Quitter la Terre ?

Partir en ballon ?

Les ballons sont le seul moyen d'observer la stratosphère en emportant des charges utiles de masse variable et pour des durées de vol différentes. Les satellites évoluent beaucoup trop haut et les fusées-sondes traversent rapidement la haute-atmosphère.

-les ballons ouverts

Il s'agit de ballons dont l'enveloppe possède une ouverture dans sa partie inférieure, permettant ainsi les échanges avec le milieu extérieur.

Les montgolfières existent depuis plus de 200 ans. Ces premiers aérostats ne sont pas efficaces dans l'étude spatiale. L'air de l'enveloppe se refroidit rapidement et perd son pouvoir porteur. En l'absence d'une source d'air chaud à bord, la montgolfière retombe au sol.

La technologie ayant progressé depuis la révolution française, des montgolfières dites infrarouge (MIR) ont été conçues. S'appuyant sur la réflexion du rayonnement solaire sur le sol, leur durée de vol se trouve augmentée.

Les ballons à gaz utilisent des gaz moins denses que l'air, comme l'hydrogène ou l'hélium. Un certain volume de gaz est placé dans une enveloppe. Au cours de l'ascension, la pression atmosphérique tendant à diminuer, le gaz se dilate et remplit de plus en plus l'enveloppe. La montée se poursuit jusqu'à ce que l'enveloppe soit pleine. Ensuite, toute dilatation supplémentaire provoque un rejet de gaz par les ouvertures inférieures, appelées manches d'évacuation.

-les ballons fermés

les ballons dilatables sont utilisés par la météorologie pour l'étude des vents et les mesures de pression atmosphérique. Peu gonflés au départ, ces ballons emportent la charge utile dans une ascension rapide et continue. Très extensible, leur enveloppe de latex ne cesse de se dilater puis explose vers 30 km d'altitude, leur diamètre pouvant mesurer alors une quinzaine de mètres.

Les ballons pressurisés sont constitués d'une enveloppe inextensible, étanche et souvent de petite taille. Elle est suffisamment résistante pour supporter une surpression du gaz porteur. Ceci permet de surmonter le refroidissement nocturne sans emport de lest.

Partir en fusée ?

L'unique moyen actuel pour voyager dans l'espace est la propulsion par réaction.

Le principe de l'action et de la réaction signifie qu'à toute action correspond une réaction égale et de sens opposé. Ce principe newtonien est parfaitement illustré dans l'expérience de Tsiolkovski. Un homme se trouve dans une barque remplie de pierres, au milieu d'un étang. Pour regagner la rive, il n'a qu'une solution. Il doit lancer le plus loin possible chaque pierre pour déplacer la barque en sens inverse.

Dans l'espace, il n'existe pas de points d'appui extérieurs. La fusée éjecte des gaz vers l'arrière et se propulse par réaction. La propulsion est fonction du débit (masse de gaz éjectés par seconde) et de la vitesse d'éjection. Les gaz acquièrent leur vitesse finale par détente et accélération dans une tuyère de moteur.

Les moteurs de lanceur consomment des ergols. Deux ergols, qui forment le propergol, réagissent l'un sur l'autre. L'un est appelé combustible et l'autre comburant (oxydant qui brûle le combustible). Les ergols se présentent sous forme liquide ou solide.

Les ergols liquides sont stockables quand ils se conservent à température ambiante (hydrazine, peroxyde d'azote). Ils sont dits cryotechniques (technique du froid) si la conservation se fait à -200°C (couple hydrogène/oxygène).

Les ergols solides ressemblent à une pâte caoutchouteuse, où combustible et comburant sont intimement mêlés.

Un lanceur possède plusieurs étages pour une raison simple. Par analogie, soit un camion qui veut effectuer le trajet entre Paris et Pékin. Deux possibilités s'offrent à lui. Il peut traîner une énorme citerne dans lequel il emmènerait toute l'essence nécessaire au voyage. En fin de trajet, il aurait une énorme citerne presque vide à traîner ce qui est plutôt un handicap. Il peut aussi partir avec trois petites citernes. A chaque fin d'utilisation d'une citerne, il s'en sépare. Il a de fait beaucoup moins de poids à tirer. Il a ainsi plus de chances d'arriver à destination.

Circuler autour de la Terre ?

Au début du XVIIème siècle, l'astronome allemand Johannes Kepler énonça les trois lois qui régissent la mécanique spatiale. Vouées d'abord aux mouvements des planètes autour du soleil, leur caractère est universel et s'applique notamment aux satellites autour de la Terre.

1ère loi : les orbites des planètes (des satellites de la Terre) sont des ellipses dont le centre du soleil (le centre de la Terre) occupe un des foyers.

2ème loi : les aires qui sont balayées par le rayon joignant le centre du soleil (de la Terre) au centre de la planète (du satellite) sont proportionnelles au temps employé à les décrire. La vitesse d'une planète (d'un satellite artificiel) sur son orbite est indépendante de la masse de la planète (du satellite).

3ème loi : le carré de la période de révolution d'une planète autour du soleil (d'un satellite autour de la Terre) est proportionnel au cube du demi-grand axe de l'ellipse. La période est indépendante de la masse de la planète (du satellite).

La loi de l'attraction universelle

Au XVIIème siècle, le physicien anglais Isaac Newton utilisa les lois de Kepler pour mettre en équation le principe fondamental de la gravitation.

