« Vol balistique et missiles balistiques/Pourquoi balistique ? » : différence entre les versions
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{{Vol balistique}}
On appelle ''balistique'' la science du mouvement des projectiles et des engins uniquement soumis à la force de gravitation. Pour qu'il en soit ainsi, il faut se situer dans l'espace, au-delà de l'atmosphère. Sans air
L'air provoque une force de frottement qui s'ajoute à la gravité. Deux forces s'appliquent alors: la gravité et la composante aérodynamique (l'effet de l'air). La gravité n'agit plus seule; le mouvement n'est donc plus balistique. On va montrer qu'il y a des mouvements, autrement dit des trajectoires dans l'air qui présentent une bonne approximation du mouvement balistique ce qui permet de mieux le comprendre avant de présenter ce que sont les trajectoires balistiques proprement dites, puis ce en quoi elles concernent le missile balistique.
[[Image:Dylan Armstrong 2.jpg|left|thumb|Dans le cadre d'un lancer de poids, on peut négliger le frottement de l'air et qualifier la trajectoire de balistique.]]
==Trajectoires quasi balistiques (dans l'air)==
Si, formellement, la trajectoire balistique ne peut se trouver que dans l'espace (hors atmosphère), des approximations sont possibles dans l'air.
Dans la discipline de l'athlétisme, par exemple, le lancer du poids projette une masse sphérique lourde à faible vitesse. Ceci autorise à tenir pour négligeable le frottement de l'air. Le parcours du poids un fois lancé est (quasiment) balistique. On peut en effet considérer qu'il n'est soumis qu'à la seule attraction de la Terre. Autre approximation: le lancer par le basketteur du ballon dans le filet, si l'on veut bien aussi ne pas tenir compte de la (faible) résistance de l'air qui va s'opposer au parcours (très bref) du ballon.
On retient que le mouvement de l'objet lancé (poids ou ballon) est quasiment balistique. On voit bien sûr que le mouvement du lanceur (celui du poids ou du basketteur) qui est la conséquence de sa force musculaire ne doit (presque) rien au poids de l'athlète et donc à son attraction par la Terre. Son mouvement dont la raison d'être est de lancer n'a rien de balistique. Une observation utile pour la suite.
== Trajectoire réellement balistique (dans l'espace)==
Le mot balistique de l'appellation "Missile balistique" prête aussi à confusion. Il faudrait dire "Fusée donnant à son arme un parcours balistique". Le parcours du missile balistique lui-même, sous l'effet d'une énorme force de propulsion, n'a rien de balistique.
* le missile balistique joue le rôle du lanceur
* l'arme joue le rôle du poids ou du ballon, placée à l'extrémité haute du missile balistique; on appelle trajectoire balistique le parcours de cette arme lancée à une vitesse donnée, dans un direction donnée, uniquement soumise dans l'espace à la force d'attraction de la Terre.
La trajectoire de l'arme lancée par un missile balistique est donc une ellipse. On va préciser comment se définit cette trajectoire avant d'en venir à la façon dont la missile balistique a lancé l'arme.
▲Dans son principe et s'agissant de la Terre soumise à l'attraction du Soleil, la première découverte de sa trajectoire elliptique est due à {{w|Johannes Kepler}}. Il l'a définie par trois Lois (les {{w|Lois de Kepler}}) après l'étude qu'il avait faite des observations astronomiques de {{w|Tycho Brahe}}. C'est à {{w|Isaac Newton}} que l'on doit la première compréhension mathématique de la trajectoire de la Terre dans l'espace avec l'équation de la « conique » dont fait partie l'ellipse. C'est enfin à {{w|Constantin Tsiolkovski}} que l’on doit une observation majeure : le choix de la conique ne dépend que d’un seul paramètre, la vitesse au lancement. À plus de {{unité|11|km/s}} (vitesse dite de {{w|Vitesse de libération|libération}}) c’est une hyperbole et l’objet (on l'appelle alors {{w|sonde spatiale}}) quitte la Terre ; entre {{unité|11|km/s}} et {{unité|8|km/s}} (dite vitesse de satellisation) c'est une ellipse et l'objet tourne autour (un satellite) ; à moins de {{unité|8|km/s}} c'est toujours une ellipse mais elle intercepte la Terre et l'objet lancé y revient (une arme).
