Episode présenté dans l’épisode #91.
Le 4 octobre 1957, c’est le choc pour les Etats-Unis: l’URSS lance la course à l’espace en mettant en orbite le premier satellite artificiel, Spoutnik 1. Il s’agissait d’une sphère de 58 cm de diamètre pesant 83,6 kg. Il fut placé sur une orbite elliptique à une altitude comprise entre 225 (périgée) et 947km (apogée) et faisait le tour de la Terre en environ 98 minutes.
Quelle était sa fonction? Tout simplement d’émettre un bip sur les fréquences radio de 20 à 40Mhz
Pour écouter ce bip:
l’étude de ses signaux devait permettre d’étudier la propagation des ondes dans l’atmosphère et l’étude de sa trajectoire devait fournir des informations sur la densité de la haute atmosphère et sur la forme exacte de la Terre.
Les appareils électriques du satellite ont fonctionné pendant vingt-deux jours après le lancement, jusqu’à l’épuisement des batteries le 26 octobre 1957. Ensuite la trajectoire a été surveillée de manière optique et le 4 janvier 1958, Spoutnik est entré dans l’atmosphère et s’est consumé après avoir fait 1400 fois le tour de la Terre.
Entre temps les soviétiques ont déjà envoyé Spoutnik2, 1 mois seulement après Spoutnik1. Nikita Khrouchtchev , à l’époque premier secrétaire du parti communiste soviétique, avait exigé le lancement d’un second satellite en guise de célébration des 40ans de la révolution russe. Le satellite a donc été construit en seulement 4 semaines dans l’urgence. Mais ce satellite avait une également particularité: à son bord se trouve un être vivant, le premier être vivant à être envoyé en orbite, la fameuse chienne Laïka. Malheureusement l’histoire s’est mal terminée pour cette chienne, qui est morte 7 heures après le lancement. Elle serait morte de stress et de surchauffe à cause d’une défaillance dans le système de régulation de température. Mais elle prouva qu’un être vivant pouvait survivre en impesanteur.
Tout juste un mois après la destruction de Spoutnik1, les États-Unis lancent leur premier satellite Explorer1, en février 1958.
La France lancera Astérix son premier satellite fin novembre 1965.
Et le 12 avril 1961 les soviétiques envoient le premier homme dans l’espace, Youri Gagarine, lors de la mission Vostok 1
Depuis ce sont plus de 6000 satellites qui ont été mis en orbite.
Et pour la Suisse? Le premier satellite Suisse se nomme SwissCube et a été lancé en…2009. C’est un tout petit satellite de 800 grammes, muni d’un petit télescope. Mais il est l’œuvre d’un groupe d’étudiants qui viennent de différentes universités Suisses, dont l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Enfin, pour être complet sur les satellites Suisses en orbite, sachez qu’il y en a un deuxième qui a été lancé en Juillet 2010, par un groupe d’étudiants encore une fois, d’une Université en Suisse Italienne (SUPSI) (994 grammes pour celui-ci)
Lancement et trajectoire d’un satellite
Qu’est-ce qu’une orbite? En première définition, il s’agit de la trajectoire que suit un astre ou un satellite artificiel lorsqu’il est en mouvement autour d’un objet céleste de plus grande masse que lui. Cette trajectoire n’est pas aléatoire, mais résulte des lois de la gravitation. En guise de bref rappel, ou d’information pour ceux qui ne seraient pas familiers avec cette partie de la physique, rappelons que Newton avait stipulé que les corps s’attirent grâce à une force, la force gravitationnelle, qui est proportionnelle à leur masses et inversement proportionnelle au carré de leur distance.C’est-à-dire une force qui suit une loi en carré inverse.