Soient deux objets de masse respective m1 et m2, mises en présence l'une de l'autre à une distance d. Il apparaît entre elles des forces d'attraction mutuelle. Ces forces exercées sur les deux objets sont
égales en modules (valeurs absolues) et valent :
|F1| = |F2| = G * (m1 * m2) / d2
où G est la constante de l'attraction universelle. G = 6672.10-14 m3.s-2.kg-1.

Les orbites

La satellisation d'un objet est possible s'il est emmené à une altitude suffisamment haute pour se débarrasser des contraintes atmosphériques et si l'impulsion fournie procure une vitesse assez élevée. Cette vitesse se calcule aisément. Elle est fonction du rayon de la Terre et de l'accélération g de la pesanteur à l'altitude donnée.

1 / rayon Terre = g / v2
où g = 9.81 m.s-2 à la surface du sol.
et rayon Terre = 6378 km.

Pour la valeur particulière de 7.9 km/s, la trajectoire d'un satellite est circulaire.

Si la vitesse augmente, la courbe décrite devient une ellipsoïde. Le satellite s'éloigne de la Terre. L'attraction terrestre agissant en sens inverse du mouvement du satellite, celui-ci est ralenti. L'altitude maximale atteinte est appelée apogée. Le satellite repasse par sa position initiale, appelée périgée.

Pour la valeur particulière de 11.2 km/s, l'ellipse s'allonge de plus en plus. Le satellite atteint les limites supérieures de l'attraction terrestre. N'y étant plus soumis, le satellite décrit une trajectoire hyperbolique et part dans les profondeurs du cosmos.

On retient généralement deux catégories d'orbites autour de la Terre :

L'orbite géostationnaire : c'est une orbite circulaire située à 36000 km d'altitude. Sa révolution est de 24 heures, c'est à dire que la vitesse angulaire du satellite est égale à celle de la Terre. L'intérêt réside donc dans sa position immobile par rapport à une région terrestre. Un satellite géostationnaire est utilisé principalement pour les télécommunications.

L'orbite polaire : elle encercle la Terre et passe au-dessus des régions polaires. La rotation de la Terre permet au satellite de survoler la totalité de notre planète. Cette orbite est intéressante pour la météorologie et l'observation de la Terre. Un cas particulier est l'orbite héliosynchrone. L'héliosynchronisme caractérise une orbite dont le plan conserve un angle constant avec la direction Terre-soleil. Ceci permet à un satellite de toujours survoler un lieu donné à la même heure.

Les sondes spatiales, qui partent à la découverte des confins du cosmos, utilisent l'assistance gravitationnelle. Ce principe naturel fait appel à l'attraction gravitationnelle des planètes qui influent sur les trajectoires des sondes spatiales.

Le satellite, un engin spécial ?

La structure porte tous les équipements du satellite. Les turbulences occasionnées lors d'un lancement mettent à contribution la résistance de la structure. Les matériaux composites sont largement utilisés dans la fabrication (feuilles de fibre de carbone et d'aluminium), afin d'assurer une rigidité susceptible d'encaisser de fortes accélérations.

Les matériaux composites possèdent un autre avantage : ils sont légers. Toute masse superflue est inutile pour pouvoir aller dans l'espace.

L'énergie de bord est fournie par des panneaux solaires. L'énergie des photons lumineux, provenant du soleil, est ainsi transformée en électricité. Le rendement de ces systèmes photovoltaïques est faible et les cellules se dégradent avec le temps. Quand le satellite est dans le cône d'ombre de la Terre, des batteries prennent le relais des panneaux. Leur espérance de fonctionnement ne peut excéder dix ans tout au plus, ce qui limite la durée de vie des satellites.

La gestion de bord assure l'autonomie du satellite. L'alimentation en énergie ou la régulation thermique sont gérées par un ordinateur de bord qui active les différents mécanismes. Il est tout de même possible de reconfigurer les systèmes de bord depuis la Terre.

Les télémesures sont quasi-permanentes entre le satellite et le centre de contrôle. Différents facteurs inhérents au satellite (températures, tensions, paramètres d'orientation…) sont envoyés au centre qui le suit. Des systèmes émetteurs/récepteurs assurent la liaison entre le satellite et la Terre. Un réseau de télécommunications diffuse l'information entre les différents partenaires.

Un système spatial possède toujours une composante spatiale et une composante sol.

Les contrôles d'attitude et d'orbite sont des paramètres importants pour la bonne utilisation d'un satellite. L'attitude définit une certaine orientation du satellite par rapport à la Terre et au soleil. Les satellites parcourent des orbites spécifiques à leurs missions et sont contraints à y rester. Des effets naturels perturbent les trajectoires tels que l'attraction du soleil et de la lune ou les irrégularités du champ d'attraction terrestre. Les satellites sont équipés de senseurs, qui permettent de calculer la position relative du soleil, des étoiles ou d'un horizon terrestre. Les stations de poursuite contrôlent les positions et corrigent les trajectoires si besoin est.

Le contrôle thermique du satellite joue un rôle de protection des instruments embarqués. Dans l'espace, il n'y a ni convection, ni conduction. Les échanges de chaleur se font exclusivement par rayonnement. Les batteries et les composants électroniques fonctionnent à des températures comprises entre -30°C et +40°C et doivent être protégés de la chaleur solaire et du froid cosmique. Des matelas de superisolation participent à la régulation : Mylar, Kapton, Dacron, aluminium…