Espace et engins spaciaux
1 L’espace
L'espace désigne les zones de l'Univers situées au-delà des atmosphères et
des corps célestes. Il s'agit de l'étendue de densité quasiment nulle qui
sépare les astres. Selon les endroits de l'espace, on parlera d'espace : cis
lunaire (délimité par le système Terre-Lune), interplanétaire,
interstellaire (délimité par les planètes) ou intersidéral (délimité par les
étoiles) et intergalactique (délimité par les galaxies) pour désigner le
vide spatial.
Le système solaire
Il comprend une étoile, le soleil et des planètes.
1.1 Les planètes
sont des astres de forme sphérique (en encadré sur
la figure) tournant autour d'une étoile et ayant capturé tous les corps
présents sur leur orbite. Pluton ne remplit pas (plus) ce dernier critère.
Les planètes du système solaire sont Mercure, Vénus, la Terre, Mars,
Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune dans l’ordre d’éloignement avec le
soleil. Une phrase pour se souvenir de l’ordre des planètes « Mon Vieux
Toutou Médor Joue Sur Un Nuage »
1.2 Les étoiles
sont des corps célestes plasmatiques qui rayonnent
leur propre lumière par réactions de fusion nucléaire, ou des corps qui ont
été dans cet état à un stade de leur cycle de vie, comme les naines blanches
ou les étoiles à neutrons. Cela signifie qu'ils doivent posséder au départ
une masse minimale pour que les conditions de température et de pression au
sein de la région centrale permettent l'amorce et le maintien de la fusion.
Notre soleil est une étoile.
1.3 Les galaxies
sont des ensembles d'étoiles, de poussières et de gaz interstellaires dont
la cohésion est assurée par la gravitation. Les galaxies présentent une
grande diversité de taille (entre 2.000 et 500.000 années-lumière de
diamètre) et de forme. Le rayonnement provenant des galaxies permet de
répartir ces dernières en galaxies normales et galaxies actives, parmi
lesquelles se trouvent les quasars. Les regroupements de galaxies que l'on
observe dans l'univers sont appelés amas et superamas.
Galaxie Andromède
La galaxie à laquelle appartient le système solaire est la Voie lactée. La
grande galaxie la plus proche de la Voie lactée, Andromède, est située à 2,3
millions d'années-lumière. Notre galaxie possède toutefois deux petites
galaxies satellites (le grand et le petit Nuages de Magellan)
Voie lactée
2 Limite entre atmosphère et espace.
Cette limite n’est pas nette, la Fédération aéronautique internationale a
établi la ligne de Kármán à une altitude de 100 km comme définition de cette
frontière, mais, dans le milieu astronautique, une personne qui se déplace
au-delà d'une altitude de 80 km est désignée astronaute ou cosmonaute à
contrario, on considère que c’est à partir de 120 km que l’atmosphère
perturbe et ralenti les satellites.
3Les véhicules spatiaux
Un véhicule spatial ou astronef ou spationef est un véhicule permettant de
se déplacer dans l'espace ou d'y accéder depuis la surface d'un corps
céleste.
Un véhicule spatial peut être habité ou inhabité. Les véhicules spatiaux
sont conçus pour une variété de missions.
On distinguera :
3.1 Le satellite artificiel
- Le satellite artificiel qui est un objet fabriqué par l'être humain,
envoyé dans l'espace à l'aide d'un lanceur et gravitant autour d'une étoile,
d’une planète ou d'un satellite naturel. La vitesse imprimée par le lanceur
au satellite lui permet de se maintenir pratiquement indéfiniment dans
l'espace en décrivant une orbite autour du corps céleste.
-
3.1.1 Orbites
Cette orbite est définie en fonction du rôle attribué au satellite, et se
situer à des altitudes plus ou moins élevées, et prendre différentes formes.
3.1.1.1 Hauteur de l’orbite
-orbite basse. L'orbite terrestre basse ou OTB (LEO, Low Earth Orbit) est
une zone de l'orbite terrestre allant jusqu'à 2 000 kilomètres d'altitude,
située entre l'atmosphère et la ceinture de Van Allen (zone de la
magnétosphère de la Terre entourant l'équateur magnétique et contenant une
grande densité de particules énergétiques).
