Des ricochets dans l’espace
Dans le nuit du vendredi 1er au samedi 2 octobre, la sonde spatiale nommée BepiColombo(*), destinée à l’étude de Mercure (planète de notre système solaire la plus proche du soleil), est passée tout prêt de sa planète de destination, à environ 200 km de distance. Mais… elle ne s’est pas arrêtée ! Elle a continué sa route à toute vitesse et est partie faire un tour dans l’espace… jusqu’en 2024/2025, date à laquelle elle reviendra se mettre progressivement, enfin, en orbite autour de Mercure.
Mais pourquoi donc passer sans s’arrêter ? Panne de freins ? Envie soudaine de liberté et de continuer à voyager ? Rien de tout cela : poursuivez la lecture et vous saurez tout !
Voyager dans l’espace
Dans les films, les voyages dans l’espace c’est simple : on décolle d’une planète, on allume les moteurs et hop, destination une autre planète où on arrive en quelques minutes (grâce aux « passages en vitesse lumière » comme dans Starwars) avant de s’y poser tranquillement…
Dans le monde réel c’est un plus compliqué. Outre le fait que les « passages en vitesse lumière » ça n’existe pas (dommage !), il faut composer avec les lois de la gravitation qui sont redoutablement enquiquinantes…
La force de gravité, on l’expérimente tous dans notre vie sur Terre : la gravitation a pour conséquence, on le sait, que la Terre attire tous les objets qui tombent irrémédiablement à sa surface. Et quand on veut s’élever, cela nécessite de l’énergie :
– sauter en l’air à 1m de hauteur demande une bonne dose d’énergie musculaire,
– monter à quelques kilomètres de hauteur nécessite un avion et une bonne quantité de kérosène,
– aller dans l’espace nécessite une fusée et des centaines de tonnes de carburant…
Tout se passe comme si la Terre était au fond d’une sorte de « puits gravitationnel » :
– tous les objets sont attirés vers le fond,
– plus on veut monter pour s’éloigner du fond voire sortir du puits, plus il faut faire des efforts et dépenser de l’énergie.
Tous les corps célestes sans exception ont leur puits gravitationnel, notamment le soleil : celui-ci est au fond d’un puits gravitationnel bien plus grand et profond que celui de la Terre compte tenu de la masse considérable du soleil. Le puits gravitationnel du soleil est grand comme le système solaire entier !
Faisons un petit résumé avant de continuer :
– pour s’éloigner d’un objet céleste (Terre, Soleil…), il faut de l’énergie. Concrètement, il faut accélérer le plus possible pour augmenter sa vitesse et sortir du puits gravitationnel.
– a contrario, si on veut se rapprocher d’un corps céleste, alors cela revient à « tomber » vers le fond du puits… il faut alors freiner pour éviter de prendre de la vitesse, sinon l’abordage avec la planète va mal se passer…
Voilà le problème des voyages spatiaux : ces fichus puits gravitationnels dont il faut sortir ou dans lesquels il faut rentrer !
A l’échelle du système solaire, quand on veut envoyer des sondes vers d’autres planètes depuis la Terre, il faut donc :
1) D’abord sortir du puits gravitationnel de la Terre, facile, c’est la fusée qui fait le boulot en acquérant une vitesse suffisante (environ 40 000 km/h) grâce à son carburant.
2) Ensuite ça se complique, il faut tenir compte de l’énorme puits gravitationnel du soleil et il y a deux cas :
A – pour atteindre les planètes plus loin du soleil que la Terre (Mars, Jupiter, Saturne, Uranus ou Neptune), il faut s’éloigner du soleil et donc accélérer pour remonter le puits
B – pour atteindre les planètes plus proches du soleil que la Terre (Vénus ou Mercure), il faut se rapprocher du soleil : la vitesse va naturellement augmenter car on tombe dans le puits et il va falloir freiner
Comment fait-on pour accélérer ou freiner ? On pourrait utiliser les moteurs de la sonde, mais cela consommerait beaucoup de carburant et cela serait embêtant car plus il faudrait alors en emporter bien plus dans la sonde et donc utiliser une fusée plus lourde, et donc plus chère, pour s’extraire du puits gravitationnel de la Terre.
Donc non, pas les moteurs. On utilise en fait une autre solution très astucieuse que l’on va voir maintenant. Et vous allez ainsi comprendre le titre « les ricochets de l’espace » ;-)
Fronde et freinage gravitationnel
Dans les années soixante, les spécialistes en mécanique céleste ont proposé d’utiliser, pour accélérer ou freiner une sonde spatiale, le fait de la faire volontairement passer à proximité d’une planète. Qu’est-ce à dire ?
Lorsqu’une sonde en cours de voyage, déjà bien lancée avec une bonne vitesse, passe à proximité d’une planète, alors elle tombe un peu dans son puits gravitationnel avant d’en ressortir, sur une trajectoire déviée par rapport à sa trajectoire initiale.
L’astuce est que si on se débrouille pour aborder la planète sous le bon angle et du bon côté, alors il est possible de modifier non seulement la trajectoire de la sonde, mais aussi la vitesse : on peut ainsi accélérer ou freiner !
