N 6 - LE CENTRE SPATIAL GUYANAIS, PORT SPATIAL DE L'EUROPE COMPLEMENTS D INFORMATION Les différentes orbites terrestres La variété des missions spatiales dédiées aux satellites exige l utilisation de nombreuses trajectoires. Déterminées par la vitesse communiquée au point d injection P (correspondant au moment où le lanceur se sépare du satellite), ces trajectoires se divisent en trois catégories : soit la vitesse est trop faible et le satellite retombe sur Terre, en décrivant un mouvement de chute parabolique ; soit la vitesse est égale à la vitesse de satellisation, définie en fonction de l altitude, et le satellite se place sur une trajectoire circulaire (1). Si la vitesse est légèrement supérieure, la trajectoire sera elliptique, avec pour périgée le point d injection P (2) ; soit la vitesse atteint une vitesse dite de libération et le satellite part pour un voyage sans retour dans l espace (3 et 4). 2011 Ministère de l'éducation nationale, de la jeunesse et de la vie associative - Direction générale de l'enseignement scolaire On peut s intéresser plus précisément aux trajectoires circulaires et elliptiques (1 et 2). On les appelle les «orbites terrestres». Elles aussi se séparent en plusieurs catégories, aux usages très différents pour les engins spatiaux. Leur intérêt varie en fonction de plusieurs critères : l altitude, la fréquence de survol, l éclairement et la zone géographique à étudier. 1
CNES - Direction des lanceurs Christophe Bonnal L orbite géostationnaire : situé à 35 786 km d altitude, un satellite géostationnaire nous apparait immobile. En réalité, il évolue à plus de 10 000 km/h dans le plan de l équateur, et effectue comme la Terre une orbite complète en 23 h 56 min. Avec une vaste vue d ensemble, les satellites géostationnaires sont un relai idéal pour les télécommunications et forment un réseau de surveillance pour les prévisions météorologiques. L orbite héliosynchrone (ex. : l orbite SSO) : un satellite héliosynchrone passe toujours à la même heure solaire au-dessus d un même point. Le plan de l orbite conserve toujours la même orientation par rapport au Soleil. Cette orbite est d un grand intérêt pour l observation de la Terre : elle permet d observer une même région dans des conditions d éclairement similaires à chaque passage. L orbite polaire (ex. : l orbite SSO) : à une altitude généralement assez basse, un satellite en orbite polaire survole les pôles à chaque révolution. Avec une inclinaison proche de 90, il survole la quasi-totalité de la Terre et est de ce fait très intéressant pour l observation de la Terre. Principaux types d orbite terrestre utilisés Orbite Altitude Missions possibles Orbite circulaire basse LEO (Low Earth Orbit) Orbite circulaire moyenne MEO (Medium Earth Orbit) Orbite circulaire géostationnaire GEO (Geostationary Earth Orbit) 250 1 500 km 10 000 30 000 km 35 786 km 2 Observation de la Terre, météo, télécommunications (constellations) Télécommunications (constellations), positionnement par satellites, missions scientifiques Télécommunications, positionnement par satellites, missions scientifiques Orbite elliptique 800 27 000 km Télécommunications Orbite hyperbolique Source : site CNES. Jusqu à plusieurs millions de km Missions interplanétaires
Havt M. / Questmachine.org CC 2.0 MEDIAGRAPHIE Le site du Centre spatial guyanais www.cnes-csg.fr Le site du Centre national d études spatiales www.cnes.fr Le site de la société de lancement de satellites www.arianespace.com Site encyclopédique sur l aérospatiale www.capcomespace.net Site de ressources éducatives sur les sciences spatiales www.educnet.education.fr/orbito Espace grand public de l Observatoire de Paris www.grandpublic.obspm.fr Site «traqueur» de satellites www-angler.larc.nasa.gov/predict/ «Les satellites, à quoi ça sert?», TDC, n 895, 1 er mai 2005. Capderou Michel, Satellites, orbites et missions, Paris, Éditions Springer-Verlag, 2002. 3
POINTS DE PROGRAMME Physique, terminale S (BO spécial, n 31 du 29 aout 2002) Enseignement obligatoire : - Mouvements plans, satellites et planètes Enseignement de spécialité : - Produire des signaux, communiquer Physique chimie, première S Comprendre, formes d énergie et principe de conservation, les différentes formes d énergie Physique chimie, seconde L univers, la gravitation universelle/la pesanteur terrestre PISTES PEDAGOGIQUES En terminale S, l enseignant pourra se servir du support de l affiche pour aborder le chapitre des lois de Kepler. Soit en guise d introduction, en tant que support à la discussion en classe ; soit comme une conclusion du chapitre, où il peut reprendre les éléments de