Futures missions lunaires: éviter le piège de bien étranges orbites...

Publié par Michel le 08/11/2006 à 00:00
Source: Space Daily / Science@Nasa
Illustration: NASA / Konopliv et al, Icarus 150 (2001)
Vers la fin de la mission d'Apollo 16, le 24 avril 1972, juste avant de revenir sur Terre, les trois astronautes ont lancé une dernière expérience scientifique: un petit "sous-satellite" appelé PFS-2 qui devait graviter autour de la Lune et accomplir une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) environ toutes les 2 heures (L'heure est une unité de mesure  :). Sa mission ? En compagnie de PFS-1, lancé par les astronautes d'Apollo 15 (Apollo 15 (26 juillet 1971 - 7 août 1971) est une mission habitée du programme Apollo. C’est la première mission faisant intervenir le...) huit mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) plus tôt, PFS-2 devait mesurer les particules chargées et les champs magnétiques au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici...) de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de la Lune est de...) en fonction de sa position par rapport à le Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande...). Mais quelque chose de bizarre se produisit.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) d'Apollo 16 et du petit satellite (Satellite peut faire référence à :) PFS-2

Les orbites des deux petits satellites auraient dues être des ellipses semblables, variant entre 89 et 122 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) au-dessus de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec...) lunaire (Pour les homonymes, voir Pierrot lunaire, une œuvre de musique vocale d'Arnold Schönberg.). Mais l'orbite de PFS-2 s'est rapidement déformée. En deux semaines et demie le satellite (Satellite peut faire référence à :) a littéralement piqué vers la surface pour atteindre une ellipse ne passant plus qu'à 10 kilomètres du sol lunaire au point (Graphie) le plus bas de son orbite. Alors que son orbite continuait à changer, PFS-2 s'est dégagé jusqu'à atteindre une altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...) un peu plus sereine (La Sereine est un cotre bermudien de 12,50 mètrès dessiné par le charpentier de marine Henri Dervin et lancé en 1952 en Bretagne. Propriété des...) à 50 kilomètres d'altitude. Mais pas pour longtemps: inexorablement, l'orbite du satellite le rapprochait de la Lune. Et le 29 mai 1972, soit seulement 35 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...) et 425 orbites après son lancement, PFS-2 s'est crashé à la surface.

Que s'était-il passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur...) ? C'est la lune elle-même qui a précipité (En chimie et en métallurgie, un précipité est la formation d'une phase dispersée hétérogène dans une phase majoritaire. La...) le petit engin vers son destin. Telle est la conclusion d'Alex S. Konopliv, scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés sont animés soit manuellement,...) au JPL à Pasadena. Avec plusieurs de ses collègues il a analysé les orbites de divers satellites gravitant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de la Lune depuis PFS-2, notamment la mission de Lunar Prospector (Lunar Prospector était une sonde d’exploration fabriqué par les Américains. Ce fut le premier engin construit dans le cadre du programme...) qui s'est déroulée en 1988-1989.

"Si la Lune état une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les...) uniforme, on pourrait avoir une orbite en ellipse ou en cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée...) parfaite", explique Konopliv. "La Lune n'a aucune atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) pouvant générer des frottements ou de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) sur les vaisseaux spatiaux, aussi ceux-ci devraient pouvoir descendre très bas: Lunar Prospector a passé six mois à seulement 30 kilomètres au-dessus de la surface". Alors pourquoi PFS-2, inséré dans une orbite elliptique relativement haute, s'est-il conduit comme un kamikaze ?

"La lune est extraordinairement irrégulière d'un point de vue gravitationnel", continue Konopliv. "Je ne parle pas de ses montagnes ou de sa topographie physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...). Je parle de sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...). Les grandes et plates "Mers" de lave (La lave est une roche en fusion, plus ou moins fluide, émise par un volcan lors d’une éruption. La lave est issue d'un magma, réserve de roche en fusion...) lunaire présentent d'importantes anomalies gravitationnelles en ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) que leur masse et donc leur champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction réciproque des corps massifs entre eux, sous l'effet de leur masse. Il s'observe au quotidien en...) sont sensiblement plus intenses qu'ailleurs dans le reste de la croûte lunaire". Connus sous le nom de "mascons" ou concentrations de masse, on en compte cinq sur la face visible de la Lune, tous situés dans des Mers lunaires observables avec des jumelles (On désigne par le terme jumelles un dispositif optique binoculaire grossissant destiné à l'observation d'objets à distance, constitué de deux lunettes symétriques montées en parallèle.) depuis la Terre.