Comment ça marche ? Et bien sachant que les planètes se déplacent (en tournant autour du soleil) et ont donc une vitesse propre, le principe est le suivant :
Accélération gravitationnelle (ou « fronde » gravitationnelle)
Si la sonde aborde la planète en passant derrière elle (dans son « sillage » en quelque sorte) par rapport au déplacement de la planète, alors la sonde sera accélérée.
En effet, en passant derrière la planète tandis que celle-ci s’éloigne en avançant, l’attraction de la planète va attirer la sonde vers l’avant : cela va l’accélérer, comme le fait une fronde qui lance une pierre, d’où le nom de « fronde gravitationnelle ».
Le graphique en bas à droite montre l’évolution de la vitesse de la sonde lors de son passage : elle est plus importante en sortie qu’en entrée
Freinage
Si la sonde aborde la planète en passant devant elle par rapport au déplacement de la planète, alors la sonde sera freinée.
En effet, pendant que la sonde passe devant la planète tandis que celle-ci continue d’avancer, l’attraction de la planète va l’attirer vers l’arrière : cela va la freiner.
Le graphique en bas à droite montre l’évolution de la vitesse de la sonde lors de son passage : elle est plus faible en sortie qu’en entrée
Et voilà l’histoire. Toutes les agences spatiales utilisent cette astuce pour envoyer leurs sondes vers des planètes éloignées : pour les atteindre, les sondes « ricochent » sur les planètes rencontrées en chemin, souvent plusieurs fois de suite, pour freiner ou accélérer suffisamment.
Cette méthode a commencé d’être utilisée dans les années 70 avec les sondes Pioneer 10 et 11, lancées respectivement en 1972 et 1973, puis systématiquement sur quasi toutes les sondes lancées ensuite.
Encore plus fort : fréquemment, le premier ricochet est sur la Terre elle-même peu de temps après le départ de la sonde ! C’est à dire qu’on lance la sonde, elle commence son voyage sans trop s’éloigner de l’orbite de la Terre, puis quelques mois après la sonde repasse à proximité de la Terre et là, paf, ricochet !
De même en arrivant à destination : la sonde passe une première fois à proximité de la planète de destination, un ricochet en passant pour freiner, ensuite encore un petit tour dans l’espace avant de repasser près de la planète quelques mois plus tard pour se mettre en orbite. C’est précisément ce qu’a fait Bepi-Colombo, sauf qu’il lui faudra en fait plusieurs passages de freinage près de Mercure pour réduire suffisamment sa vitesse.
Voici une vidéo montrant tout le parcours suivi par Bepi-Colombo depuis son départ de la Terre. Chaque ricochet est visible par un petit rond qui apparaît fugacement à chaque passage à proximité d’une planète.
Sur la vidéo on voit le soleil au milieu, ensuite Mercure et son orbite, puis Vénus et son orbite et enfin la Terre et son orbite (le plus grand cercle), d’où part la sonde (en blanc).
Vous verrez que la sonde fait en réalité 9(!) ricochets de freinage en tout,
– 1 sur la Terre,
– 2 sur Vénus,
– 6 sur Mercure,
avant de se mettre définitivement en orbite ! C’est dire que pour arriver sur Mercure, très proche du soleil, quasiment au fond du puits gravitationnel de celui-ci, il faut sacrément freiner. Pour les amateurs de ski, imaginez une piste noire que vous descendez : il vous faut enchaîner de nombreux virages pour freiner et arriver en bas sans trop de vitesse…
(mettez la vidéo en pleine écran et essayez de compter les ricochets ;-) )
C’est tout pour cette fois, j’espère que cette histoire de ricochets de l’espace vous aura intéressé !
(*) Seulement deux sondes ont exploré Mercure jusqu’à aujourd’hui : Mariner 10 dans les années 1970 et Messenger dans les années 2010-2015.
La mission BepiColombo a pour objectif d’étudier la surface et l’intérieur de Mercure, planète assez mal connue du fait de la difficulté de l’observer avec des télescopes depuis la Terre (Mercure est trop proche du soleil et donc noyée dans la lumière de celui-ci) et d’y envoyer & d’y faire fonctionner des sondes : éloignement, températures élevées (350°C) dues à la proximité du soleil.
La mission Bepi-Colombo a été nommée en l’honneur du professeur Giuseppe (Bepi) Colombo (1920-1984) de l’Université de Padoue (Italie), mathématicien et ingénieur, qui a contribué à la mission Mariner 10.
Crédits photos :
https://solarsystem.nasa.gov/missions/bepicolombo/in-depth/
https://fr.wikipedia.org/wiki/Assistance_gravitationnelle
Merci Philippe pour cet exposé fort intéressant. J’imagine mal la somme et la difficulté des calculs pour « prévoir » et organiser ces ricochets.
Oui effectivement… Et comme les sondes passent très très près des planètes lors des ricochets, la moindre erreur peut conduire à un crash sur la planète…
En fait les trajectoires des sondes sont suivies très précisément durant tout le voyage pour vérifier qu’elles sont conformes aux calculs et s’il y a un écart on utilise les propulseurs de la sonde pour corriger. C’est indispensable car, compte tenu du nombre de ricochets, une erreur de trajectoire même minime s’amplifie ensuite très vite => il faut corriger tout de suite tous les écarts.