-orbite moyenne. L'orbite terrestre moyenne, communément appelée orbite
circulaire intermédiaire ou MEO (Medium Earth Orbit), est une orbite autour
de la Terre située entre 2 000 et 35 786 kilomètres d'altitude, soit
au-dessus de l'orbite terrestre basse et en dessous de l'orbite
géostationnaire.
-orbite haute. L’orbite terrestre haute est une orbite terrestre dont
l'apogée est situé au-dessus de l'orbite géosynchrone, soit environ 35 786
kilomètres
3.1.1.2 Forme de l’orbite
-orbite polaire ou quasi polaire
Une orbite polaire est une orbite inclinée de près de 90 degrés. Les
véhicules spatiaux positionnés sur ces orbites survolent ainsi les pôles de
l'astre à chaque révolution. Une orbite polaire permet, grâce à la rotation
de la Terre, de survoler régulièrement l'ensemble du globe
-orbite héliosynchrone
héliosynchrone, une orbite dont le plan reste fixe vis-à-vis de la direction
Terre-Soleil.
L'orbite midi/minuit est un cas particulier de l'orbite héliosynchrone où
l'heure solaire fixe de passage est aux environs de midi ou minuit pour les
longitudes équatoriales. L'orbite crépusculaire, similairement, est une
orbite héliosynchrone dont l'heure solaire fixe de passage coïncide avec le
lever ou le coucher du Soleil.
-orbite géostationnaire
Une orbite géostationnaire, abrégée GEO (geostationary orbit) est une orbite
circulaire autour d'un corps céleste (Terre ou autre) caractérisée par une
inclinaison orbitale nulle et une vitesse orbitale identique à celle de ce
corps. Un objet placé sur une orbite géostationnaire reste en permanence
au-dessus du même point de l'équateur. L'orbite géostationnaire autour de la
Terre se situe à une altitude de 35 784 km, elle est donc suffisamment
élevée pour qu'un hémisphère terrestre complet soit visible.
-orbite elliptique
Une orbite elliptique est une orbite dont l'excentricité est inférieure à 1
et non nulle.
-orbite circulaire
Une orbite circulaire présente une trajectoire circulaire. Tous ses
paramètres scalaires sont constants, c'est-à-dire le module de la vitesse,
la vitesse angulaire, l'énergie potentielle et l'énergie cinétique. Elle n'a
ni apogée ni périgée.
3.1.2 Caractéristiques d’une
orbite
-Le péricentre périapse, périapside, ou apside inférieure est le point de
l’orbite d’un objet céleste où la distance est minimale par rapport au foyer
de cette orbite..
-L’apocentre, apoapse, apoapside, ou apside supérieure, est le point de
l'orbite d'un objet céleste où la distance est maximale par rapport au foyer
de l'orbite
-Le demi-grand axe : la moitié de la distance qui sépare le péricentre de
l'apocentre (le plus grand diamètre de l'ellipse). Ce paramètre définit la
taille absolue de l'orbite. Il n'a de sens en réalité que dans le cas d'une
trajectoire elliptique ou circulaire (le demi-grand-axe est infini dans le
cas d'une parabole ou d'une hyperbole)
-L’Excentricité d’une une ellipse est le lieu des points dont la somme des
distances à deux points fixes, les foyers, est constante. L'excentricité
mesure le décalage des foyers par rapport au centre de l'ellipse; c'est le
rapport de la distance centre-foyer au demi-grand-axe. Le type de
trajectoire dépend de l'excentricité e :
• Si e=0 : trajectoire circulaire
• Si 0<e<1 : trajectoire elliptique
• Si e=1: trajectoire parabolique
• Si e >1: trajectoire hyperbolique
-L'inclinaison d'orbite (en anglais : orbital inclination) ou inclinaison
est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit
l'angle dièdre entre le plan de l'orbite et le plan principal du système de
référence (généralement le plan de l'écliptique, c'est-à-dire le plan moyen
de l'orbite de la Terre, ou le plan équatorial).
-La longitude du nœud ascendant est un élément orbital permettant de définir
l'orbite d'un corps autour d'un autre. Pour un corps en orbite autour du
Soleil (ou de la Terre), il s'agit de l'angle entre la direction du point
vernal (notée γ sur la figure) et la ligne des nœuds, mesuré dans le plan de
référence (généralement le plan de l'écliptique) et dans le sens direct.
