Vol orbital ou suborbital

Avertissement : Cette page ne se veut qu'une courte introduction à l'astronautique. Les concepts utilisés se limitent au programme de physique de troisième. Les explications proposées doivent donc être appréhendées dans ce contexte.

Vitesse de satellisation
En classe de troisième, nous considérons qu'un satellite ( dans notre cas une navette spatiale ) est soumis à deux forces :

Le poids P qui l'attire vers le centre de la terre. La valeur du poids dépend de la distance du satellite à la terre et de la masse du satellite.

La force centrifuge Fcentrifuge qui tend à l'éloigner de la terre. La valeur de cette force centrifuge dépend de la vitesse du satellite et de sa masse.

Lorsque le satellite décrit une orbite circulaire autour de la Terre, la force centrifuge et le poids se compensent exactement. La navette reste à une altitude constante. Il s'agit d'un vol orbital.

Pour placer un objet en orbite, il suffit donc de lui communiquer une altitude et une vitesse suffisante. dans notre cas, pour une altitude de 300 km ( orbite basse ), la vitesse de satellisation est de 27 800 km/h.

Il est impossible de placer un corps en orbite à une altitude plus basse autour de la terre, le frottement de l'air sur le satellite lui interdiraient de garder sa vitesse constante, on appelle ce phénomène le freinage atmosphérique. En revanche, autour de la Lune, qui ne possède pas d'atmosphère, un satellite peut orbiter à une altitude à peine supérieure à celle du plus haut sommet.

Vol orbital ou suborbital
De manière à placer un satellite en orbite, il est nécessaire de lui faire acquérir l'altitude et la vitesse de satellisation nécessaire pour l'amener à son point d'insertion en orbite.

Contrairement à beaucoup d'idée reçues, le satellite n'est donc pas lancé verticalement, sa trajectoire s'incurve très rapidement de manière à concilier prise de vitesse et d'altitude.

L'insertion d'un objet, même modeste, en orbite nécessite des quantités phénoménales d'énergie. Pour lancer Spoutnik 1, d'une masse de 83 kg le 4 octobre 1957, les soviétiques ont utilisé une fusée R-7 Semiorka de 267 tonnes. La masse du satellite représentait donc 0,03 % de la masse totale du lanceur. Autrement dit 99,97 % de la masse au décollage était consommée. Sur une fusée moderne comme Ariane 5, ce pourcentage est de 97 % ( 22 tonnes en orbite basse pour 730 tonnes au lancement ).

Si la vitesse à communiquer à l'objet à lancer est insuffisante, le point d'insertion n'est pas atteint, l'objet retombe sans être satellisé ( son poids excède la force centrifuge ). On parle alors de vol suborbital. Un vol suborbital permet néanmoins d'atteindre les frontières de l'espace, fixée par des traités internationaux à l'altitude de 100 km. Le premier engin à posséder la capacité de réaliser un vol suborbital fût une fusée allemande V2/A4 à partir de mars 1943.

Quelques images de lancements

Lancement de Discovery, le 13 mars 1989 - Photo NASA
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Cette photo d'un lancement de la navette Discovery est intéressante à plus d'un titre. Tout d'abord, on entrevoit l'organisation des infrastructures de lancement ( le Pad 39B de Cape Canaveral en bord de mer ), avec en second plan le réservoir de dioxygène liquide qui est le comburant des trois moteurs cryogéniques, on peut distinguer à l'arrière plan à droite le réservoir de dihydrogène liquide.
A noter également, le nuage d'eau produit par le système d'aborption de l'onde sonore qui s'élève à 150 m au dessus du sol et qui s'étend sur près d'un kilomètre.
Ensuite la navette qui vient de décoller a atteint 700 m d'altitude, elle est passée sur le dos et a quitté sa trajectoire verticale.

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Lancement d'Atlantis, le 8 avril 2002 - Photo NASA
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Ce montage de trois photographies représente le décollage de la navette Atlantis le 8 avril 2002. La trainée de fumée du lancement ( en partie dispersée par le vent ) file vers l'est permettant de visualiser la trajectoire très incurvée de la navette.
La fumée est principalement constituée de gouttelettes d'eau, produit de fonctionnement des moteurs cryogéniques dioxygène-dihydrogène et d'alumine produite par les deux accélérateurs à poudre ( boosters ).