la conquête de l'espace

2 Théories et premières mises en pratique

A. un peu de théorie

Ce n’est pas tout de parler d’aller dans l’espace ou de mettre des bases en orbites autours de la Terre, encore faut-il savoir comment le faire ! Où tout du moins en théorie. C’est là qu’interviennent les physiciens tels que Kepler et Newton, ainsi que les lois qu’ils ont établi. En effet le « voyage » d’un objet lancé dans l’espace comporte généralement une durée de propulsion qui prend entre le millième et le millionième du temps de déplacement. Le reste du temps, le mobile obéit aux lois de la dynamique, comme le font toutes les planètes autour du soleil, et les satellites autour des planètes.
Or, contrairement à une idée reçue, les lois régissant ces mouvements sont souvent mal connues, et plus souvent encore, mal interprétées. Par exemple, beaucoup pensent que, quand un objet est satellisé autour d’un astre, la moindre impulsion pourrait le faire tomber sur le corps céleste qui l’attire, ou l’en éloigner « suivant une spirale », ce qui est faux bien entendu.

1.les lois de Kepler

Les trois lois de Kepler permettent de déterminer par le calcul le mouvement orbital :

• première loi Les planètes décrivent des trajectoires elliptiques dont le soleil est le foyer.
  
  
• deuxième loi: Le mouvement de chaque planète est tel que le segment de droite reliant le soleil et la planète balaie des aires égales pendant des durées égales.
  
  
• Troisième loi: Pour toutes les planètes, le rapport entre le cube de demi grand axe et le carré de la période est le même.
  
  T²/a³ = 1
  Avec T : la période de révolution (année), a : la distance moyenne d’une Planète (unité astronomique)
• Formule généralisée de la troisième loi de Kepler :
  T² = a³/Mc
  Avec T : la période de révolution (seconde), a : la distance moyenne d’une planète (mètre), Mc : la masse de l’objet centrale (kilogramme) et K= 5,92.10¹¹.s².kg.m^-3

2.La satellisation

Si on prend une pierre est qu’on la lâche sans vitesse initiale, cette dernière retombe à la verticale sous l’effet de l’attraction terrestre, une flèche et un boulet de canon, lancés à l’horizontale, attirés eux aussi par la Terre, ne vont pas en ligne droite mais décrivent une courbe descendante . Plus la vitesse initiale est grande, moins la trajectoire est courbée et plus le point de chute est éloigné.

Pour une vitesse suffisamment élevée, la courbure de la trajectoire devient également celle de la Terre. Il n’y a plus de point de chute et l’objet lancé suit un parcours circulaire : il est « satellisé ».
Bien sur, cela n’est pas possible trop près du sol, car à de telles vitesses (7,9 km/s au niveau du sol) l’atmosphère freinerait l’objet lancé et le détruirait par échauffement.

Soit un astre de masse m autours d’un astre de masse M (m « M), et r la distance entre les centres de gravités de ces deux corps.
F_G joue le rôle de force centripète :

F_G = G.(M.m)/r² = m.(V₀²/r)

Vitesse orbitale V₀ = √ (G.M/r)

On a donc la fameuse vitesse de satellisation qui permet mettre un objet en orbite autours de la Terre :

V₀ = √ (G.M_T/R_T)

Avec M_T la masse de la Terre et R_T la distance Terre-satellite

• Si V
• Si V=Vo l’orbite de l’objet décrit un cercle
• Si V>Vo l’orbite de l’objet décrit une ellipse
• Si V>>Vo l’orbite de l’objet décrit une parabole

L’objet satellisé n’est pas mis directement sur son orbite définitive, il est d’abord placé sur une orbite de transfert.

3.Choisir son orbite

• L’orbite terrestre basse : Il s’agit d’une orbite située entre 350 et 1400 kilomètre d’altitude, elle est donc considérée comme située entre l’atmosphère et la ceinture de Van Allen. Cette orbite est intéressante car elle permet la mise en orbite de charges maximales par les lanceurs, ainsi qu’un bilan de liaison avantageux en télécommunications, et d’une haute résolution des instruments d'observation pour les satellites.
• L’orbite géosynchrone : Il s’agit d’une orbite géocentrique sur laquelle un satellite se déplace dans le même sens que la terre (d'ouest en est) et dont la période orbitale est égale à la période de rotation de la Terre (soit environ 23 h 56 min 4,1 s). Cette orbite est située à environ 35 800 km d'altitude.
• L'orbite géostationnaire (ou orbite de Clarke) : Il s’agit d’une orbite située à 35 786 km d'altitude au-dessus de l'équateur de la Terre, dans le plan équatorial et d'une excentricité orbitale nulle. C'est un cas particulier de l'orbite géosynchrone.
• L’orbite de transfert : Il s’agit d’une orbite sur laquelle est placé temporairement un véhicule spatial entre une orbite initiale, ou la trajectoire de lancement, et l’orbite visée.
  Il en existe encore beaucoup d’autre, comme l’orbite de rebus ou l’orbite d’attente. Cependant, ce qui nous intéresse le plus dans cette partie, c’est le choix de l’orbite pour une habitation spatiale ; ce dernier est dicté par plusieurs critères :
  • Le plan de l’orbite : l’orbite la plus économique, c’est à dire celle où le lanceur peut emporter la plus grande masse, se situe dans le plan qui passe par le centre de la Terre et la base de lancement. Les tirs sont effectués vers l’est, ce qui permet d’utiliser la vitesse de rotation de la Terre qui s’ajoute à celle du lanceur
    