Les mascons ou concentrations de masse lunaires sont
des irrégularités gravitationnelles de la croûte.
Les cinq plus grands correspondent à de grands cratères de lave
de la face visible de la Lune (à gauche): la Mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) des Pluies, la Mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) de la Sérénité,
la Mer des Crises, la Mer des Humeurs et la Mer du Nectar

L'anomalie de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) des mascons est si importante (un demi pour cent), qu'elle serait mesurable par des astronautes sur la surface lunaire. "Au bord d'une de ces mers, un fil à plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) serait incliné d'un tiers de degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) par rapport à la verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.), en direction du mascon", indique Konopliv. Un astronaute (Un astronaute est le nom donné à une personne qui voyage ou ayant voyagé dans l'espace. Le terme désigne généralement un professionnel, pilote ou passager d'un véhicule spatial. Youri...) avec son équipement pesant 20 kg verrait son poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la...) lunaire augmenter de 100 g au centre du mascon.

"Les mascons lunaires rendent la plupart des orbites basses lunaires instables", dit Konopliv. Lorsqu'un satellite passe à 80 ou 100 kilomètres au-dessus de l'un d'eux, celui-ci le fait, en fonction de sa trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.), dévier vers l'avant, l'arrière, la gauche, la droite, ou vers le bas. Sans des moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) pour effectuer des poussées périodiques afin de rectifier l'orbite, la plupart des satellites en orbites basses (moins de 100 kilomètres) finiront par s'écraser. PFS-2 ne fut que l'exemple spectaculaire d'un des pires cas envisageable. Mais même son prédécesseur PFS-1 a littéralement mordu la poussière en janvier 1973 après moins d'un an et demi en orbite.

Les conséquences pour l'exploration lunaire future

Il faudra être attentif au choix de l'orbite pour un satellite lunaire gravitant à faible altitude. "L'important, c'est l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence (généralement le plan de...) de l'orbite", c'est-à-dire l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) entre son plan et le plan équatorial lunaire. "Il existe en fait un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'orbites 'verrouillées' pour lesquelles un vaisseau spatial peut rester indéfiniment en orbite basse (L'orbite terrestre basse (Low Earth orbit, LEO, en anglais) est un type d'orbite terrestre situé entre 350 et 1 400 kilomètres d'altitude. On considère généralement que l'orbite...) stable. Elles surviennent pour quatre angles: 27º, 50º, 76º, et 86º", la dernière étant pratiquement une orbite polaire. L'orbite de PFS-1 d'Apollo 15 avait une inclinaison de 28º, qui s'avéra proche d'un des angles verrouillés, ce qui explique sa relative longévité (La longévité d'un être vivant est la durée de vie pour laquelle il est biologiquement programmé, dans des conditions idéales et en l'absence de maladie ou d'accident. Elle...). Mais le malheureux PFS-2, avec une inclinaison de 11º ne pouvait survivre longtemps.

Mais si les impératifs d'une mission imposent de choisir une orbite non stable, il sera alors nécessaire de procéder à des corrections fréquentes de trajectoire. Lunar Prospector devait effectuer une manoeuvre tous les deux mois pour se maintenir sur son orbite circulaire initiale à 100 kilomètres et plusieurs fois par mois lorsqu'il survola la surface à 30 kilomètres d'altitude. Lorsqu'il se trouva presque à court de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la...), les scientifiques ont su que sa fin était proche, aussi l'ont-ils délibérément fait s'écraser le 30 juillet 1999, près du pôle Sud (Le pôle Sud est le point le plus au sud de la surface de la Terre, diamétralement opposé au pôle Nord. Il est situé sur le continent Antarctique.) de la lune afin de tenter d'observer le panache de poussière lunaire provoqué par le crash. Les futures missions lunaires de ce type devront emporter beaucoup de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.), recommande Konopliv en conclusion.

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