LANCEMENT ET MISE EN ORBITE D’UN SATELLITE

La mission d’un satellite artificiel lui impose de décrire une trajectoire bien déterminée.
Il faut donc qu’il puisse la rejoindre et s’y maintenir. Pour rejoindre cette trajectoire, il suit une cinétique de lancement et de mise en orbite particulière. Une fois placé sur son orbite, il doit conserver une certaine orientation par rapport à la Terre et au Soleil. Cette attitude lui permet de recevoir suffisamment d’énergie solaire et d’effectuer des prises de vue dans les conditions voulues ainsi que de communiquer avec la Terre.
Mais, si la théorie lui impose une trajectoire perpétuelle et imperturbable, la réalité est tout autre. En effet, lorsqu’il est à poste sur son orbite, il subit diverses perturbations qui le freinent ou l’accélèrent et modifient son mouvement. Ainsi, des interventions sont nécessaires pour le maintenir dans le droit chemin.

I. Le lancement et la mise en orbite d’un satellite :

Le lancement d'un satellite se fait grâce à un lanceur du type Ariane 5. Pour être satellisé sur une orbite de rayon r, il faut lui communiquer une vitesse élevée (nous verrons plus tard que la vitesse à communiquer est d’autant plus forte que r, ou l’altitude h, est faible).

Pour communiquer de telles vitesses, les fusées comportent généralement de un à quatre étages, ce qui permet de se débarrasser, au fur et à mesure de la combustion, d’une masse devenue inutile. Lorsqu’il se trouve à l’altitude désirée, le dernier étage restant de la fusée est horizontal, et accéléré pour atteindre la vitesse de satellisation. A la fin de cette phase, le lanceur n'est plus composé que par le dernier étage. Le couple lanceur-satellite se situe au point d’injection (à plus de 250km d’altitude) c’est-à-dire le point de l’espace où un lanceur libère ses satellites en leur communiquant la vitesse suffisante pour décrire l’orbite visée. A ce moment le satellite se sépare de la fusée porteuse.

En effet, une fusée comme Ariane, ne peut monter qu’à une centaine de kilomètre d’altitude. Or, certaines orbites sont à des altitudes bien plus élevées : c’est le cas de l’orbite géostationnaire qui se situent à 36 000 kilomètres d’altitude. Au moment où le troisième étage va libérer le satellite, la vitesse est très élevée – à plus de 10km/seconde – si bien que le satellite va monter tout seul jusqu’à son orbite.

Les différentes étapes de ce processus se déroulent de la façon suivante :

Comme nous l’avons vu précédemment, pour être mis en orbite, le satellite doit posséder une vitesse suffisamment élevée. Ceci est expliqué par Newton dans ses célèbres Principia. En effet, il explique, aidé par les travaux de Kepler et de sa troisième loi, et grâce à la loi de la gravitation pourquoi la lune ne tombe pas sur la terre. Ainsi, il explique par la même occasion le principe de mise en orbite d’un satellite.

Dans la loi de la gravitation Newton stipule : « Tout corps matériel dans l’univers attire tout autre corps avec une force directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de leur distance ».

Ainsi, on obtient l’explication suivante :

Soit m la masse de l’objet en orbite, v sa vitesse, r la distance entre l’objet et le centre de la Terre. Et soit, M la masse de la Terre, G la constante gravitationnelle et a l’accélération. S : le satellite et T : la Terre
A partir du principe fondamental de la dynamique (1) et de la force gravitationnelle (2) qui s’exerce sur un objet en orbite, on peut établir l’égalité (3) et découvrir la loi de l’accélération centripète (4) qui maintient un corps en orbite à une distance r à la vitesse v.
Si la Lune ne tombe pas sur la Terre, il faut chercher la cause dans l'action conjointe des deux mêmes forces : d'un côté la Lune tombe sur la Terre par l'effet de la gravité, sous son propre poids, mais d'un autre côté son inertie lui imposerait de suivre une trajectoire rectiligne si elle ne subissait pas l’attraction terrestre. Il en résulte une trajectoire autour de la Terre dans laquelle la force d'inertie compense l'effet de la pesanteur.

Rappelons qu'il n'existe pas de "force centrifuge" qui équilibrerait la force de pesanteur. Oubliez ce terme, il n'existe pas. Une force est une interaction qui par définition s'exerce entre deux corps et qui a pour effet de soit les accélérer soit les déformer. Si vous considérez une "force centrifuge" quel est le deuxième corps qui interagit ? Il n'y en a pas car ce n'est qu'un effet de l'entraînement du corps par inertie.

Ainsi, après quelques calculs, à partir de la relation (3), on obtient


Or G constitue la constante de gravitation (G=6.67.10-11N.m².kg-2) et M la masse de la terre. Le rapport M/r est donc constant. Par conséquent, plus r est grand, plus v est petit et plus r est petit, plus v est grand. En d’autres termes, la vitesse à communiquer pour mettre un satellite en orbite est d’autant plus grande que r est faible.

VITESSE DE SATELLISATION :

Il existe une vitesse en dessous de laquelle la satellisation n’est pas possible : le satellite retomberait ou brûlerait dans l’atmosphère. Cette vitesse est appelée vitesse de satellisation circulaire ; l’orbite est alors un cercle. Sa valeur dépend de l’altitude au point d’injection.

Si la vitesse est supérieure à cette valeur limite, l’orbite est alors une ellipse. Plus la vitesse croit, plus l’ellipse s’allonge. Dans le cas d’une orbite elliptique, on parle alors d’apogée (le point le plus éloigné de la Terre sur l’orbite) et de périgée (le point le plus proche). La vitesse est inversement proportionnelle à l’altitude, elle est donc maximale au périgée et minimale à l’apogée.

