(34) Orbites dans l'Espace

Orbites Synchrones

Toutes les orbites de l'espace obéissent aux lois de Kepler et de Newton. Si l'orbite est circulaire, on peut ainsi formuler la troisième loi de Kepler, comme déjà vu :

T = 5063 secondes R^3/2 = 5063 secondes R * SQRT(R)

avec T la période orbitale, * marquant la multiplication, R le rayon de l'orbite en unités de rayon de la terre (= 6371 kilomètres) et SQRT(R) la racine carrée de R.

Satellite de communication TDRRS de la NASA, utilisé pour relayer les données d'un vaisseau spatial orbital

    On en déduit que pourT = 86400 sec = 24 heures, R = 6.6 rayons de la terre. S'itué à cette distance, un satellite équatorial présente une période de 24 heures et reste au-dessus du même point de l'équateur de la terre, puisque la terre tourne en même temps. Une telle orbite est idéale pour un satellite de communication, parce les " paraboles " qui le détectent n'ont alors pas besoin de le suivre dans le ciel, mais peuvent rester dans une direction fixe .

    L'auteur britannique de science-fiction Arthur Clarke a eu le premier l' idée de l'utilisation de cette orbite "synchrone", bien avant les premiers satellites artificiels. Clarke a écrit ultérieurement le livre "Fontaines du paradis" (situé au Sri Lanka, où il s'était rendu) dans lequel des câbles minces relient des satellites synchrones à la terre. Du matériel assez résistant et assez léger pour ce genre de câble n'existe pas, loin de là, et c'est probablement impossible ; mais il a écrit une excellente histoire. Environ 200 satellites sont maintenant sur orbite synchrone, en partie propriété des états, pour leur utilisation personnelle. Beaucoup sont gérés par des compagnies de télécommunication.

Rentrée Atmosphérique

La formule de Kepler s'applique également au mouvement elliptique, en remplaçant R par le demi grand axe " a " de l'orbite. Cependant, après un certain temps, les orbites diffèrent de l'exact tracé Keplerien en raison de forces additionnelles, telles que l'attraction de la lune ou du soleil. Pour des ellipses allongées, cela fait osciller de haut en bas le point le plus rapproché de l'orbite ("périgée"), qui finalement rase l'atmosphère, entraînant la perte du satellite.

    Le frottement atmosphérique provoque également tôt ou tard la rentrée des satellites de faible altitude: en perdant de l'énergie, ils descendent de plus en plus vers l'atmosphère, atteignant finalement les régions plus denses des couches supérieures, où ils brûlent. Ce fut le destin de la station spatiale Skylab en 1980 : La NASA avait espéré se servir de la navette spatiale pour la remonter sur une orbite plus élevée, mais la navette n'était pas encore prête.

    Entre temps, le cycle de 11ans des taches solaires était arrivé à son maximum, avec plus d'intensité que la NASA ne l'avait prévu, apportant davantage de rayons X solaires et de rayonnements ultraviolets extrêmes. Les couches les plus élevées de l'atmosphère absorbent ces rayonnements, ce qui les réchauffe, et les fait se dilater, surtout lors du "maximum solaire". Cette expansion a élevé en hauteur la résistance de l'air ("drag ") opposée à Skylab et a causé sa perte.

Le renflement de la terre

    Si la terre était une sphère parfaite, sa masse serait en conséquence exactement centrée et le calcul des orbites amènerait à constater que si les forces en jeu sont à distances égales de la terre, elles sont tout à fait identiques. En réalité, il faut compter avec la force centrifuge, produite par la rotation de la terre, qui de plus n'est pas tout à fait sphérique, puisque plus large de quelques kilomètres à l'équateur qu'aux pôles.

    Cela modifie les orbites des satellites et doit être pris en considération. Si le plan de l'orbite est incliné par rapport à l'équateur, le bombement équatorial le fait tourner lentement autour de l'axe de la terre : une ligne perpendiculaire au plan de l'orbite décrit graduellement un cône. Cette rotation crée une situation particulière dont on peut tirer profit.

