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L'assistance gravitationnelle, une clé des voyages interplanétaires

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Il y a 40 ans ce mois-ci, Mariner 10 était la première mission à avoir utilisé l'assistance gravitationnelle d'une planète pour modifier sa trajectoire afin d'en rencontrer une autre. En se servant de l'attraction gravitationnelle engendrée par Vénus, une sonde allait visiter pour la première fois la planète Mercure. La technique sera plus tard employée pour explorer les planètes externes du Système solaire à l'occasion du fameux « Grand Tour » de Voyager 2.

La sonde Mariner 10 a marqué son temps de trois façons. Elle a été la première à visiter Mercure, à utiliser l'assistance gravitationnelle pour entreprendre un voyage interplanétaire et à utiliser le principe de la voile solaire. Le système de contrôle d'attitude ayant subi une défaillance, les ingénieurs eurent l'idée d'utiliser la pression des photons sur les panneaux solaires pour maintenir l'orientation de la sonde. © Nasa

Les bases de la théorie des voyages interplanétaires ont été posées en grande partie pendant le premier quart du XXe siècle. Parmi les noms les plus importants, on trouve bien sûr le russe d'origine polonaise Constantin Tsiolkovski et l'ingénieur allemand Walter Hohmann. Le premier a découvert une équation donnant la vitesse que pouvait atteindre une fusée en fonction de la vitesse d'éjection des gaz, de sa masse initiale et de sa charge utile. Le second a introduit la notion d'orbite de transfert : il s'agit d'une orbite elliptique permettant de passer d'une orbite circulaire, ou presque, à une autre dans un même plan en utilisant seulement deux brèves impulsions données à un vaisseau spatial.

Extraits d’un documentaire sur la vie de Constantin Tsiolkovski (1857-1935). Russe d'origine polonaise, malentendant à la suite d'une scarlatine contractée à neuf ans, Tsiolkovski a été refusé dans les écoles traditionnelles. Il a donc été autodidacte par la force des choses, notamment en mathématiques. Le philosophe Nikolaï Fiodorov le guidera pendant trois ans à Moscou, et lui ouvrira des horizons divers comme l'exploration de l'espace. © FILM.UA Group, YouTube

L'équation de Tsiolkovski et les orbites de Hohmann traduisent le fait que l'on ne peut pas voyager entre les planètes comme le ferait un bateau sur les océans. La gravitation impose de nombreuses contraintes rendant difficile un voyage en ligne droite d'une planète à une autre, à moins de disposer d'un moteur-fusée exceptionnel. En effet, pour atteindre une vitesse donnée, par exemple celle de libération d'une planète, il faut dépenser du carburant... pour propulser le carburant. Pour une charge utile donnée, il faut pouvoir éjecter des gaz à la vitesse la plus élevée possible si l'on dispose de peu de carburant. Pour le moment, on en est encore réduit à faire voyager des masses peu importantes selon des trajectoires bien déterminées lorsqu'on veut visiter une planète du Système solaire.

L'astronautique et la mécanique céleste

Il existe heureusement une stratégie pour voyager d'une planète à une autre en économisant du carburant : l'assistance gravitationnelle. Elle consiste à faire entrer une sonde dans ce que l'on appelle la sphère de Hill (du nom de son découvreur, le mathématicien et astronome George Hill), encore appelée la sphère de Roche. Cette sphère d'influence gravitationnelle d'un corps céleste, que l'on ne doit pas confondre avec la limite de Roche, définit une région dans laquelle un autre corps céleste a tendance à rester naturellement un satellite du premier malgré l'influence gravitationnelle d'un troisième corps. La Terre possède donc une sphère de Hill par rapport au Soleil dans laquelle se trouve la Lune, et il en est de même pour la Lune elle-même par rapport à la Terre et au Soleil, ainsi que pour les autres planètes comme Jupiter et Vénus.

L'utilisation d'un filtre dans l’ultraviolet a permis aux instruments de Mariner 10 de révéler certains détails de l'atmosphère de Vénus. L'image que l'on voit ici a été prise avec ce filtre, mais a été traitée pour se rapprocher de ce que verrait un œil humain observant Vénus. La planète est perpétuellement recouverte par un voile épais de nuages ​​élevés avec une atmosphère composée de dioxyde de carbone. Sa température de surface s’approche de 460 °C. Lancée le 3 novembre 1973 au sommet d'une fusée Atlas-Centaur, Mariner 10 a survolé Vénus le 5 février 1974. © Nasa

Lorsqu'une sonde entre dans une sphère de Hill avec une vitesse suffisante pour ne pas y rester, sa vitesse augmente comme le ferait une bille tombant dans une cuvette, avant de diminuer à la sortie de la cuvette. On pourrait croire que le bilan est nul, mais du fait du mouvement de la planète possédant une sphère de Hill, il devient possible d'emprunter une partie du moment cinétique orbitale de la planète pour doter la sonde d'une impulsion supplémentaire si l'on s'y prend bien. En passant de planète en planète, une sonde peut donc accélérer pour atteindre des vitesses considérables sans utiliser de carburant et parcourir des distances beaucoup plus rapidement.

L'idée d'utiliser l'influence gravitationnelle d'une planète pour changer la vitesse d'un vaisseau spatial remonte aux années 1920 avec les travaux du mathématicien ukrainien Yuri Kondratyuk. On lui doit aussi le rendez-vous en orbite lunaire (LOR, lunar orbit rendezvous), qui est le nom du scénario de mission qui a été suivi par le programme spatial Apollo pour envoyer des hommes sur la Lune. Mais c'est le mathématicien états-unien Michael Minovitch qui saisira vraiment toute la portée de l'idée de l'assistance gravitationnelle d'une planète en 1961, à savoir la possibilité de réduire la consommation de carburant nécessaire à des voyages interplanétaires rapides.

Mariner 10 a fait trois survols de Mercure. Les photos qu'elle a prises ont été rassemblées pour donner cette image montrant une partie de la surface de la planète. © Nasa

Assistance gravitationnelle et exploration du Système solaire

La Nasa mettra en pratique pour la première fois ce concept avec la sonde Mariner 10, qui utilisera Vénus le 5 février 1974 pour atteindre pour la première fois Mercure le 16 mars 1974. S'il s'agissait du premier vol interplanétaire au moyen de l'assistance gravitationnelle, la technique avait tout de même déjà été utilisée lors du vol de la sonde russe Luna 3 en 1959. Mercure ne sera à nouveau visitée que 33 ans plus tard, par la sonde Messenger le 14 janvier 2008.

Les sondes Mariner 11 et 12, qui étaient prévues, ne virent pas le jour à cause de compressions de budget. Mais plutôt que de continuer à explorer le Système solaire interne, la Nasa utilisa les travaux déjà engagés pour un projet bien plus ambitieux. C'est ainsi que naquirent les sondes Voyager 1 et Voyager 2, ainsi que le projet d'un « Grand Tour » du Système solaire en direction des planètes externes. C'est l'ingénieur Gary Flandro qui s'est rendu compte en 1964 que les travaux de Minovitch, son collègue de la Nasa, permettaient d'envisager ce Grand Tour en moins de dix ans, ce qui semblait impossible avec la technologie de l'époque.

Depuis, l'assistance gravitationnelle d'une planète a été mise à profit par d'autres missions, comme celle de la sonde Cassini-Huygens qui l'a utilisée à plusieurs reprises pour atteindre Saturne. Elle a modifié sa vitesse d'abord en passant à deux reprises près de Vénus, puis de la Terre et enfin de Jupiter.