Astronautique

Boris Tzaprenko

• Publisher: Books on Demand
• Year: 2022
• eBook ISBN: 9782322413560
• Edition: 1
• Topic: Technology & Engineering
• Subtopic: Engineering General
• Index: Technology & Engineering

L'astronautique!Je veux vous parler de cette fabuleuse aventure. Elle est la réalisation du rêve le plus audacieux de l'humanité: s'affranchir de la force qui nous colle au sol, depuis toujours, pour s'élever librement vers l'espace.Je voudrais partager ma passion pour cette science qui n'a, pour l'heure, accompli qu'un pas bien timide sur un chemin infini, certes! Mais il ne demeure pas moins vrai que nos pieds sont, enfin, posés sur ce chemin. De plus, le fait qu'il soit infini ne peut que nous réjouir! Pourquoi en effet souhaiterions-nous que l'aventure prenne fin? Ce livre vous parlera un peu de physique: la force de gravitation, les lois de Newton et de Kepler, les vitesses cosmiques... Puis il abordera les techniques qui nous permettent de nous arracher du sol de notre mère la Terre pour nous élancer dans le cosmos; vous saurez tout sur la propulsion des fusées et la navigation spatiale. Vous serez même capable de réussir un RDV spatial! Seront simplement expliqués les termes: Ellipse, grand axe, petit axe, foyer, apogée, aphélie, apoastre, périgée, périhélie, périastre, distance focale, excentricité, orbite géostationnaire et aréostationnaire. Noeuds, descendant, ascendant. Point vernal, ligne des équinoxes, année tropique, année sidérale... Hein? Ah! oui, il y a quelques formules de maths, mais elles sont toutes petites, chétives... et il n'est même pas nécessaire de les déchiffrer pour comprendre.

LE RENDEZ-VOUS SPATIAL

Nous sommes quelque part sur Terre et nous voulons rejoindre un vaisseau, une station spatiale, ou un satellite, en orbite. C’est le cas le plus courant de rendez-vous spatial et nous allons parler de celui-ci.

Nous devons passer d’un état initial à un état final compte tenu des positions et vecteurs vitesse de deux corps : nous et notre cible, le satellite déjà en orbite. Dans cet exemple, nous sommes dans la navette américaine sur le site de lancement en Floride (je sais que la navette américaine n’est plus utilisée aujourd’hui, mais j’ai écrit ce texte bien avant son abandon). Notre cible est un satellite sur orbite quasi circulaire, basse, disons à quelque 300 km d’altitude. Bien ! cela dit, examinons la situation initiale :

Vitesses initiales : 400 m/s vers l’est pour la navette sur le pas de tir, avec nous dedans : (Vitesse apportée par la rotation de la Terre à cette latitude). 7 500 m/s vers l’est pour le satellite sur son orbite.

Nous aspirons à une situation finale dans laquelle les vitesses et les positions seraient les mêmes à l’altitude du satellite.

Fenêtres de lancement

En considérant la figure 1, il vient à l’esprit que pour que le rendez-vous spatial soit économique en énergie, donc en carburant, il est préférable de lancer le vaisseau au moment où son site de lancement passe dans le plan de l’orbite du satellite. Cet événement se produit :

• En permanence dans un seul cas particulier : Quand la cible se trouve sur une orbite parfaitement équatoriale et que le site de lancement se trouve précisément sur l’équateur.

• Deux fois par jour quand l’inclinaison de l’orbite de la cible lui permet de dépasser la latitude du lieu de lancement.

• Une seule fois par jour quand l’inclinaison de l’orbite de la cible permet seulement d’atteindre la verticale du lieu de lancement.

• Jamais quand l’inclinaison de l’orbite de la cible est trop faible.

Ceci explique ce que sont les fenêtres de lancement. De plus, on comprend aisément leurs courtes durées et leur importance pour le rendez-vous spatial.

Le mouvement orbital

Le mouvement orbital peut être décrit par les lois de Kepler. Si elles ne vous sont pas familières, ce peut être une bonne idée de les considérer, par exemple là : les trois lois de Kepler.

La conséquence des lois de Kepler que nous allons examiner peut être simplifiée ainsi : Plus on s’éloigne du corps autour duquel on gravite, plus on tourne lentement autour de lui. Mais soyons plus précis :

Variation de la vitesse orbitale selon l’éloignement du centre attractif : la vitesse orbitale (v) varie comme l’inverse de la racine carrée de la distance au centre attractif (z). Figure 2.

Eloignement horizontal relatif,
entre deux orbites circulaires

À chaque révolution, l’éloignement horizontal relatif entre deux orbites circulaires, est égal à la distance verticale multipliée par 3 π (soit approximativement multipliée par 10). Figure 3.

Par exemple, si vous vous trouviez à cinq mètres au-dessous de votre cabine spatiale, en train de flotter dans l’espace dans votre combinaison, au bout d’une révolution complète, 90 min plus tard, vous vous retrouveriez à cinquante mètres devant cette cabine. On voit dès lors la nécessité d’être relié au vaisseau par un câble de sécurité quand on fait des sorties extravéhiculaires.

Ajoutons une évidence : il est impératif que les deux orbites soient précisément sur le même plan. Une position réciproque différente conduisant, on le comprend, à un écart latéral cyclique synchronisé avec la période orbitale.

Effets des impulsions positives ou négatives

Freiner pour aller plus vite,
accélérer pour ralentir !

Phénomène surprenant (surprenant pour qui est entraîné à vivre sur Terre) : en orbite, il faut perdre de la vitesse pour aller plus vite, et il faut accélérer pour ralentir.

Figure 10. Que se passe-t-il donc lorsque l’on donne une impulsion positive ? Nous accélérons notre ronde autour du centre attractif, bien sûr, je ne vous le fais pas dire. Mais, là encore, pensons aux conséquences qui résultent de ce phénomène conforme au sens commun : notre vaisseau gagne de la vitesse, donc la force centrifuge qui le maintient en orbite augmente également, donc il monte sur une orbite plus haute, donc… vous l’avez compris (conséquence des lois de Kepler) il va plus lentement sur cette orbite puisqu’elle est plus haute. En fait, il a perdu de la vitesse en montant.

Figure 20. Que se passe-t-il donc lorsque l’on donne une impulsion négative (c’est-à-dire, réacteurs dirigés vers l’avant, on accélère dans le sens opposé à notre course orbitale) ? Notre vaisseau perd de la vitesse. Jusque-là, rien de plus normal, me direz-vous. Mais pensons aux conséquences qui découlent de cette banalité : Notre vaisseau perd de la vitesse, donc la force centrifuge qui le maintient en orbite diminue également, donc il tombe sur une orbite...

Table of contents

• INTRODUCTION
• LA FORCE DE GRAVITATION
• VITESSES COSMIQUES
• LA PROPULSION DES FUSÉES
• LES LOIS DE NEWTON
• LES LOIS DE KEPLER
• LEXIQUE ORBITAL
• POINTS IMPORTANTS AU SUJET DE L’ESPACE ET DE L’ASTRONAUTIQUE
• LE RENDEZ-VOUS SPATIAL