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Apogée, périgée et dérivés
Le terme générique apoastre (contraire : périastre ) d’un objet céleste désigne le point de l’orbite le plus éloigné de l’astre autour duquel il gravite. Selon l’astre en question, le vocabulaire s’adapte : ainsi on parle d’apogée s’il s’agit de la Terre (du grec gê, Terre), d’aphélie pour le Soleil (du grec hêlios, Soleil), et par analogie, d’apolune pour la Lune ou d'apojove pour Jupiter.
Contrairement, on parlera de périgée (pour la Terre), de périhélie (pour le Soleil), de périlune (pour la Lune) et de périjove (pour Jupiter) pour désigner le point de l’orbite le plus proche de l’astre autour duquel il gravite. ___________________________________________________________

La vitesse de libération de la Terre est définie comme la vitesse initiale qu'un corps doit posséder afin de pouvoir échapper à l'attraction gravitationnelle de notre planète. Elle est d'environ 11 kilomètres par seconde. Ainsi, pour envoyer une sonde vers une autre planète, il est nécessaire de la lancer au moins avec cette vitesse. Sinon, l'engin ne peut pas s'échapper, soit il retombe sur Terre, soit il se retrouve en orbite autour de notre planète tel un satellite.
La vitesse minimale de lancement, ou vitesse de libération, est telle que :

II. Les différentes orbites :

En première définition, une orbite est l’ensemble des positions occupées dans l’espace par un astre ou satellite artificiel, lorsqu’il est en mouvement autour d’un astre de plus grande masse que lui. Quel que soit l’objet, cette trajectoire n’est pas aléatoire : elle lui est dictée par les lois de la gravitation.

Prenons l’exemple d’un satellite artificiel terrestre. Sa trajectoire est tout d’abord fonction des conditions de son lancement (l’intensité et la direction de la vitesse). Lorsque celui-ci est libéré, il est soumis à la seule gravité terrestre, l’obligeant à décrire une courbe plane et régulière : son orbite. Il est alors dit satellisé : il gravite (ou orbite) autour de la Terre.

Différents types d’orbites :

Orbite polaire : À une altitude généralement assez basse, un satellite en orbite polaire survole les pôles à chaque révolution. Avec une inclinaison proche de 90°, il survole la quasi-totalité de la Terre et est de ce fait très intéressant pour l’observation de la Terre.

Orbite inclinée : Seule une partie de la Terre défile sous le satellite. L’inclinaison varie entre 0,1° et 89,9°

Orbite géostationnaire : Situé à 36 000 km d’altitude, un satellite géostationnaire nous apparaît immobile. En réalité, il évolue à plus de 10 000 km/h dans le plan de l’équateur, et effectue (comme la Terre) une orbite complète en 23 h 56 min. Sur cette orbite, le satellite, dans le plan de l’équateur, reste autour de la même région constamment.

Dans le cas d’une orbite basse le lanceur injecte en général le satellite sur une orbite très proche de celle recherchée.
La mise à poste d’un satellite géostationnaire se fait en plusieurs étapes.
Rappelons que l’orbite géostationnaire est une orbite circulaire, située dans le plan de l’équateur, à près de 36 000 km d’altitude. Le satellite est injecté sur une orbite elliptique dite de transfert géostationnaire, qu’il décrit de manière spontanée ; l’apogée est proche de l’altitude définitive et le périgée à environ 200 km d’altitude. L’orbite est ensuite progressivement circularisée grâce à 3 ou 4 poussées du moteur d’apogée, mis à feu lors de passages du satellite à l’apogée.

Orbite héliosynchrone : Un satellite héliosynchrone passe toujours à la même heure solaire au-dessus d’un même point. Le plan de l’orbite conserve toujours la même orientation par rapport au Soleil. Cette orbite est d’un grand intérêt pour l’observation de la Terre : elle permet d’observer une même région dans des conditions d’éclairement similaires à chaque passage.

Chacune de ces orbites sont soit circulaires soit elliptiques.
Un satellite placé sur une orbite circulaire définit un cercle parfait autour de la Terre, il passe autant de temps au dessus de toutes les régions et son altitude est constante par rapport à la surface de la Terre.
Un satellite placé sur une orbite elliptique, décrit quant à lui une ellipse autour de la Terre. Il passe plus de temps au dessus des régions à l’apogée qu’au périgée.

Cependant, le satellite, lorsqu’il est sur son orbite, subit divers phénomènes qui agissent sur son comportement et qui modifient sa trajectoire.

Ces perturbations sont de plusieurs natures :

- La Terre n’est pas parfaitement sphérique, ni uniformément dense : aplatie aux pôles et renflée à l’équateur, elle présente des variations de son champ de gravité pouvant atteindre 1/1000 de l’attraction terrestre principale ;

- Le vide spatial n’est pas absolu : il règne à proximité de la Terre ce qu’on appelle une atmosphère résiduelle, de plus en plus dense à mesure qu’on se rapproche de la Terre. Jusqu’à 1 000 km d’altitude au moins, le satellite est freiné par des frottements dus aux molécules et atomes qu’il rencontre. Ainsi, à 800 km il peut rester ½ siècle en orbite, alors qu’à 300 km il retombera dans l’atmosphère au bout de quelques mois, et à 200 km au bout de quelques jours.

- Le satellite est soumis à l’attraction de la Lune et du Soleil ;

- Le Soleil émet des photons pouvant, dans une moindre mesure, perturber le mouvement du satellite.