Voyage!

A côté de l’astronomie qui permet d’observer les astres d’après la lumière où les autres radiations qu’ils émettent, l’astronautique permet d’aller vers les astres proches (pour le moment exclusivement ceux de notre système solaire) et éventuellement de s’y poser. Dans les deux cas, le messager est une forme d’énergie. Le problème avec l’astronautique est que l’énergie dont elle se sert est affectée d’une masse importante d’autant que, pour le moment, on ne sait utiliser que la propulsion chimique et, en balbutiant, l’énergie électrique ou l’énergie solaire (outre l’énergie nucléaire en appoint pour les missions très loin du soleil). Dans le cas de la propulsion chimique, la masse des ergols (carburants et comburants) constitue l’essentiel de la masse totale qu’il convient d’arracher à la gravité terrestre et la charge utile (« payload » comme disent les Anglo-saxons), l’accessoire. Ainsi le Space Launch System (« SLS ») de la NASA en cours de préparation, pourra mettre 70 tonnes en orbite basse terrestre (« LEO ») pour une masse au sol de 2500 tonnes. Il nous faudra 130 tonnes en LEO (comme du temps de la Saturn V du programme Apollo) pour mener des missions habitées lunaires ou martiennes qui pourront déposer une vingtaine de tonnes de charge utile sur la Lune ou sur Mars. Le SLS nécessaire est prévu. Il sera très lourd (3000 tonnes au sol)!

L’autre contrainte majeure du voyage est celle de la distance et donc du temps. Il faut six à neuf mois pour aller sur Mars dans les meilleures conditions, 3 ans pour aller dans le domaine de Jupiter, 6 ans dans celui de Saturne. Comme cette contrainte est évidemment liée à celle de l’énergie consommée, on retombe sur la première (celle de la masse) si l’on veut réaliser des déplacements physiques.

L’homme se trouve donc aujourd’hui vis-à-vis de l’espace comme il se trouvait vis-à-vis de l’océan au temps des caravelles. Il peut y faire quelques incursions mais il doit utiliser toutes les finesses de son imagination pour utiliser au mieux par des capacités limitées, des forces qui le dépassent infiniment. Il va donc jouer avec la gravité des astres, avec l’énergie qu’il peut libérer et avec les dates du temps (les « fenêtres de tir »). L’astronautique est la science qui combine ces possibilités et ces contraintes.

De ce fait, la ligne droite n’est pas la trajectoire d’un voyage spatial. En effet, après s’être hissé en « orbite de parking » au prix d’une « vitesse de satellisation minimale » de 7,9 km seconde, le vaisseau va attendre l’opportunité pour donner une impulsion supplémentaire (énergie !) pour gagner au moins 3,2 km/s de vitesse et ainsi atteindre la « vitesse de libération » de 11,2 km par seconde minimum pour la quitter (à la vitesse minimum de 3,2 km/s) en vue d’atteindre sa destination. Pour cela il va attendre de se trouver en position de bénéficier au maximum de la vitesse de la Terre par rapport au soleil pour profiter de cette dernière (sauf évidemment s’il ne va que vers la Lune qui fait partie de son propre système), comme un petit caillou dans une fronde.

Le vaisseau va donc se trouver « libéré » mais toujours pendant un certain temps sous influence résiduelle terrestre (qui va le freiner un peu) et surtout sous influence solaire. L’influence terrestre s’exercera jusqu’à ce qu’il sorte de sa sphère de Hill (ou de Roche) qui atteint 1,5 millions de km (la force d’attraction est évidemment de plus en plus faible au fur et à mesure qu’on s’éloigne). L’influence solaire va le contraindre beaucoup plus longtemps (le seul vaisseau construit de la main de l’homme, à s’en échapper est Voyager 1 lancé en Septembre 1977 par la NASA et qui se trouve aujourd’hui à quelques 19,8 milliards de km de la Terre, soit seulement 18h20 lumière). La contrainte solaire s’exprimera par une courbe, qui est un arc d’ellipse autour du soleil. C’est ainsi que l’on peut dire que telle sonde martienne a atteint Mars après 567 millions de km (et 8 mois 11 jours de voyage) alors que la distance maximale en ligne droite (lumière) n’est que de 400 millions de km et que les deux planètes étaient distantes de 204 millions de km lors du lancement. La rectitude relative de la trajectoire dépendra de l’impulsion spécifique donnée au départ, c’est-à-dire de la poussée donnée par le moteur pendant un certain temps.

La vitesse initiale ne sera que très peu freinée car le vaisseau voyagera dans le vide. Ainsi une fusée partie de la Terre avec une vitesse par rapport au soleil de quelques 33,2 km par seconde (30+3,2) aura encore quelques 20 km par seconde en approchant de Mars.

Ensuite, le vaisseau spatial, s’il ne va pas vers les astres voisins immédiats de la Terre (ou s’il se trouve dans une configuration qui le lui permet), pourra bénéficier de leur puissance gravitationnelle pour accélérer et changer de direction. Ainsi on va chercher à utiliser Vénus pour rentrer sur Terre à partir de Mars si on repart avant 18 mois, ou bien Jupiter si on veut aller jusqu’à Saturne. C’est là où l’on se rend compte que la date de départ est essentielle car on doit la choisir en fonction de la position où l’astre que l’on veut atteindre (ou utiliser) se trouvera, quand arrivera l’engin qu’on envoie.

Ensuite, si l’on veut se poser, il faudra entreprendre la manœuvre très délicate de l’atterrissage (« EDL ») également grande consommatrice d’énergie.

L’astronautique n’a rien de simple mais elle obéit à des règles extrêmement précises comme un merveilleux mécanisme d’horlogerie, ce qui en fait toute la beauté !

Illustration de titre: orbites de Cassini dans le système de Saturne, entre 2004 et 2017. Crédit image NASA/JPL-CalTech ;

Image ci-dessous: trajectoire Terre/Mars de la mission MSL (Curiosity). Crédit image : NASA/JPL-Caltech (ci-dessous).