    Figure 1- Orbite d'une station lancée de la base Cap Kennedy

  • Les radiations : La Terre est protégée des rayonnements émis par l’espace (rayonnements cosmiques) ou par le soleil (rayonnements solaires) par le champ magnétique terrestre. Celui-ci s’incurve au niveau des pôles ; une orbite polaire est donc dangereuse pour les astronautes. Une autre zone dangereuse se situe au niveau de l’Atlantique Sud ; pour les mêmes raisons, il faut éviter de placer la station sur une orbite qui la traverse.
    
    Figure 2-Représentation des ceintures de Van Allen

  • La mission de la station : Ce qui est intéressant pour une station spatiale, c’est d’être en état de microgravité en raisons des expérimentations qui y sont menées. Il suffit donc d’être sur orbite quelconques. Il faudra néanmoins tenir compte des radiations, et pour certaines missions (observation de la Terre), il sera nécessaire de passer au dessus des terres émergées.

B) Pour se rendre dans l’espace

Nous savons, en théorie, comment mettre un objet en orbite, maintenant nous allons voir grâce à quoi un objet peut être satellisé.

1.La fusée

La fusée est un moyen de transport très puissant propulsé par un moteur à réaction ; Elle fonctionne suivant le principe de l’action et de la réaction selon lequel à toute action correspond une réaction égale et de sens opposé, principe qui, soit dit en passant, nous vient de Newton.
Il existe une multitude de fusées, c’est pour cela que nous allons nous intéresser principalement aux fusées européennes Ariane, et plus particulièrement à Ariane 4 et Ariane 5.

a)Ariane4

Ariane 4 est l’aboutissement des améliorations successives du lanceur Ariane 1 dont le premier vol avait lieu le 24/12/79. Elle est composée de trois étages  ; le premier de ces trois étages peut recevoir deux ou quatre propulseurs d’appoint, soit à poudre (PAP) pour un fonctionnement bref, soit à liquide (PAL) pour une durée plus élevée. Au sommet du lanceur se trouve la case à équipement, une structure renfermant un premier satellite, et la coiffe qui contient le deuxième satellite.

Les étages à liquide d’Ariane 4 sont de deux sortes :

• La propulsion par « ergols stockables » est employée sur les deux premiers étages et sur le PAL, qui tous utilisent des moteurs Viking. Le carburant utilisé est l’UH25, mélange de deux dérivés d’hydrazine (H₂N-NH₂), le comburant est le peroxyde d’azote (N₂O₄). Ces deux produits, qui sont contenus dans la chambre de combustion du moteur Viking, sont injectés sous forte pression et finement pulvérisés pour réagir spontanément et donner des gaz à température élevée, voisine de 3000°C ; une tuyère de détente réalisée en alliage de cobalt, et comportant un col en matériau composite à base de fibre de silice, permet au gaz d’acquérir la vitesse d’éjection de plus de 2500 m/s nécessaire à l’obtention de l’effet propulsif.
  
• La propulsion cryotechnique, employée sur le 3^ème étage, autorise des vitesses d’éjections des gaz 50% supérieures à celles des moteurs précédents, ce qui revient à économiser 1/3 de la consommation. Cependant cet avantage se paie par de nombreuses difficultés comme le fait que les deux ergols utilisés (oxygène et hydrogène) ne sont liquide qu’à des températures proches du zéro absolue…

b)Ariane5

Ariane 5 est composé d’un bi-étage inférieur (1^er étage) comprenant un ensemble de deux propulseurs à poudre très puissants Ils se situent de part et d’autre de l’étage principal cryotechnique (2^ème étage) assurant l’essentiel de la mise en vitesse. Chaque propulseur à poudre est constitué d’un réservoir en acier contenant des blocs d’un produit auto combustible. Ils brûlent par l’intérieur et les gaz produits sont mis en vitesse par une tuyère. La conception est plus simple que pour un étage liquide, néanmoins :

• Le réservoir servant de chambre de combustion doit supporter une pression élevée (ici 65 bars) sans être trop lourd,
• Il n’y a pas de régulateurs,
• Seule la tuyère est mobile pour orienter le jet,
• Il n’y a pas de possibilité de refroidir le moteur.