Concrètement, tous les objets de l’univers possédant une masse crée un champ de force gravitationnel, même vous! Vous ne vous en rendez pas compte car votre masse est très faible devant la constante gravitationnelle. En effet G vaut 6,67.10^-11 N.m2.kg-2. Donc même s’il est extrêmement petit, ce champ de force que l’on crée par notre masse, existe bel et bien. Le champ de force qui résulte de la masse de la Terre est bien plus important. Tellement plus important que nos muscles se fatiguent tous les jours à le vaincre pour nous maintenir debout et qu’il nous ramène au sol lorsque l’on saute. On pourrait alors se demander pourquoi les satellites ne retombent pas vers la Terre eux aussi, puisqu’ils sont également soumis au champ de gravité terrestre? En réalité ils retombent bien vers la Terre! Pour mieux comprendre, prenons l’expérience de pensée du “canon de Newton”: Imaginons un canon tirant des boulets, et négligeons les forces de frottement dues à l’atmosphère (Une fois lancés, les boulets conservent donc leur vitesse initiale). En augmentant progressivement la vitesse d’impulsion donnée au départ au boulet, celui-ci va retomber de plus en plus loin. A partir d’une certaine vitesse, l’objet chute mais sans jamais atteindre le sol du fait de la courbure de la Terre. A chaque instant l’élévation d’altitude due à la courbure de la Terre est compensée par la perte d’altitude due au champs gravitationnel terrestre. Le boulet est alors dit “satellisé” et chute en permanence vers la Terre sans jamais s’en rapprocher.
A chaque altitude correspond une vitesse, dite “vitesse de satellisation” qui est la vitesse minimale que doit posséder un satellite pour rester en orbite à cette altitude autour d’un astre. Cette vitesse dépend donc de la distance par rapport au centre de l’astre et de la masse de l’astre (La formule est: V=Rac(GM/D)) Par exemple pour la Terre, la première orbite théoriquement utilisable se trouve à 200km d’altitude (à cette altitude, nous sommes au-dessus de l’atmosphère. Les satellites en orbite ne subissent alors plus de force de frottement qui les ralentirait) A cette altitude, la vitesse de satellisation vaut environ 7,8km/s. Cette vitesse est souvent appelée “première vitesse cosmique”
Si le satellite est lâché sur une orbite donnée avec une vitesse inférieure à cette vitesse de satellisation, l’objet va alors retomber sur Terre.
Dans le cas d’une vitesse égale à la vitesse de satellisation, la trajectoire décrit un cercle.
Si la vitesse est plus élevée, l’objet va alors décrire une ellipse, c’est à dire que sa distance par rapport à l’astre ne reste pas constante et varie entre un minimum qu’on appelle le périgée, et un maximum qu’on appelle l’apogée. Plus la vitesse (tangentielle) sera élevée, plus l’apogée se situera loin. Vous vous doutez alors, qu’il existe une vitesse à partir de laquelle l’apogée se trouve si loin, que le corps en orbite se retrouve alors arraché de l’attraction gravitationnelle de l’astre. Cette vitesse est appelée vitesse de libération. Elle est de 11km/s pour une orbite à 200km d’altitude
Une fois en orbite, la trajectoire du satellite va alors dépendre des 3 lois de Kepler.Ces lois ont été établi par Joannes Kepler en 1609 suite aux analyses des observations astronomiques de Tycho Brahé.
Tout d’abord il en a déduit une 1ere loi (loi des orbites) qui dit que l’orbite d’un satellite a la forme d’une ellipse dont un des deux foyers se trouve au centre du corps céleste autour duquel il gravite. (Une orbite circulaire est un cas particulier de l’ellipse où les deux foyers sont confondus au centre du cercle). Dit autrement et dans le contexte du système solaire, cela donne simplement: “Les planètes décrivent une ellipse, dont le soleil est l’un des foyers”
Enfin la 3e loi, la loi des périodes, stipule que la période de rotation du satellite autour du corps varie comme le cube de la longueur du grand axe de l’ellipse. Si T est la période et a le grand axe de l’ellipse (=la plus grande distance entre l’astre et le satellite) alors T^2 est proportionnel à a^3. Ainsi si l’on connait la période d’un satellite, on en déduit sa distance à l’astre et inversement.