[[File:Missile balistique 22.png|right|500px]]
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=== Trajectoire elliptique ===
Dès que le parcours est plus grand (un partie de la Terre, schéma de droite), l'approximation ne vaut plus. C'est bien le cas lorsqu'un missile balistique lance un arme dans l'espace à une altitude de plusieurs centaines, voire milliers de kilomètres et à une distance de plusieurs milliers de kilomètres.
La gravité agissant sur l'arme est à tout instant dirigée vers le centre de la Terre pendant le long du parcours de l'arme lancée.
=== Vitesses ===
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[[File:Missile balistique 23.png|left|600px]]
La connaissance de la vitesse au point de lancement <math>B</math> caractérise une et une seule ellipse qui sera la trajectoire parcourue (figure 1).▼
▲La connaissance de la vitesse au point de lancement en <math>B</math> de l'arme par le missile balistique caractérise une et une seule ellipse.
On doit au savant russe Constantin Tsiolkovski, on l'a dit, d'avoir mis en évidence la vitesse au lancement (en grandeur et en direction) comme l'élément nécessaire et suffisant pour caractériser la trajectoire (figure 2). Peu importe la masse de l'objet lancé.
Il est très important de bien noter que la vitesse ''détermine la portée''. À faible vitesse, l'ellipse est toute petite. L'objet retombe vite. Il ne va pas loin. C'est le cas du poids ou de la flèche.
Quand la vitesse s'accroît, l'ellipse « grandit »
* à '''{{unité|4|km/s}}''' l'arme lancée atteint {{unité|4000|km}} (ordres de grandeur, chiffres arrondis) ;▼
* à '''{{unité|7|km/s}}''' l'arme lancée atteint {{unité|10000|km}} (ordres de grandeur, chiffres arrondis) ;▼
* à '''{{unité|8|km/s}}''' (la vitesse de satellisation) l'arme lancée atteindrait plus de {{unité|20000|km}} (la demie-circonférence de la Terre) et ainsi « raterait » la Terre et se satelliserait ce qui est interdit par Traité de l'ONU sur l'Espace (1967).▼
Ainsi avec une vitesse (ordres de grandeur, tous chiffres très arrondis) de:
* '''{{unité|1|km/s}}''' l'arme lancée atteint environ {{unité|50|km}}. L'apogée de l'ellipse (le point le plus haut de la trajectoire) s'exprime en kilomètres. C'est typiquement le cas des obus tirés par les canons obusiers (on néglige toujours le frottement de l'air);
▲*
▲*
▲*
La satellisation d'une arme est interdite par Traité de l'ONU sur l'Espace (1967).<br>
Aucun missile balistique ne lance donc son arme à plus de {{unité|8|km/s}} !