En théorie, l'orbite d'un satellite est fixe dans l'espace, mais en fait son orientation change constamment par rapport au soleil, comme la terre qui tourne aussi autour de celui ci. Par exemple, prenons un satellite en basse altitude, dont le plan orbital contient l'axe de la terre (c.-à-d. qu'il passe au-dessus des pôles nord et sud).En juin, ce plan s'avère être exactement dans le sens aube-crépuscule, c.-à-d. à la séparation jour - nuit de la terre, alors qu'en septembre il passe en direction midi-minuit, une rotation de 90 degrés. Notez que l'orbite de juin est ensoleillée pendant 24 heures, mais pas celle de septembre.

    Toutefois, les plans de certaines orbites, passant juste à quelques degrés des pôles, tournent sur elles même en un an, en raison du bombement de la terre. De telles orbites,synchrones du "soleil", peuvent constamment faire face au soleil, ou se situer toujours à minuit. Ce type d'orbite concerne les satellites DMSP ",(la photo ci contre, une aurore au-dessus des Grand Lacs, a été prise par un de ces satellites; notez la Floride, à droite, en bas),de même que Magsat.

Les satellites d'observation de la terre tels que Landsat et SPOT (Satellite Pour l'Observation de la Terre) fonctionnent également avec des orbites synchrones au soleil, ce qui permet de prendre des photos journalières aux mêmes heures . Sans cela, les différences dans les ombres peuvent compliquer leur interprétation.

Pour un vaisseau spatial placé entre terre et soleil, l'attraction de la terre s'oppose à celle du soleil : le vaisseau spatial se satellise autour de ce dernier mais de façon freinée. Si la distance est correctement choisie, le mouvement orbital est coordonné avec celui de la terre, et ils restent solidaires dans leur voyage annuel autour du soleil.

    Ce point est le point L1 de Lagrange ( Joseph Lagrange : mathématicien Franco Italien qui l'a signalé). Il est à environ 4 fois la distance de la lune, à environ 1/100 de la distance du soleil.La prochaine section donne un calcul de la distance L1, en utilisant les données des sections (20), (21) et (M-5).

Le point L1 est une position très utile pour surveiller le vent solaire avant qu'il n'atteigne la terre, et pour d'autres buts. Actuellement deux satellites sont postés près de L1 -- ACE, consacré aux "anomalies des rayons cosmiques" et observant également le vent solaire, et SOHO, qui observe le soleil. WIND qui a également occupé cette région a été déplacé sur une nouvelle orbite.

    " SOHO ", fruit commun de la NASA et de l'Agence européenne de l'espace ESA, a été presque perdu en juin 1998, lorsque son antenne de haute précision a été accidentellement décalée. N'étant plus orienté vers la terre, il avait également perdu de sa puissance parce que ses piles solaires n'étaient plus exactement face au soleil. L'alimentation en carburant de la fusée fonctionnait outrageusement mal. Quelques mois d'anxiété ont suivi, les contrôleurs essayant de réactiver la commande par différents procédés, en particulier avec l'aide du radio télescope géant d'Arecibo, comme radar, pour repérer exactement l'endroit du vaisseau spatial. La commande a été récupérée dans la deuxième moitié de septembre 1998 et le vaisseau spatial a repris l'opération. Malheureusement, son dernier compas gyroscopique est tombé en panne en décembre 1998. En Avril 1999, son attitude a été transformée avec succès à l'aide de volants " inertiels ", l'adaptant à un travail pour lequel ils n'avait pas été prévu à l'origine.

    Il y a quatre points de Lagrange dans le système du Terre Soleil, dont L2, symétrique de L1, du côté nuit de la terre. Le 30 juin 2001, la NASA a lancé sa sonde Microwave Anisotropy Probe (MAP) vers le point L2. MAP est le successeur de " L' Explorateur du fond cosmique " (COBE) qui en 1992 a soigneusement mesuré la distribution en éclat et en longueur d'onde du rayonnement des micro-ondes, "le fond cosmique" laissé par le Big Bang au commencement de l'univers (Lire Stephen Hawking's : "Une brève histoire du temps" ou Steve Weinberg "Les trois premières minutes").

  Le rayonnement observé par COBE est presque également lumineux dans toutes les directions ("isotrope"), mais pas complètement : une petite inégalité ("anisotropie") demeure, et MAP est conçu pour l'observer plus finement. Cette inégalité est peut être un indice de la distribution inégale de la matière peu après le Big Bang, quand le volume de l'univers était encore petit et que les micro-ondes étaient des rayons gamma très énergétiques. Leur distribution inégale est peut être liée au fait, observé, que la matière de l'univers actuel semble regroupée en masses compactes dans des galaxies distinctes, avec de grands vides entre elles

  La NASA projette également de placer son "Télescope Spatial de Nouvelle Génération (NGST), tle successeur du télescope orbital Hubble, au point L2 où très près derrière. Pour plus de détails sur ces sujets et sur les missions connexes, cliquer Ici.

