Assistance gravitationnelle - Définition et Explications

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Introduction

L'assistance gravitationnelle ou appui gravitationnel, dans le domaine de la mécanique spatiale, est l'utilisation volontaire de l'attraction d'un corps céleste (planète, lune) pour modifier en direction et en vitesse (On distingue :) la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) d'un engin spatial (sonde spatiale, satellite artificiel (Un satellite artificiel est un objet fabriqué par l'homme, envoyé dans l'espace à...),...). L'objectif est d'utiliser ce phénomène pour économiser le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) qui aurait dû être consommé par le moteur-fusée (Les moteurs-fusées sont des moteurs à réaction utilisés sur les...) du véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...) pour obtenir le même résultat. Toutes les sondes spatiales à destination des corps célestes éloignés de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) ont recours à cette méthode.

Explication

Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), l'engin spatial s'approche de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) et finit par rentrer dans sa zone d'influence (il entre dans sa sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) de Hill). Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) gravitationnel attire de plus en plus l'engin spatial qui voit sa vitesse augmenter : il « tombe » vers la planète et donc accélère. La trajectoire de l'engin a été établie de manière à éviter une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) avec la planète choisie. Il dépasse donc la planète sain et sauf et sort progressivement du champ gravitationnel de celle-ci, en perdant petit à petit de la vitesse. À la fin du survol (lorsqu'il sort de la sphère de Hill), l'engin spatial a perdu autant de vitesse pendant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de sortie qu'il en a gagné pendant la phase d'entrée. Pourtant sa vitesse a considérablement changé, en grandeur et en direction.

Du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de la planète, l'engin suit une trajectoire hyperbolique, tracée de son point d'entrée dans la sphère de Hill (Une sphère de Hill est une approximation de la sphère d'influence gravitationnelle d'un objet,...) de la planète jusqu'à sa sortie. À ces points, la vitesse de l'engin est la même, mais son orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...). Du point de vue du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), l'orientation et la magnitude de la vitesse de l'engin ont changé. Ceci permet soit d'envoyer l'engin plus loin du Soleil (il emprunte alors de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) et du moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle...) à la planète), ou au contraire de diminuer son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) (l'engin donne énergie et moment angulaire à la planète). C'est précisément par ce mécanisme que les planètes peuvent capturer des comètes ou éjecter des astéroïdes du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...).

Exemple

Voyager 2, qui a fait le tour des planètes géantes, a été lancé sur une orbite standard de transfert de Hohmann vers Jupiter. Si Jupiter n'avait pas été là au moment de l'arrivée du vaisseau spatial, celui-ci aurait continué sur son orbite et serait revenu vers la Terre.

Cependant, l'arrivée de la sonde spatiale (Une sonde spatiale est un vaisseau spatial non habité envoyé par l'homme pour...) a été soigneusement calculée de sorte qu'elle passe derrière Jupiter dans son orbite autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du Soleil. Quand la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) est arrivée, elle est "tombée" vers Jupiter, sous l'influence de son champ de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). L'orbite était néanmoins faite pour que la sonde passe près de Jupiter mais ne s'écrase pas dessus. Après s'être approché très près de Jupiter la sonde s'est alors éloignée de la planète. Pendant cette phase d'éloignement, elle a ralenti par rapport à Jupiter. En effet elle "s'élevait" par rapport à Jupiter, et donc ralentissait comme elle avait accéléré quand elle était tombée vers lui. Dans le cas des trajectoires dans l'espace, il y a conservation de l'énergie : la sonde a donc quitté Jupiter (on entend par là quitter la zone d'influence gravitationnelle de Jupiter) avec la même énergie que quand elle y était arrivée.

Cependant, dans le référentiel héliocentrique, l'énergie de la sonde a bien changé. En effet son vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) vitesse a tourné dans le référentiel de Jupiter, grâce à la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...). Et le fait qu'il ait tourné, fait qu'à la sortie de la sphère d'influence de Jupiter, la somme entre le vecteur vitesse de la sonde dans le référentiel de Jupiter et le vecteur vitesse de Jupiter autour du soleil (somme qui est donc le vecteur vitesse de la sonde autour du soleil) est plus importante qu'avant car l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) entre les deux vecteurs est plus faible.

Cependant, la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de gravité est réciproque : si la sonde a bien été accélérée par Jupiter, alors Jupiter a aussi été ralentie par la sonde. Néanmoins, ce ralentissement (Le signal de ralentissement (de type SNCF) annonce une aiguille (ou plusieurs) en position déviée...) de Jupiter est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) à fait infime puisque dépendant du rapport entre la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de la sonde (moins d'une tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large...), soit 1×103 kg) et la masse de Jupiter (environ 2×1027 kg). Des milliers de sondes pourraient être envoyées de cette façon sans que Jupiter ne soit nullement perturbée dans sa course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) autour du Soleil.

Cette technique a été répétée ensuite à l'approche de Saturne et Uranus.

Le cas de la sonde Cassini-Huygens (La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le...)

La sonde Cassini-Huygens (sonde spatiale) a utilisé à plusieurs reprises l'assistance gravitationnelle (L'assistance gravitationnelle ou appui gravitationnel, dans le domaine de la mécanique...) pour parvenir à Saturne. Elle a modifié son vecteur vitesse d'abord en passant à deux reprises près de Vénus puis la Terre et enfin Jupiter. L'utilisation de l'assistance gravitationnelle a allongé sa trajectoire qui a duré 6,7 ans au lieu des 6 ans nécessaires pour une orbite de transfert (Une orbite de transfert, dans le domaine de l'astronautique, est l'orbite sur laquelle est placé...) de Hohman mais elle a permis d'économiser un delta-V de 2 km/s permettant à cette sonde particulièrement lourde d'atteindre Saturne. Il aurait fallu donner une vitesse de 15,6 km/s à la sonde (en négligeant la gravité de Saturne et de la Terre ainsi que les effets de la trainée atmosphérique) pour la placer sur une trajectoire directe ce qu'aucun lanceur ( Lanceur, terme de l'astronautique Lanceur, terme du baseball ) à l'époque n'aurait été capable de faire.

Trajectoire interplanétaire de la sonde Cassini
Vitesse de Cassini (La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le...) par rapport au Soleil. L'effet de l'assistance gravitationnelle se traduit par les pics visibles sur la gauche du graphiques. Les pics de droite sont dus à l'orbite de la sonde autour de Saturne. La vitesse est indiquée en km/s. On peut remarquer que la vitesse minimale de la sonde autour de Saturne est égale à la vitesse orbitale (La vitesse orbitale d'un corps céleste, le plus souvent une planète, un satellite naturel, un...) de Saturne soit à peu près 5 km/s, vitesse qui a été atteinte par la sonde lorsqu'elle a été capturée par Saturne.
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