Le troisième étage est beaucoup plus gros que celui d’Ariane 4, il est composé d’un moteur Vulcain, sa chambre de combustion fonctionne sous 11O bars et est alimentée par deux turbopompes séparées (la plus puissante développant 12 Mégawatts en régime normal, pour une masse inférieure à 250 kg.

Au dessus de cet étage se trouve un étage de conception simple à ergols stockable propulsé par un moteur de 27 kN de poussée, la case à équipement pour le pilotage, un jeu d’adaptateurs de charge utile et une coiffe choisie en fonction de la mission.

2.La navette spatiale

Initialement la navette devait remplacer toutes les fusées. Mais elle s’est avérée beaucoup plus chère à la fabrication et au lancement que les concepteurs n’auraient pu le prédire !
La navette se compose, pour l’essentiel, d’une partie semblable à un avion appelé orbiteur (Orbiter), d’un réservoir géant pour l’hydrogène et l’oxygène liquide nécessaire au lancement, et de deux propulseurs d’appuis. L’ensemble au départ pèse environ 2000 tonnes. Le réservoir est largué, après huit minutes de vol, à une altitude de 120km, et à une vitesse de 7km/s ; il est totalement détruit à son entrée dans l’atmosphère. Les propulseurs auxiliaires (boosters) sont composés d’un assemblage de onze segments, leur masse au départ est de 585,5 tonnes, dont 503,6 tonnes de combustible (mélange de perchlorate d’aluminium et de poudre d’aluminium, avec de l’oxyde de fer comme catalyseur et un liant organique). La poussée maximale de chaque booster peut atteindre 12,9 méganewton (MN). Cependant on utilise, durant la moitié du vol, qu’une poussée de 9 ,65 MN. Chaque propulseur se termine en haut par une coiffe qui contient un parachute de récupération, et possède huit moteurs d’éjections, quatre à l’avant et quatre à l’arrière, dont chacun développe, lors de la séparation, une poussée de 98 MN pendant 0,7s. L’orbiteur peut emporter un équipage de huit personnes. A l’arrière se trouve trois moteur SSME (Space Shuttle Main Engin = moteur principal de la navette), ces derniers sont composés d’une chambre de précombustion (à 36bars), suivie d’une chambre de combustion (à 206bars) ; ils donnent une poussée de 1,67 MN au niveau de la mer et de 2,09 MN dans le vide. Le SSME est à flux intégré, c’est à dire que les gaz sortant de la turbine qui actionne les turbopompes s’échappent également par la tuyère, à, pleine vitesse. On arrive ainsi à une vitesse d’éjection de plus de 4500m/s.
L’orbiteur est généralement lancé sur une orbite circulaire à l’altitude de 200km. Il en décroche par un léger freinage en utilisant ses moteurs, puis vers 120km d’altitude, cabré à 30° dans une trajectoire de descente qui ne fait qu’un angle de 1° avec l’horizontale, il aborde le freinage atmosphérique. Pour contrer les températures élevées dues à l’entrée dans l’atmosphère (1500°C), l’orbiteur est recouvert des milliers de tuiles en fibres de silices, et de nombreuses parties des ailes et du nez sont en fibres de carbone. Lors de la phase finale de la descente, l’orbiteur touche le sol avec une vitesse de 350km/h, et une piste d’atterrissage de 4km lui suffit.

La navette spatiale sert non seulement pour assurer la desserte des stations spatiales en orbite basse mais aussi d'autres missions, telles que le lancement ou la réparation de satellites artificiels.
Les navettes américaines les plus connues sont:

Columbia	Discovery
Atlantis	Endeavour

C. Premières mises en pratique

• Le premier satellite fut lancé par l’URSS lors de la Guerre Froide en 1957, il s’agit du fameux Spoutnik I. Il marqua alors le début de la conquête de l’espace opposant tout d’abord l’Amérique à l’URSS…C’est durant cette année que la chienne Laïka fut envoyée dans l’Espace en orbite autours de la Terre.
• C’est en 1958 que l’Amérique envoie son premier satellite, Explorer 1, dans l’espace.
• 12 avril 1961, le russe Youri Gagarine, est le premier Homme à être envoyé dans l’Espace.
• Ce n’est que 8 ans après l’URSS que la France envoie son premier satellite Astérix dans l’espace grâce à la fusée Diamant.
• Le 21 juillet 1969 est sans doute la date la plus importante de l’Histoire ! Ce sont les premiers pas de l'Homme sur la Lune lors de la mission Apollo 11 , effectués par Neil Armstrong et Buzz Aldrin.
• 19 avril 1971, lancement de la première station spatiale habitée, Saliout-1 par l'Union soviétique.
• 24 décembre 1979, lancement de la première fusée Ariane.
• 12 avril 1981, premier décollage de la navette spatiale Columbia.

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