    Le point L3 est de l'autre côté du soleil, lointain, invisible de la terre, instable et probablement sans importance. Les points L4 et L5 sont plus intéressants, sur l'orbite de la terre, mais à 60° de la ligne Soleil Terre (vue de dessus le pôle nord), L5 est à 60° dans le sens des aiguilles d'une montre de cette ligne, L4 à 60° dans le sens contraire des aiguilles d'une montre). Le calculs de ces endroits ou les satellites tournent autour du soleil avec la même période que la terre, en gardant un angle fixe avec la ligne Soleil Terre est long. Si vous êtes familier de l'algèbre et de la trigo et avec de la patience pour un long calcul, vous pouvez trouver ce calcul dans l section #34b de ce site web .

    Si il n'y avait pas l'influence des autres planètes, ce seraient des positions stables pour de petits troisième corps, gardant une position fixe par rapport à la terre. Les corps proches de leurs orbites demeureraient près de ces points. On dit qu'il existe de petits astéroïdes près des points L4 et/ou L5 de la terre, de Mars et de Venus, mais l'effet est plus prononcé pour les points de Lagrange de Jupiter, le " poids lourd " des planètes. Plusieurs centaines d'astéroïdes, dits Asréroîdes Troyens sont situés à proximité des points L4 et L5 de Jupiter, tournant autour du soleil avec la même période que Jupiter. Ils sont dits " Troyens " parce que leurs noms viennent de personnages de l'Iliade de Homere.

    Le système Terre Lune a également ses points de Lagrange, et les points L4 et L5 de l'orbite de la lune ont été proposés comme emplacements de " blocs de l'espace " auto stabilisés.

    MAP est maitenant en place et a fourni quelques résultats intéressants . Il a été rebaptisé WMAP, " Wilkinson Microwave Anisotropy Probe", à la suite du décès, en 2002, de David Wilkinson, de l' Université de Princeton, un membre important de l'équipe du MAP . NGST également été renommé par la NASA et est devenu le "James Webb Telescope," du nom de l' un des ses derniers administrateurs. .
            Alors que les points de Lagrange furent la base historique de l' étude détaillée du problème des trois corps, d' autres orbites sont maitenant connue, en particulier une orbite présentant une figure en huit, et qui est stable. Voir Ici.

Croisière dans le système solaire

Pour échapper à la terre, un vaisseau spatial a besoin de la vitesse élevée de 8 km/s pour graviter en orbite basse de la terre, 11.2 km/s pour s'en échapper tout à fait. La seule manière connue d'obtenir de telles vitesses est de se servir de fusées.

    Mais lorsqu'un vaisseau spatial échappe à l'influence de la terre, il est encore retenu par celle du soleil. N'étant plus retenu par la terre, il adopte une orbite autour du soleil, à peu près à la même distance qu'auparavant. En conséquence, il lui faut une vitesse supplémentaire pour se déplacer dans le système solaire.

    L'objet le plus difficile à atteindre est le soleil lui-même. Un vaisseau spatial imaginaire, libéré de la terre, se déplacerait autour du soleil à environ 30 km/sec, comme la terre. La seule façon d'atteindre le soleil est d'annuler de façon ou d'une autre cette vitesse; par exemple, à l'aide d'une fusée permettant d'obtenir 30 km/s en direction opposée : dans ce cas, le vaisseau spatial tomberait directement vers le soleil. Ceux qui proposent d'envoyer des charges nucléaires directement par fusée sur le soleil ne semblent pas s'y connaître beaucoup en orbites !

Etant donné, la grande difficulté qu'il y a à donner à un vaisseau spatial les 8 km/s seulement nécessaires pour une orbite basse de la terre, la grande puissance exigée pour les fusées destinées à atteindre les planètes éloignées est un obstacle sérieux. Heureusement, il est souvent possible de profiter de l'attraction gravitationnelle des planètes pour aider aux manœuvres, comme cela sera présenté dans une prochaine section.