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Orbite de transfert

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L'orbite de transfert, encore appelée orbite de Hohmann, est la plus simple orbite utilisée en astronautique pour transférer des satellites ou des sondes d'une orbite à une autre. Dans le cas des satellites, il peut s'agir d'un transfert pour atteindre une orbite géostationnaire, la fameuse orbite de Clarke. On parle alors d'orbite de transfert géostationnaire (GTO). Usuellement, l'orbite de transfert est une orbite elliptique faisant passer d'une orbite circulaire à une autre orbite circulaire dans un même plan.

Pour comprendre l'intérêt d'une orbite de transfert, il faut se souvenir que les champs de gravitation générés par un système à n corps sont assez complexes et que, de plus, ils changent avec les mouvements des planètes. Il ne semble pas possible de créer un jour des dispositifs antigravité, et les voyages en ligne droite ou presque depuis la Terre jusqu'à un corps céleste du Système solaire sont tellement gourmands en carburant qu’ils sont irréalisables ou beaucoup trop coûteux avec les technologies actuelles de propulsion. Heureusement, il suffit de mettre à profit les lois de la mécanique céleste.

Walter Hohmann (1880-1945) était un ingénieur allemand qui s'est intéressé pendant son temps libre à l'astronautique, dont il a été l'un des pionniers. Son ouvrage de 1925, L'atteignabilité des corps célestes, a fait date car il y présentait le concept d'orbite de transfert.
Walter Hohmann (1880-1945) était un ingénieur allemand qui s'est intéressé pendant son temps libre à l'astronautique, dont il a été l'un des pionniers. Son ouvrage de 1925, L'atteignabilité des corps célestes, a fait date car il y présentait le concept d'orbite de transfert. © DP

On sait que les orbites sont des ellipses plus ou moins excentriques. Pour passer de l’une à l’autre, par exemple d’une orbite autour de la Terre à celle de la Lune, il faut allumer les moteurs d’une fusée à un point de l’orbite pendant un temps donné afin de se placer sur une orbite de transfert, elle aussi elliptique, tangente à l’orbite que l’on veut atteindre. Une fois en ce point, un autre allumage des moteurs pendant une brève durée assure le passage à l’orbite finale. Ces deux allumages consomment évidemment du carburant, et plus il y a de changements d’orbite, plus la quantité de carburant à emporter devient grande. Il n'en reste pas moins que les quantités de carburant nécessaires pour voyager de cette façon dans le Système solaire sont bien moindres que si l'on voulait voyager en ligne droite.

Comme le carburant lui-même fait partie de la masse à transférer, la quantité nécessaire pour atteindre une grande vitesse croît bien plus vite que linéairement en fonction de la masse totale de la fusée. C’est pour cela que le mécanisme de l'assistance gravitationnelle est utilisé en complément des orbites de transfert par les sondes interplanétaires pour passer d’une orbite à une autre.

Le principe de l'orbite de transfert de Hohmann (en jaune) est représenté sur ce schéma. Une mise en route des moteurs produit un changement de vitesse Δv pour passer d'une orbite circulaire de rayon R à une autre orbite circulaire de rayon R'. On peut penser au transfert d'une sonde d'une orbite autour de la Terre à une orbite lunaire par exemple. Au point d'intersection de l'orbite de transfert avec l'orbite lunaire, une seconde et brève mise en route des moteurs change à nouveau la vitesse selon un vecteur de valeur Δv'. © Leafnode, Wikipédia, cc by sa 2.5 Le principe de l'orbite de transfert de Hohmann (en jaune) est représenté sur ce schéma. Une mise en route des moteurs produit un changement de vitesse Δv pour passer d'une orbite circulaire de rayon R à une autre orbite circulaire de rayon R'. On peut penser au transfert d'une sonde d'une orbite autour de la Terre à une orbite lunaire par exemple. Au point d'intersection de l'orbite de transfert avec l'orbite lunaire, une seconde et brève mise en route des moteurs change à nouveau la vitesse selon un vecteur de valeur Δv'. © Leafnode, Wikipédia, cc by sa 2.5

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