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En vidéo : des autoroutes pour les sondes interplanétaires !

ActualitéClassé sous :Astronautique , shane ross , mécanique céleste

Entre les planètes du système solaire, les mécaniciens célestes ont déniché, entre les points de Lagrange, des voies royales dont pourraient profiter les engins spatiaux. Installées à l'intérieur de régions tubulaires, ces autoroutes allongent le trajet mais permettent une énorme économie de carburant.

La sonde Genesis était en orbite (jaune) autour d'un point de Lagrange. Son retour sur Terre s'est effectué en chute libre le long d'une des autoroutes de l'espace (vert). Les comètes et les astéroïdes constituant des géocroiseurs peuvent aussi emprunter ce genre d'autoroute. Crédit : Jen Christiansen

Malgré les extraordinaires missions de sondes interplanétaires, nous ne sommes encore qu'au début de l'exploration du système solaire. Les lunes de Jupiter, les familières Io et Europe ou les nombreux autres petits corps glacés en orbite, mériteraient une exploration beaucoup plus poussée.

Malheureusement, une sonde destinée à survoler la soixantaine de corps en orbite autour de Jupiter devrait disposer de réserves de carburant énormes, indispensables pour effectuer des changements d'orbite. A priori, une telle mission est impossible mais en se basant sur une découverte en mécanique céleste datant des années 1980, et à l'aide des ordinateurs modernes, on a pris conscience récemment qu'au moins une partie de cette mission d'exploration était réalisable.

Pour bien comprendre cette opportunité, il faut en remonter à la notion d'orbite de transfert de Hohmann, présentée dans l'illustration suivante.

L'orbite de transfert de Hohmann est ici en rouge. Une mise en route des moteurs produit un changement de vitesse, delta v1, pour passer d'une orbite circulaire basse à l'orbite lunaire. 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 delta v2. Crédit : Society for Industrial and Applied Mathematics

L'orbite de transfert de Hohmann est ici en rouge. Une mise en route des moteurs produit un changement de vitesse, delta v1, pour passer d'une orbite circulaire basse à l'orbite lunaire. 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 delta v2. Crédit : Society for Industrial and Applied Mathematics

Les champs de gravitation générés par un système à N corps sont assez complexes et, de plus, ils changent avec les mouvements des planètes. Il ne semble pas possible de créer un jour des dispositifs antigravité et des 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...

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'orbites plus la quantité de carburant à emporter devient grande. Comme le carburant lui-même fait partie de la masse à transférer, la quantité nécessaire croît bien plus vite que linéairement en fonction de la masse totale de la fusée. C'est pour cela aussi que le mécanisme de fronde gravitationnelle est utilisé par les sondes interplanétaires pour passer d'une orbite à une autre.

Or, si l'on sait s'y prendre en empruntant certaines orbites formant des tubes liant les points de Lagrange des systèmes planétaires, en particulier, ceux des systèmes de lunes autour d'une planète géantes, point n'est besoin de consommer du carburant ou presque lors d'un transfert d'orbite.

Les cinq points de Lagrange du système Terre (Earth)-Lune (Moon)Crédit : Society for Industrial and Applied Mathematics

Les cinq points de Lagrange du système Terre (Earth)-Lune (Moon)Crédit : Society for Industrial and Applied Mathematics

Rappelons ce que sont les points de Lagrange du système Terre-Lune. Il s'agit de points particuliers où les champs de gravitations de ces deux astres, combinés à la force de Coriolis du référentiel en mouvement avec les deux corps ayant pour origine le centre de masse du système, prennent des valeurs remarquables. En ces points un satellite peut rester en équilibre bien que certaines de ces positions soient en fait instables.

Le miracle est que la combinaison de forces précédentes crée aussi des orbites de transfert entre la Terre et la Lune qui ne nécessitent qu'un seul allumage de moteur. Quand un engin spatial emprunte l'une de ces trajectoires, formant une famille répartie dans un tube, son mouvement devient celui d'une chute libre entre l'orbite terrestre de départ et l'arrivée avec capture autour de la Lune.


Le transfert d'orbite selon une autoroute de l'espace est plus long que selon une orbite de transfert de Hohmann mais bien plus économique en carburant. Crédit : Shane Ross

Depuis quelque temps, les mécaniciens célestes explorent des trajectoires similaires à l'échelle du système solaire. Déjà, la mission Genesis qui devait collecter et ramener sur Terre des particules du vent solaire a exploité une telle autoroute interplanétaire. Cette astuce a permis de diminuer d'un facteur 10 la quantité de carburant nécessaire !

L'un des spécialistes de ces autoroutes interplanétaires s'appelle Shane D. Ross et il enseigne au Virginia Polytechnic Institute aux Etats-Unis. Avec des collègues allemands, il vient de publier un article technique sur ces autoroutes interplanétaires dans le système solaire. Il existe aussi un site avec plusieurs pages d'informations semi-techniques, en lien en bas de cet article.

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