Cette valeur est également appelée ascension droite du nœud ascendant.
-L'argument du périastre est un des éléments utilisés pour définir la
trajectoire d'un corps en orbite autour d'un autre. Il exprime l'angle entre
la direction du nœud ascendant et celle du périastre de cette orbite. Il est
mesuré dans le plan orbital et dans la direction du mouvement du corps
-Le point vernal (noté gamma γ) est l'un des deux points de la sphère
céleste où l'équateur céleste et l'écliptique se croisent. Précisément, ce
point est défini par la position du Soleil sur la sphère céleste au moment
de l'équinoxe de printemps dans l'hémisphère Nord.
3.2 Sonde spatiale
Une sonde spatiale est un véhicule spatial sans équipage lancé dans l'espace
pour étudier à plus ou moins grande distance différents objets célestes : le
Soleil, les planètes, planètes naines, les petits corps, leurs satellites,
le milieu interplanétaire ou encore le milieu interstellaire. Une sonde
spatiale se distingue des autres engins spatiaux non habités qui restent en
orbite terrestre. Les sondes spatiales peuvent prendre un grand nombre de
formes pour remplir leur mission : orbiteur placé en orbite autour du corps
céleste observé, atterrisseur qui explore in situ le sol de la planète
cible, impacteur, etc. Une sonde peut emporter des engins autonomes pour
accroître son champ d'investigation : sous-satellite, impacteur, rover,
ballon.
3.2.1 Un Orbiteur
Un orbiteur ou sonde orbitale désigne une sonde spatiale qui étudie une
planète ou un autre corps céleste en se plaçant en orbite autour de
celui-ci. Il s'oppose principalement à l'atterrisseur qui est une sonde
spatiale atterrissant à la surface pour une étude in situ, ainsi qu'à
l'impacteur qui vient percuter cette surface. Il existe une quatrième
catégorie de sonde spatiale qui ne fait que survoler en passant les corps
célestes qu'il étudie.
L'orbiteur présente des avantages par rapport à un atterrisseur. Il est
beaucoup plus facile de placer une sonde spatiale en orbite que de la faire
atterrir .
3.2.2 Un impacteur
Un impacteur est tout objet percutant un astre, planète, comète ou
astéroïde.
3.2.3 Un atterrisseur
Un atterrisseur (lander ) désigne dans le domaine de l'astronautique un
engin spatial, embarqué dans un véhicule spatial, destiné à se poser sur la
surface d'un astre (ou d'un satellite). L'atterrisseur peut être habité ou
non.
On distingue deux grands types d'atterrisseurs :
1. les fixes, ou atterrisseurs au
sens strict, tels que Huygens sur Titan ;
2. ceux qui comportent un
astromobile, tels que Spirit et Opportunity sur Mars.
Selon le type de mission les sondes spatiales peuvent comporter un
atterrisseur, un orbiteur qui observe l'astre depuis son orbite. Certaines
sondes n'effectuent qu'un survol de l'astre à observer ce qui leur permet
d'observer successivement plusieurs corps célestes.
3.2.4 Une astromobile
Une astromobile ( rover) est un véhicule conçu pour explorer la surface
d'une autre planète ou d'un corps céleste. Au cours de ses déplacements, il
mène des observations et des analyses de son environnement, souvent de façon
quasi autonome et guidée depuis la Terre. Les astromobiles déployés sont
généralement des robots télécommandés ou disposant d'une certaine autonomie.
3.3 Une station
spatiale,
Une station spatiale, est une installation spatiale en orbite ou déposée sur
un astre, ne disposant pas de moyens de propulsion autonomes ou ne disposant
que de moyens de propulsion réduits, et destinée à assurer une ou plusieurs
missions déterminées avec une certaine permanence.
Jusqu'à présent, seules des stations spatiales destinées à être en orbite
terrestre basse ont été construites. Elles sont désignées comme « stations
orbitales ».
3.4 Une fusée
Une fusée, est un véhicule capable d'échapper à l'attraction terrestre et de
se déplacer dans l'espace proche, grâce à un moteur-fusée de grande
puissance. Une fusée doit ainsi atteindre la vitesse de libération en
emportant à la fois le combustible et le comburant nécessaires à son
fonctionnement, mais aussi une charge utile.
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