3.5 : Mouvements des satellites et des engins spatiaux
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Expliquer comment un objet (tel qu'un satellite) peut être mis en orbite autour de la Terre
- Expliquer comment un objet (comme 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 de la Terre 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.
Une fois qu'un satellite artificiel est en orbite, son comportement n'est pas différent de celui d'un satellite naturel, tel que notre Lune. Si le satellite est suffisamment haut pour être exempt de toute friction atmosphérique, il restera en orbite pour toujours. Cependant, bien qu'il ne soit pas difficile de maintenir un satellite une fois qu'il est en orbite, il faut beaucoup d'énergie pour soulever l'engin 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 dans la Figure\(\PageIndex{1}\), qui a été adaptée d'un schéma similaire par Newton. Imaginez, en outre, que la friction de l'air puisse être supprimée et que rien ne gêne la balle. Ensuite, la seule force qui agit sur la balle une fois qu'elle a quitté le museau est la force gravitationnelle entre la balle et la Terre.
Si la balle est tirée à une vitesse que l'on peut appeler\(v_a\), la force gravitationnelle qui agit sur elle la tire vers le bas vers la Terre, où elle heurte le sol à un point précis\(a\). Cependant, si on lui donne une vitesse initiale plus élevée\(v_b\), sa vitesse plus élevée l'emmène plus loin avant qu'il ne touche le sol à un point précis\(b\).
Si notre balle reçoit une vitesse initiale suffisamment élevée\(v_c\), la surface incurvée de la Terre fait en sorte que le sol reste à la même distance de la balle, de sorte que la balle tombe autour de la Terre en cercle complet. La vitesse requise pour ce faire, appelée vitesse circulaire du satellite, est d'environ 8 kilomètres par seconde, soit environ 17 500 miles par heure dans des unités plus familières.
Chaque année, plus de 50 nouveaux satellites sont lancés 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\(\PageIndex{2}\)). Aujourd'hui, ces satellites sont utilisés pour le suivi météorologique, l'écologie, les systèmes de positionnement mondial, les communications et à des fins militaires, pour n'en nommer que quelques-unes. La plupart des satellites sont lancés sur une orbite terrestre basse, car cela nécessite un minimum d'énergie de lancement. À une vitesse orbitale de 8 kilomètres par seconde, ils font le tour de la planète en 90 minutes environ. Certaines orbites terrestres très basses ne sont pas stables indéfiniment car, à mesure que l'atmosphère de la Terre gonfle de temps à autre, une traînée de friction est générée par l'atmosphère sur ces satellites, ce qui finit par entraîner une perte d'énergie et une « dégradation » de l'orbite.
Engin spatial interplanétaire
L'exploration du système solaire a été réalisée en grande partie par des robots spatiaux envoyés sur les autres planètes. Pour échapper à la Terre, ces engins doivent atteindre la vitesse d'évacuation, la vitesse nécessaire pour s'éloigner définitivement de la Terre, qui est d'environ 11 kilomètres par seconde (environ 25 000 miles par heure). Après avoir fui la Terre, ces engins rejoignent leurs cibles, sous réserve de légers ajustements de trajectoire fournis par de petites fusées à bord. En vol interplanétaire, ces engins spatiaux 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, gagnant ou perdant de l'énergie au cours du processus. Les contrôleurs d'engins spatiaux ont en fait pu utiliser la gravité d'une planète pour rediriger un vaisseau spatial survolé vers une deuxième cible. Par exemple, Voyager 2 a utilisé une série de rencontres assistées par gravité pour effectuer des survols successifs de Jupiter (1979), Saturne (1980), Uranus (1986) et Neptune (1989). La sonde Galileo, lancée en 1989, a survolé Vénus une fois et la Terre à deux reprises pour obtenir l'énergie nécessaire pour atteindre son objectif ultime : orbiter autour de Jupiter.
Si nous voulons orbiter autour d'une planète, nous devons ralentir l'engin spatial à l'aide d'une fusée lorsque le vaisseau spatial est proche de sa destination, afin de le capturer sur une orbite elliptique. Une poussée de fusée supplémentaire est nécessaire pour faire sortir un véhicule de l'orbite en vue d'un atterrissage à la surface. Enfin, si un voyage aller-retour vers la Terre est prévu, la charge utile à l'atterrissage doit inclure une puissance de propulsion suffisante pour répéter l'ensemble du processus en sens inverse.
Concepts clés et résumé
L'orbite d'un satellite artificiel dépend des circonstances de son lancement. La vitesse circulaire du satellite nécessaire pour orbiter autour de la surface de la Terre est de 8 kilomètres par seconde, et la vitesse d'échappement de notre planète est de 11 kilomètres par seconde. Il existe de nombreuses trajectoires interplanétaires possibles, y compris celles qui utilisent le survol assisté par gravité d'un objet pour rediriger l'engin spatial vers sa prochaine cible.
Lexique
- vitesse d'échappement
- la vitesse qu'un corps doit atteindre pour échapper à la gravité d'un autre corps