Agence spatiale canadienne
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Le mouvement orbital
Manoeuvrer dans l'espace
Changer l'orbite grâce aux moteurs
La conduite dans l'espace
La manoeuvre d'un engin spatial n'a rien de commun avec la manoeuvre de tout autre véhicule.
À l'inverse d'une voiture, d'un camion ou d'une bicyclette, qui peuvent changer de direction grâce à leur contact au sol, l'engin spatial n'a aucune surface d'appui dans l'espace.
Pour changer de direction, les navires et les bateaux réagissent aux mouvements que l'eau exerce sur le gouvernail, tandis que les avions répondent aux mouvements que l'air exerce sur les surfaces manoeuvrables.
Dans l'espace, il n'y a absolument rien sur quoi l'engin spatial peut s'appuyer pour exercer ses manoeuvres.
Par conséquent, toutes les navettes spatiales doivent compter sur leurs propres moyens pour changer de direction ou de vitesse.
Elles s'en remettent donc au combustible.
Baseball interplanétaire
Chaque manoeuvre effectuée dans l'espace s'apparente à lancer une balle de baseball. On « projette » du combustible dans une direction, et l'engin spatial réagit en se propulsant dans la direction opposée.
Le mouvement de la navette spatiale est entièrement déterminé par les forces gravitationnelles agissant sur l'engin lorsque la mise à feu est terminée.
La mise à feu sert uniquement à modifier la vitesse orbitale ou la direction de la navette. Une fois la combustion terminée, la trajectoire de la navette est entièrement déterminée par les forces gravitationnelles agissant sur elle.
Après la mise à feu, toute variation de vitesse ou de direction de l'appareil est indépendante de la volonté de l'équipage. C'est la loi de la gravité!
L'incidence de la mise à feu des moteurs
Les diagrammes ci-dessous illustrent les trajectoires orbitales initiales et finales décrites par une navette spatiale qui est à l'origine placée en orbite circulaire dans le plan de l'équateur terrestre.
Les diagrammes offrent une vue en plongée sur le pôle Nord. Les échelles sont amplifiées pour les besoins de l'illustration.
Les lignes continues représentent l'orbite de départ, tandis que les lignes pointillées indiquent l'orbite finale atteinte après la mise à feu indiquée.
1. Poussée avant
Lorsque les moteurs de la navette sont mis à feu dans une direction parallèle à la trajectoire orbitale, l'énergie accrue propulse l'engin vers l'avant. Les lois de la mécanique des orbites poussent l'engin spatial à s'élever en résistant aux forces d'attraction terrestre et à décrire une orbite elliptique.
Pour ramener l'engin dans une orbite circulaire mais plus grande, il faut une deuxième mise à feu des moteurs, à l'apogée.
La poussée qui fait accélérer la navette dans la direction de son mouvement accroît le rayon orbital et provoque un ralentissement de la navette!
2. Poussée inversée
La mise à feu des moteurs dans une direction parallèle à l'orbite de la navette, mais en direction opposée à son mouvement orbital, entraîne un ralentissement de la navette, qui « tombe » sous l'effet de l'attraction gravitationnelle de la Terre.
L'orbite finale a un plus petit rayon que l'orbite initiale, mais la navette se déplace en fait plus rapidement!
La contradiction apparente découle du fait que l'engin transforme son énergie potentielle de gravité (lorsqu'il « tombe » dans l'orbite basse) en énergie cinétique (ce qui fait accroître sa vitesse).
3. Rotation du plan orbital
La poussée appliquée à angle par rapport à la direction orbitale produit deux effets.
La composante (vecteur) de la poussée en direction avant (ou inversée) entraîne une modification de la grandeur de l'orbite.
La composante (vecteur) de la poussée à angle droit de la direction orbitale initiale entraîne une rotation de l'orbite, qui se trouve alors à un autre angle par rapport au plan orbital initial.
Par exemple, dans l'illustration de gauche, si on exerce une poussée à angle droit du plan orbital, l'orbite circulaire est déplacée dans le sens anti-horaire (vue de haut, dans le plan de la page).
4. Rotation du plan orbital
De la même façon, si on veut provoquer une rotation du plan orbital dans le sens opposé, il faut exercer une poussée à angle par rapport au plan de l'orbite circulaire.
Pour conserver le même rayon orbital (de sorte que seul le plan de l'orbite change), il est important de s'assurer que la vitesse orbitale ne change pas. Il faut alors connaître précisément le vecteur vitesse initial (Vi) et le vecteur vitesse final requis (Vf).
À partir de ces deux données, la magnitude et la direction du changement de vitesse requis peuvent être calculés de telle sorte que l'orbite circulaire soit maintenue et que seul le plan orbital change.
REMARQUE : Comparativement aux changements du rayon orbital, les changements de
plan orbital requièrent une quantité énorme d'énergie
(donc de combustible).
5. Poussée radiale vers le haut
Une chose intéressante se produit si l'on exerce une poussée parallèle au rayon orbital.
Comme on peut s'y attendre, l'application d'une poussée vers le haut entraîne une accélération de la navette vers le haut, dans une orbite plus élevée. Cela fait augmenter l'énergie potentielle de gravité de la navette, et celle-ci perd graduellement sa vitesse verticale. À sa hauteur maximale, elle commence à retomber, et son énergie cinétique augmente. Cette fois cependant, l'énergie cinétique se manifeste en direction avant.
L'effet final est exactement le même que celui
d'une mise à feu des moteurs en
direction avant.
Une chose intéressante se produit si l'on exerce une poussée parallèle au rayon orbital.
Comme on peut s'y attendre, l'application d'une poussée vers le haut entraîne une accélération de la navette vers le haut, dans une orbite plus élevée. Cela fait augmenter l'énergie potentielle de gravité de la navette, et celle-ci perd graduellement sa vitesse verticale. À sa hauteur maximale, elle commence à retomber, et son énergie cinétique augmente. Cette fois cependant, l'énergie cinétique se manifeste en direction avant.
L'effet final est exactement le même que celui d'une mise à feu des moteurs en direction avant.
6. Poussée radiale vers le bas
Un cas encore plus intéressant (on pourrait même dire bizarre) se produit lorsqu'on exerce une poussée parallèle au rayon orbital, mais vers le bas.
Comme on peut s'y attendre, en subissant une poussée vers le bas, la navette spatiale accélère vers le bas pour se trouver dans une orbite plus basse. L'énergie potentielle de gravité est alors convertie en énergie cinétique, combinée à l'augmentation de l'énergie cinétique occasionnée par la mise à feu.
Cette grande augmentation de l'énergie cinétique résulte en un accroissement important de la vitesse vers l'avant.
L'effet final est exactement le même que celui d'une mise à feu des moteurs en direction avant, déplaçant la navette vers une orbite plus grande.
Activité pour les élèves | Corrigé