A partir de ces lois de Kepler, on arrive à déterminer la trajectoire et donc la période orbitale (intervalle de temps compris entre deux passages consécutifs d’un satellite par un point de son orbite) et la vitesse orbitale (vitesse du satellite par rapport au centre de la planète) d’un satellite.
Le calcul nous donne par exemple une vitesse de 3km/s pour une orbite géostationnaire.
Catégories de satellites
La mise en orbite d’un satellite présente des avantages suivant le domaine d’application.
- Satellite de télécommunications: Ce sont des satellites utilisés uniquement pour transmettre des informations d’un point à un autre de la Terre, que ce soit des communications téléphoniques ou des transmissions de données (Ce que permettent des réseaux de téléphonie par satellite comme Globalstar, Iridium ou Thuraya), ou encore des programmes télévisés.Ces derniers transitent principalement par la flotte d’Intelsat (flotte de 51 satellites) Eutelsat (Hot-Bird, Atlantic Bird 3, W1, W2, W3) et celle de la SES ou Société Européenne de Satellites, Astra 1 et 2. Ce sont ces satellites qui émettent les bouquets de chaînes payantes reçues sur nos paraboles. Ils sont situés sur une orbite particulière qu’on appelle l’orbite géostationnaire (environ à 36 000km d’altitude), qui comme son nom l’indique, est une orbite où le satellite reste toujours au même endroit par rapport à la Terre. On comprend que pour éviter d’avoir à régler en permanence nos antennes paraboliques, cette orbite a un intérêt non négligeable pour les satellites de communications…
- Satellite de télédétection: Ces satellites d’observation scrutent la Terre dans un but scientifique (température de la mer, évolution du manteau neigeux, zone de sécheresse, suivi des aérosols en suspension dans l’atmosphère etc.), économique (ressources naturelles, agriculture, etc.) ou militaire (satellite-espion). Comme exemple on trouve la famille de satellites de METEOSAT qui fournissent des données pour observer les phénomènes atmosphériques et nous permet de faire des prévisions météorologiques. En général les satellites de télédétection ont une orbite orbite héliosynchrone. Ce sont des orbites dans le plan polaire dont l’altitude (qui est typiquement entre 600 et 1000km) et l’inclinaison (proche de 90°) sont choisis de façon à ce que l’angle entre le plan d’orbite et la direction du soleil reste à peu prés constant. Ainsi sur une telle orbite le satellite repasse au dessus du même point de la surface, à la même heure et donc avec le même éclairement de la zone observée.
Le satellite Pléiades-1 Pratique pour des satellites qui effectuent des photographies en lumière visible dans le but d’observer des variations, comme la flotte de satellites SPOT qui photographie la planète depuis plus de 20ans, ou le tout nouveau Pléiades-1 . Par contre d’autres satellites comme ceux de METEOSAT se situent plutôt sur une orbite géosynchrone afin d’observer une même zone.
Il y a également le satellite européen Planck qui traque des informations concernant les origines de l’univers (comme le “bruit de fond cosmologique” c’est-à-dire le rayonnement fossile de la toute première lumière de l’univers, émise 380 000 ans après le Big Bang)
Enfin, comment ne pas citer les stations spatiales, qui sont habitées par l’homme, tout le long de leur durée de fonctionnement. Aujourd’hui on connait la Station spatiale internationale , sa construction a débuté en 1998, et elle est occupée en permanence depuis 2002.
Par le passé les américains possédaient également la station Skylab (lancée en 1973 et désintégrée en 1979 en rentrant dans l’atmosphère) Et côté Russe il y eu d’abord les stations Saliout (7 envoyées entre 1971 et 1991, dont 6 qui ont été réellement occupé), puis la fameuse station Mir, en orbite de 1986 à mars 2001.