l affiche et les rattacher aux points évoqués dans le chapitre. Quels sont les avantages géographiques de Kourou? Il pourra aussi détailler l importance de l industrie aérospatiale dans un monde de télécommunications et de géolocalisation. Il pourra aussi s aider d un logiciel d orbitologie très intéressant, conçu pour un usage dans le secondaire : Solstice. Ce logiciel est gratuit et disponible à l adresse suivante : http://www.educnet.education.fr/orbito/orb/logiciel/logi11.htm. Dans le cadre des programmes de physique proprement dits, ou dans le cadre de travaux personnels encadrés, on pourra faire le choix d exploiter de façon plus ou moins poussée les possibilités offertes par ce produit. Théorème du centre d inertie, action-réaction, interaction gravitationnelle, forces de frottements, lois de Kepler, mouvements de solides soumis à une force centrale, mouvement des satellites, sont autant de thèmes qui peuvent être approfondis (ou simplement illustrés) à l aide de l étude du lancement d une fusée ou de l orbitographie. 4
Proposition d activité, terminale S On va s intéresser à l encadré «l effet de fronde». 1. Le texte précise : «C est à l équateur que la vitesse de rotation de la Terre est la plus grande.» Justifier pourquoi. Calculer la vitesse de rotation au pôle Nord, à Paris et à l équateur. Données : Paris se situe à une latitude de 49 N. Le rayon de la Terre à l équateur est de 6 378 km. La Terre est supposée sphérique. Chaque point de la Terre parcourt en une journée une distance égale à la circonférence de la Terre en ce point. Au pôle Nord géographique, la vitesse de rotation est donc nulle, puisqu on se trouve sur l axe de rotation. À l équateur, la circonférence terrestre vaut C équateur = 2π x R terre. D où une vitesse de rotation V équateur = 2π x R terre exprimée en km par jour. Il reste à faire les conversions pour obtenir une valeur en m par seconde. Application numérique : la vitesse de rotation à l équateur est de 464 m/s. Pour Paris, il faut d abord calculer la valeur de la circonférence de la Terre. Par définition de la latitude, on a R paris = R terre x cos (latitude). D où C paris = 2π x R terre x cos (latitude) On a donc la vitesse de rotation à Paris définie par la relation V paris = 2π x R terre x cos (latitude) exprimée en km par jour. Application numérique : la vitesse de rotation à l équateur est de 307 m/s. 2. «Ariane profite de cette poussée supplémentaire gratuite». Expliquer. Avant de décoller, le satellite, confortablement installé dans la coiffe de la fusée sur le pas de tir et donc immobile dans un repère terrestre (par rapport à la surface de la Terre), possède déjà 5,7 % de la vitesse nécessaire pour une orbite basse (à savoir 28 800 km/h). Mais il faut bien voir que ce gain de vitesse (par rapport à d autres bases de lancement) n est totalement utilisé que pour les orbites équatoriales. Pour les autres orbites (inclinées), un facteur incluant l angle d inclinaison vient diminuer cette plus-value. 3. Dernier point : la charge utile que peut emporter le lanceur. «Lancée depuis Kourou, Ariane 5 peut transporter 6 tonnes. Ce chiffre passerait à 5 tonnes si elle était lancée de Cap Canaveral et à 3,5 tonnes depuis Baïkonour.» Expliquer. Données : latitude de Cap Canaveral : 28 N, latitude de Baïkonour : 45 N, latitude de Kourou : 5 N. La fusée Ariane 5 est capable de transmettre une énergie constante pour transporter les charges utiles, où qu elle se trouve sur la Terre. Elle le fait sous forme d énergie cinétique. Ainsi la valeur ½ Mv² pour la charge utile est constante. On a vu dans la première question que l apport de l effet de fronde variait en fonction de la latitude. 5
Les différences de masse transportables par Ariane 5 s expliquent donc par les différences de vitesse de rotation de la Terre aux différentes bases de lancement. Et le rapport entre les masses est proportionnel au rapport entre le carré des vitesses, pour garantir une énergie cinétique constante. On peut résumer les résultats dans le tableau suivant : Base Latitude V rotation (en fonction de V rotation équateur ) Masse équivalente Kourou 5 0,99 6 t Cap Canaveral 28 0,78 4,7 t Baïkonour 45 0,5 3 t On retrouve à peu près les résultats de l affiche. Les différences obtenues résultent de l absence de prise en compte des variations de la valeur de la pesanteur terrestre en fonction de la latitude. La constante gravitationnelle, g, est plus grande à l équateur qu aux pôles. AUTEURS Conception de l'affiche : Gregory Syoën Accompagnement pédagogique : Agnès Deslis PANNEAU REALISE AVEC LE CONCOURS DE : CNES Copyright Scérén-CNDP, 2011 6