Cela dit,
Aller très vite du premier coup est
== Trajectoires du missile balistique ==
Un missile balistique, avec l'arme qu'il emporte, présente non pas une mais ''trois trajectoires successives'' de natures fondamentalement différentes
*la trajectoire propulsée du missile balistique proprement dit dont l'objectif est de fournir une vitesse ad hoc à l'arme qu'il va lancer;
Dans le schéma ci-dessous, un missile balistique intercontinental (ici de portée {{unité|10000|km}} pour arrondir le chiffre) tiré au point <math>A</math> lance son arme au point <math>B</math>, à {{unité|300|km}} d'altitude. L'arme, et elle seule (il n'y a plus de missile balistique, voir ci-dessous), parcourt une trajectoire balistique de <math>B</math> à <math>C</math>. Elle passe par un apogée (le point le plus haut de l'ellipse) à {{unité|3000|km}} pour redescendre vers l'atmosphère. La trajectoire n'est plus balistique de <math>C</math> à <math>D</math> : un très important frottement de l'air lors de la rentrée dans l'atmosphère devient la force principale qui s'exerce sur l'arme. On observe alors :▼
*la trajectoire balistique de l'arme une fois lancée;
* De <math>A</math> à <math>B</math> : trajectoire du missile balistique lui-même, sous l'effet de la combustion de ses ergols (cf.ci-dessous). Elle provoque une énorme force de propulsion et le parcours propulsé n'a donc rien de balistique. Il dure de {{unité|1|minute}} (missiles balistiques de première génération) à un peu plus de {{unité|3|minutes}} (ceux de dernière génération, à très longue portée). À la fin du parcours propulsé le missile balistique (qui n'existe plus) a lancé l'arme dans l'espace.▼
*la trajectoire de rentrée de l'arme dans l'atmosphère qui n'est plus balistique (forces de frottement de l'air).
* De <math>B</math> à <math>C</math> : montée de l'arme qui s'éloigne de la Terre jusqu'à l'apogée pour redescendre vers l'atmosphère. C'est le parcours le plus long. De l'ordre de {{unité|5|minutes}} pour les faible portées, {{unité|15|minutes}} pour les portées intermédiaires, {{unité|30|minutes}} pour les plus grandes portées. Les apogées sont respectivement d'une centaine, d'un millier ou de plusieurs milliers de kilomètres.▼
* De <math>C</math> à <math>D</math> : traversée de l'atmosphère extrêmement brève telle une étoile filante, provoquant une chaleur (jusqu'à plusieurs milliers de degrés) d'autant plus intense que les vitesses sont grandes. L'arme est protégée par un bouclier thermique.▼
▲Dans le schéma ci-dessous, un missile balistique intercontinental (ici de portée {{unité|10000|km}} pour arrondir le chiffre) tiré au point <math>A</math> lance son arme au point <math>B</math>, à {{unité|300|km}} d'altitude. L'arme, et elle seule (il n'y a plus de missile balistique en <math>B</math>, voir
On observe alors :
▲* '''De''' <math>A</math> à <math>B</math> : la trajectoire du missile balistique lui-même
▲* '''De''' <math>B</math> à <math>C</math> : la montée de l'arme qui s'éloigne de la Terre jusqu'à l'apogée pour redescendre vers l'atmosphère. C'est le parcours le plus long. De l'ordre de {{unité|5|minutes}} pour les faible portées, {{unité|15|minutes}} pour les portées intermédiaires, {{unité|30|minutes}} pour les plus grandes portées. Les apogées sont respectivement d'une centaine, d'un millier ou de plusieurs milliers de kilomètres.
▲* '''De''' <math>C</math> à <math>D</math> : la traversée de l'atmosphère extrêmement brève telle une étoile filante, provoquant une chaleur (jusqu'à plusieurs milliers de degrés) d'autant plus intense que les vitesses sont grandes. L'arme est protégée par un bouclier thermique.
[[File:Missile balistique 25.png|center|850px]]
==Pourquoi l'appellation balistique?==
En souvenir de la baliste (ci-contre). <br>Par considération pour les caractéristiques de cette arme et de sa façon de lancer les pierres.
[[File:Ballista (PSF).png|right|250px]]
On l'a retenu: la résistance de l'air qui s'applique aux pierres pendant leur trajet est négligeable.
Leurs points de chute sont donc entièrement déterminés par deux réglages: l'angle de la rampe de lancement et la tension de la corde.
Deux réglages à la dispositions des soldats pour donner à la pierre lancée une vitesse ad hoc en force et en direction.
La baliste offre donc l'avantage de pouvoir déterminer - par le seul réglage de la vitesse de la pierre à son lancement - la trajectoire de celle-ci et donc son point de chute en fin de vol.
Un vol soumis à la seule attraction de la Terre.
<br>Donc, un vol... balistique.
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