité, la pierre n a pas conscience de la trajectoire qu elle doit suivre et ne décide bien entendu pas de se diriger vers le sol. Cette explication basée sur l ordre des choses a longtemps prévalue et 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. Figure 13 Quand une pomme tombe Dans le couple Pomme / Terre, la Terre pèse fois plus que la pomme (dix millions de milliards de milliards fois plus!) ce qui rend négligeable (mais non nulle) l attraction liée à la pomme. Pour des couples plus équilibrés comme la Terre et la Lune (la Terre n est que 81 fois plus lourdes que la Lune), l attraction obéit à cette même loi. La trajectoire du couple est alors un ballet plus équilibré où chacun agit sur l autre en fonction de sa masse : La Lune tourne autour de la Terre en 28 jours Et la Lune influe sur la trajectoire de la Terre en orbite autour du Soleil. Cette trajectoire n est pas une ellipse parfaite mais ondule légèrement suivant que la Lune se trouve entre la Terre et le Soleil ou à l opposé du soleil.

13 18 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 14 Chaque objet attire l autre en fonction de sa propre masse On retrouve également cette variation d orbite dès que des objets massifs dominent mais que des corps plus petits peuvent également perturber une trajectoire très localement. Saturne possèdent de nombreux objets assez gros dans ses anneaux dont les trajectoires sont perturbées par d autres corps eux aussi orbitant dans ces anneaux. Figure 15 Perturbation gravitationnelle dans les anneaux de Saturne

14 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Loi du carré inverse et gravitation Plus les objets sont éloignés, moins l influence de la gravitation entre deux objets sera importante. Cette différence est d autant plus importante qu elle varie en fonction de ce que l on appelle la loi du carré inverse. C est un concept important en physique car il touche entre autres la diffusion du son et des ondes, de la lumière et des forces : L attraction gravitationnelle : c est une force qui agit entre deux objets, et qui dépend de leurs masses respectives et de leur distance La lumière : un objet est d autant moins lumineux que l on s en éloigne Le son : un son est d autant moins audible que l on s éloigne de sa source La diminution de la puissance constatée de ces phénomènes n est pas régulière, mais diminue comme l inverse du carré : en doublant la distance, on diminue par quatre la puissance en décuplant la distance, on la diminue par cent! Prenons l exemple du soleil. Il émet de la lumière sous forme de photons que l on peut assimiler (pour simplifier) à des rayons lumineux se déplaçant en ligne droite. Ces rayons lumineux voyagent en ligne droite et sont en quantité bien définie à un instant donné : A une distance D du soleil, ces rayons vont se répartir sur une surface donnée Si on double cette distance, ce n est pas sur une surface doublée mais sur une surface quadruplée que ces rayons vont se répartir Et si on triple cette distance, ils se répartiront sur une surface multipliée par neuf La conséquence est que l énergie par unité de surface est beaucoup moins importante au fur et à mesure que l on s éloigne : la lumière émise par le soleil est répartie sur une surface plus grande. Pour la force d attraction gravitationnelle, l effet est identique. Un corps de même masse subira cent fois moins l attraction d un autre corps s il est dix fois plus éloigné. Figure 16 Loi du carré inverse La loi du carré inverse se retrouve dans la vie de tous les jours : Le son : à dix mètre d un orchestre on l entend cent fois moins bien qu à un mètre. La lumière : Un flash d appareil photo éclaire 100 fois moins un objet placé à 10 mètre qu un objet placé à 100 mètres

15 20 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 17 Loi du carré inverse dans la vie quotidienne L altitude à laquelle orbite un satellite aura donc un impact sur la force gravitationnelle exercée par la Terre sur celui-ci. Plus il sera sur une orbite éloignée, et plus la force exercée sera faible. Pour se libérer de l attraction de la Terre, le satellite aura besoin de moins d énergie. Attention, il ne faut pas en déduire que pour deux satellites de même masse, l un à 200 km d altitude et l autre à km, la force exercée sur eux par la Terre est 100 fois plus faible pour l engin le plus éloigné, même s il se trouve 10 fois plus loin. Le calcul ne doit pas se faire par rapport à la surface de la planète, mais par rapport au centre de la Terre. Avec un rayon terrestre d environ 6 300km, les orbites des deux satellites sont en fait respectivement à 6 500km et 8 300km d altitude (par rapport au centre de la Terre). La différence de la force de gravité sur ces satellites n est donc pas de 100 fois, mais de 1,6! Figure 18 L éloignement joue également sur la force d attraction

16 42 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 2.6 LES ORBITES EN FONCTION DE L ALTITUDE L altitude du satellite impacte sa période de rotation La forme et l altitude de l orbite vont déterminer la longueur de l orbite parcourue par le satellite et de là sa période de rotation autour de la Terre : La vitesse de satellisation de l engin diminue avec la distance à la Terre La longueur de l orbite augmente avec l altitude de l orbite Altitude audessus du sol (km) Distance au centre de la Terre (km) Taille de l orbite (km) Vitesse (km /s) Période de rotation ,8 1h ,9 2h h Le satellite de la Terre le plus connu est sans aucun doute la Lune. A km de la Terre, sa période orbitale est de 27,3 jours. Figure 51 L altitude du satellite impacte directement sa période de rotation Conséquences techniques de l altitude à laquelle opère le satellite De l altitude à laquelle évolue le satellite vont dépendre plusieurs paramètres importants par rapport à la mission qu il doit accomplir : La précision : plus un satellite sera éloigné de la Terre, plus il aura une vue d ensemble, mais moins il pourra fournir de détails La vitesse par rapport au sol : La longueur de l orbite augmente avec l éloignement. Le satellite fera donc d autant moins d orbites dans une journée qu il sera éloigné de la Terre La durée de vie : Plus un satellite est proche de la Terre, plus il subit les frottements causés par les rares atomes encore présents dans les très hautes couches de l atmosphère. En ralentissant il se rapproche de la Terre pour finalement pénétrer en brûlant dans l atmosphère La puissance d émission : le but d un satellite étant toujours de renvoyer des données vers la Terre, la communication sera d autant plus complexe qu il sera éloigné des antennes de réception (algorithmes complexes garantissant que les données pourront être traitées même endommagées, antennes plus puissantes donc plus lourdes, énergie nécessaire supérieure, etc.)

