Les contraintes du milieu spatial/Les technologies spatiales et leurs applications

Historique du vol spatial

Réplique de Spoutnik 1

Dans l'antiquité, les hommes ont été interpellés par le voyage dans l'espace. Ainsi le Syrien Lucien de Samosate écrivit-il au II^e « Histoire véritable », racontant les aventures d'Ulysse, voguant jusqu'à la Lune dans la panse d'une baleine.

Les premières « proto-fusées » furent utilisées comme armes en Chine, au XIII^e. Il s'agit de tubes de bois remplis de poudre noire.

Puis, au XX^e siècle, le Russe Constantin Tsiolkovski, instituteur, réfléchit aux principes de la réaction et de la propulsion. Peu reconnu de son temps, il est aujourd'hui considéré comme un pionnier, à l'instar de Robert Goddard, universitaire aux États-Unis, qui en même temps met au point un prototype de fusée à carburants liquides.

C'est ensuite pendant la seconde guerre mondiale que l'âge d'or des fusées commence, sous la domination de l'Allemagne nazie et de Werner Von Braun. Il met au point les célèbres V-1 et V-2, destinées à bombarder les pays ennemis. Cependant, l'effet des V-2 est considéré comme psychologique et non tactique : les dégâts causés restèrent aléatoires et dérisoires comparés à ceux d'armes « conventionnelles ».

La fin de la seconde guerre mondiale, puis l'entrée en guerre froide, marque une nouvelle ère : celle de la « course à l'espace » entre les États-Unis et l'URSS. Les premiers usages sont militaires (développement de missiles à longue portée), mais les deux États se rendent rapidement compte qu'ils peuvent également montrer leur supériorité dans l'espace. Les Russes, menés par Sergueï Korolev, sont en avance sur les Américains et mettent en orbite le 4 octobre 1957 Spoutnik 1, à l'occasion de l'Année géophysique internationale.

Les États-Unis écraseront finalement leurs rivaux lors de la course à la Lune des années 1960, et l'aboutissement du programme Apollo.

Le milieu spatial

Présentation des conditions physiques de l'espace

Par convention, l'espace commence à partir de 100 km d'altitude. La température qui y règne — celle de « l'air » et non pas celle à l'intérieur du véhicule — est pratiquement impossible à mesurer : en effet, la très faible pression nécessite un très long séjour pour qu'un thermomètre puisse se trouver en équilibre ; cette situation est in-envisageable en raison du mouvement très rapide des satellites. Il en va de même pour une mesure de la pression. Cependant, en étudiant la force de freinage appliquée au satellite, connaissant sa forme, on peut en déduire une distribution de la densité.

Les orbites

Principes physiques

Le canon de Newton.

Pour comprendre pourquoi les satellites tournent, nous allons imaginer que nous montons au sommet d'une montagne très haute... de l'ordre de 500 km de haut. En haut de cette montagne, nous installons un canon, puis tirons un premier boulet, avec peu de poudre. Le boulet va décrire une trajectoire courbe, et retomber au sol sous l'effet de la gravité (cas A). Nous sommes encore loin d'un satellite !

Essayons de tirer un boulet avec plus de poudre. Sa vitesse initiale étant plus élevée, il va aller un peu plus loin, mais retombera toujours au sol (cas B). Cette fois-ci, nous mettons beaucoup plus de poudre... le boulet va plus loin, décrit à nouveau une trajectoire courbe mais le sol va se « dérober » sous lui, en raison de la rotondité de la Terre : il se retrouve en orbite (cas C). C'est, en gros, ainsi que les satellites sont placés en orbite — mais à l'aide d'un lanceur (comme Ariane 5 ou Delta 2), plutôt que d'un canon !

La vitesse nécessaire à la satellisation est proportionnelle à la gravité (et donc à la masse) du corps. Ainsi, sur la Lune, la vitesse minimale nécessaire est 4 fois plus faible que sur Terre (1,7 km/s contre 7,7). Le mouvement d'un satellite sur son orbite est régi par les trois lois de Kepler, formulées au XVI^e siècle par un astronome allemand, Johannes Kepler.

Différents types d'orbites

En fonction de la mission du satellite, différentes orbites peuvent être envisagées. Chaque type a sa propre forme et sa propre orientation. Ainsi, certaines sont circulaires, d'autres en forme d'ellipses. Leur altitude peut également varier. Les 5 types les plus courants sont les suivants :

• l'orbite géostationnaire, circulaire, située sur le plan de l'équateur à environ 36 000 km d'altitude. La période de révolution du satellite est alors la même que celle de la Terre : un satellite géostationnaire est immobile dans le ciel pour un référentiel terrestre. Cette orbite est prisée des satellites de télécommunications, qui peuvent ainsi retransmettre des données toujours sur la même zone ;
• l'orbite polaire, dont l'inclinaison par rapport au plan de l'équateur est de 90°, ce qui la fait passer à proximité des pôles, prisée par les satellites d'observation en raison de la constance de l'éclairage ;
• l'orbite basse, avant 2 000 km d'altitude ;
• l'orbite moyenne, avec un apogée généralement à 20 000 d'altitude ;
• l'orbite haute, dont l'apogée est supérieur à celui de l'orbite moyenne (vers 40 000).

Applications des satellites

On peut diviser les applications des satellites en 3 domaines :

• les applications militaires, principalement d'observation et de surveillance (comme la série européenne Helios). Les renseignements qu'ils fournissent, sur la position d'installations stratégiques (bases militaires, etc), sont précieuses à l'état-major.
• les applications scientifiques, l'orbite terrestre étant un emplacement de choix pour l'étude de la Terre et de l'Univers ;
• les applications économiques et commerciales, majoritaires, avec les satellites de télécommunications relayant les communications téléphoniques, les transmission de données (par exemple Internet), la télévision... Sans oublier les satellites de navigation, comme les réseaux GPS (États-Unis), GLONASS (Russie) ou Galileo (Union Européenne, en cours de mise en place).