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Assistance gravitationnelle

DéfinitionClassé sous :Astronautique , Mariner 10 , Voyager 1
Galileo est lancée le 18 octobre 1989 par la navette spatiale américaine Atlantis. Après un voyage de six ans, au cours duquel elle a recours à l'assistance gravitationnelle de la Terre à deux reprises et à celle de Vénus, la sonde se place en orbite autour de Jupiter le 7 décembre 1995. Elle circule sur une orbite de deux mois qu'elle parcourt à 35 reprises au cours de la phase scientifique de la mission et qui s'achève après plusieurs prolongations en 2003. Au cours de son voyage vers Jupiter, Galileo effectue un survol rapproché des astéroïdes (951) Gaspra et (243) Ida, et découvre une lune autour de ce dernier, Dactyl. © Nasa, DP

L'assistance gravitationnelle est une technique utilisant l'attraction des planètes pour donner un supplément de vitesse à une sonde interplanétaire. On parle aussi d'effet de fronde gravitationnelle. Cette technique est maintenant employée pour la plupart des sondes interplanétaires, dans le but d'économiser du carburant. Voici pourquoi.

La gravitation impose de nombreuses contraintes rendant difficile un voyage en ligne droite d'une planète à un 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 aux vitesses les plus élevées 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.

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 (du nom du mathématicien et astronome français Édouard 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.

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 douer 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'assistance gravitationnelle et l'exploration du Système solaire

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.

La Nasa va mettre en pratique pour la première fois ce concept avec la sonde Mariner 10, qui utilisera Vénus le 5 février 1974 pour atteindre Mercure le 16 mars 1974. Il s'agissait du premier vol interplanétaire au moyen de l'assistance gravitationnelle, mais 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 ne virent pas le jour à cause de compression de budget. 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 étant donné 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 parvenir à Saturne. Elle a modifié sa vitesse d'abord en passant à deux reprises près de Vénus, puis de la Terre et enfin de Jupiter. On peut citer aussi les exemples des sondes Rosetta et New Horizon.