17 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 43 Figure 52 Répartition des orbites avec l altitude Impact de l altitude sur la durée de vie du satellite La limite de l atmosphère est souvent positionnée aux alentours de 120km car c est à cette altitude que les engins qui reviennent sur Terre commencent à s échauffer suite aux frottements (densité de molécules et d atomes qui redevient plus importante). Cela ne veut pas dire qu il n y a plus d atomes ni de molécules à des altitudes supérieures à 120km, mais que leur densité n est plus suffisante pour échauffer les engins se déplaçant à grande vitesse. La densité reste toutefois suffisante pour que les frottements ralentissent les satellites sur le long terme et cette diminution de vitesse entraîne un abaissement de l altitude. Le phénomène de ralentissement s accélère de façon continue, car plus le satellite descend plus les frottements sont importants et plus il perd de vitesse et donc d altitude. Il ne faut pas croire que les couches de l atmosphère et leur densité soient fixées une fois pour toute. L activité solaire peut amplifier considérablement l activité des hautes couches de l atmosphère et permettre à des couches denses d atteindre des hauteurs bien plus importantes que d habitude. Les satellites sont équipés de moyens de propulsion leur permettant de regagner toute ou partie de l altitude perdue et ainsi de prolonger leur durée de vie. Certains satellites espions américains évoluant à 200 km d altitude atteignent ainsi des masses de plus de 16 tonnes, principalement constituées par le carburant embarqué. Sans cela, ces satellites de très haute technologie, vitaux pour le renseignement américain, tiendraient moins de quelques jours en orbite.

18 44 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 53 Impact de l altitude sur la vie du satellite L impact de la traînée atmosphérique sur les orbites elliptiques tend à les ramener vers une forme circulaire : Le freinage se fait principalement au périgée car c est là que l atmosphère est plus dense La vitesse diminuant au périgée, le satellite atteindra l apogée avec une altitude inférieure à l orbite précédente Figure 54 Traînée atmosphérique et orbites elliptiques Sur une orbite circulaire proche de la Terre, le satellite est freiné en continu. Il va perdre de la vitesse et donc de l altitude, et ce d autant plus rapidement qu il se rapproche de la Terre et que la densité de l atmosphère augmente.

19 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités 45 Figure 55 Traînée atmosphérique et orbites circulaire Orbite basse (LEO) LEO = Low Earth Orbit (Orbite Terrestre Basse) De 200 à 2 000km d altitude, les satellites sont considérés comme étant en orbite basse. Un satellite à cette altitude tourne relativement rapidement autour de la Terre : il mettra entre 1h30 et 2 heures pour effectuer une orbite. Il va survoler non pas un seul point du globe mais des bandes beaucoup plus larges, voire la surface complète de la Terre sur plusieurs orbites consécutives. C est l altitude de prédilection de grandes familles de satellites : Espionnage, observation et cartographie : pouvant aller à de très hauts niveaux de détail y compris sur des orbites extra basses où le satellite ne restera que quelques jours Météorologie et scientifique : les satellites qui nécessitent de couvrir régulièrement la surface pour en avoir une vue complète Communication

20 46 Je comprends Enfin! Fusées, satellites et vols spatiaux non habités Figure 56 Orbite basse (LEO) Le satellite ne sera toutefois pas visible plus de 15 minutes successives depuis un point du globe, ce qui empêche les missions de communication permanentes. Depuis un point du globe, si l on souhaite accéder à une classe de satellites en orbite basse de façon permanente, il faut mettre en place une constellation de satellites, c'est-à-dire un nombre suffisant de satellites avec des orbites basses bien réparties, qui garantiront qu à chaque instant, ce point du globe verra au moins un de ces satellites. La gestion des flottes de constellation est complexe car il est difficile de trouver et gérer des orbites disponibles à moins de 2 000km. Les constellations de satellites se trouvent plutôt en orbite moyenne, d autant que l éloignement, même s il rend les lancements plus coûteux, permet aussi de limiter le nombre de satellites nécessaires à une constellation. Deux opérateurs téléphoniques ont toutefois fait le choix de gérer des constellations en orbite basse : GLOBALSTAR : 40 satellites à kilomètres d altitude IRRIDIUM : 66 satellites qui orbitent à 780 km. Une nouvelle génération de 81 satellites est prévue pour les années à venir. Un autre inconvénient est lié à la restitution des données : le satellite n étant pas visible en permanence, il faut profiter de ses rares passages au-dessus des antennes de réception pour en capter les données : Le plus rapidement possible car le temps imparti est de moins de 15 Ou, si l on veut récupérer plus fréquemment les données, en utilisant un réseau de stations d antennes autour du globe afin de disposer de plus nombreuses fenêtres de récupération Orbite moyenne (MEO ou ICO) MEO ICO = Medium Earth Orbit (Orbite Terrestre Moyenne) = Intermediate Circular Orbit (Orbite Circulaire Intermédiaire) Les orbites moyennes se situent de km à kilomètres. La durée des orbites varie de 2h (proche de km d altitude) à 24h (proche de km d altitude). La durée de visibilité d un satellite depuis un point de la Terre augmente, mais la distance augmente également la difficulté de transmission des données (précision, puissance et qualité).

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