Les débris spatiaux, pollution extra-atmosphérique
Une chose à laquelle on pense moins, c’est au devenir de tout ces engins qu’on envoie dans l’espace.
Si beaucoup de matière retombent sur Terre ou se désintègrent dans l’atmosphère, ou sont envoyés vers des orbites dites “poubelles” ou orbite de rebut, une grosse partie erre sur les orbites usuelles. Et il y en a un nombre tellement important que les orbites terrestres commence à ressembler à des décharges orbitales.
La NASA estime qu’il y aurait plus de 22 000 objets ou fragments de plus de 10cm, mais plusieurs millions si l’on compte les fragments plus petits! Ces objets sont des satellites à l’abandon, des fragments de satellites ou encore des morceaux provenant d’explosion d’engins spatiaux (et dans ce cas ce sont plusieurs milliers de débris qui sont éparpillés)
Ces objets représentent bien sûr un danger. Quand ce n’est pas le danger qu’ils retombent sur Terre, le plus gros danger sont les risques de collisions avec les satellites en activité, les fusées qui couperaient leur trajectoire, voire des débris entre-eux (ce qui engendre également de nouveaux débris et donc accroit encore plus les risques). Ces objets peuvent aller à des vitesse de 30 000km/heure!
En octobre 2008, une opération de rehaussement de l’orbite de la Station Spatiale Internationale avait d’ailleurs été reporté de quelques jours à cause d’un nuage de débris se trouvant sur la nouvelle orbite, que la station aurait pu croiser.
Les probabilités de collisions sont encore très faibles, mais cela est pourtant arrivé en février 2009, le satellite d’une société Américaine, Iridium33 (un beau bébé de 560kg) est entré en collision à une altitude de 790km, avec un satellite russe hors service (Cosmos 2251, qui faisait lui un bon 900kg). Ce sont donc plusieurs milliers de débris qui se sont éparpillés sur les orbites voisines.
L’existence de cette pollution spatiale est donc non négligeable et il faut vraiment la prendre en considération avec une énorme attention.
Heureusement, nos amis Suisses sont là, et on en revient à parler de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne puisque des chercheurs de cette Grande Ecole, ont pour projet de concevoir une espèce de “satellite éboueur” pour nettoyer les orbites terrestres les plus encombrées.
Ce projet a été annoncé très récemment en février 2012, et un premier prototype, le Clean Space One, est en cours d’étude au sein du Swiss Space Center. Il aura pour but d’aller récupérer le satellite SwissCube (vous vous souvenez? Le premier satellite Suisse!), puis de redescendre avec lui et d’aller brûler dans l’atmosphère.
Vidéo: Clean Space One
La réalisation est prévue entre 2015 et 2017, tout dépendra du financement obtenu, puisque c’est un projet qui coûte quand même 8 millions d’euros. C’est une somme, mais ce projet sera certainement à l’origine de nombreux autres projets du même type, car même si la construction de satellites éboueur est couteux, les enjeux économiques sont bien plus importants, puisque l’augmentation du risque de collision aura pour conséquence l’augmentation du coût des assurances sur les satellites (qui s’élève à 20 milliards de dollars pour un satellite de communication) et par ricochet, l’augmentation du prix des services par ces satellites…
Enfin pour conclure sur ce dossier, il faut savoir que certains des satellites en orbite sont observables à l’œil nu et notamment la station ISS. De nombreux sites ou logiciels fournissent les éphémérides (UNE éphéméride), c’est à dire des tables astronomiques qui fournissent pour chaque jour les positions des astres et objets célestes comme Heavens-Above, CalSky, Celestrak.
sources: http://www.astrosurf.com/luxorion/satellites-artificiels.htm
http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=2668
http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/414-une-courbe-particuliere.php
http://www.sciencesetavenir.fr/espace/20120216.OBS1562/cleanspace-one-profession-nettoyeur.html
http://www.sciencesetavenir.fr/espace/20090212.OBS4459/collision-inedite-de-deux-satellites.html