Exploration de l'Espace,
science et techniques de la navigation dans l'espace,
également appelée astronautique.
L’astronautique, terme inventé en
1927 par Joseph Henri Rosny (1856-1940), désigne à la fois les
vols habités et les voyages entrepris par des sondes spatiales
automatisées. Elle constitue une science interdisciplinaire,
mettant à contribution différents domaines du savoir,
notamment la physique, l’astronomie, les mathématiques, la
chimie, la biologie, la médecine, l’électronique,
l’informatique et la météorologie.
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Grâce aux sondes envoyées dans
l’espace, on a pu rassembler de nouvelles données sur la nature et
sur l’origine du Système solaire et de l’Univers. Les satellites placés en orbite autour de
la Terre ont fait progresser les télécommunications, la
prévision météorologique et l’assistance à la navigation ;
ils ont également permis l’analyse précise de la surface
terrestre, pour des applications civiles et militaires.
L’ère spatiale commence
véritablement en octobre 1957 avec le lancement par l’URSS
de Spoutnik 1 et celui d’Explorer 1 par les États-Unis en
janvier 1958. En octobre 1958, la
NASA (National Aeronautics and Space
Administration, Agence nationale de l’aéronautique et
de l’espace) est fondée aux États-Unis. Au cours des deux
décennies suivantes, plus de 1.600 engins spatiaux de tous
types sont lancés, la plupart se limitant à une
exploration de l’orbite
terrestre. Puis, de juillet 1969 à décembre 1972, douze
hommes marchent sur la Lune. Actuellement, plusieurs
milliers d’objets sont en orbite autour de la Terre, la
plupart gravitant à des altitudes assez basses (400 à
1.600 km) ; il s’agit principalement de restes d’étages de
fusées, de satellites hors d’usage, ainsi que d’une multitude de
débris résultant d’explosions, les plus petits (quelques
centimètres) pouvant se révéler les plus dangereux pour un véhicule
spatial habité (les plus grands sont plus aisément repérables).
PHYSIQUE DE L'ESPACE :
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Le passage entre
l’atmosphère terrestre et l’espace intersidéral est
progressif. La densité de l’air diminue graduellement
au fur et à mesure que l’on s’élève en altitude,
jusqu’à devenir négligeable dans les couches
supérieures de l’atmosphère : à 30 km au-dessus du
niveau de la mer, la pression barométrique vaut un
huitième de celle qui règne au niveau de la mer. À
60 km, elle n’est plus que de 1/3.600 de cette valeur,
et à 90 km, 1/400.000 seulement. À l’altitude de
200 km, on trouve encore une atmosphère résiduelle
suffisamment dense pour freiner les
satellites par un phénomène de frottement
aérodynamique, ce qui leur fait progressivement perdre
de l’altitude, jusqu’à provoquer leur rentrée
destructrice dans l’atmosphère. Cela a été le cas pour
la station spatiale américaine Skylab, qui
s’est désintégrée le 11 juillet 1979 au-dessus de l’Australie
et du sud de l’océan Indien. Les satellites placés à une altitude
plus élevée ont donc une durée de vie supérieure (un corps satellisé
à 1.000 km d’altitude peut s’y maintenir plusieurs siècles).
RAYONNEMENT
DE L'ESPACE :
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Au sens classique
du terme, l’espace est vide. Pourtant les milieux
interplanétaires et interstellaires contiennent en
fait d’infimes quantités de gaz comme l’hydrogène,
et de petites quantités de poussières de
météorite. Les rayons X, le rayonnement
ultraviolet, la lumière visible et le rayonnement
infrarouge provenant du Soleil traversent
l’espace, de même que les
rayons cosmiques, composés principalement de
protons (noyaux d’hydrogène), de particules alpha (noyaux d’hélium)
et, dans une proportion plus faible, de noyaux atomiques de masse
plus élevée.
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Partiellement filtré
par l’atmosphère, le rayonnement cosmique est potentiellement
dangereux pour les spationautes évoluant pendant de longues durées à
l’extérieur de leur vaisseau.
LA
GRAVITATION :
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La loi de la
gravitation universelle stipule qu’un corps
attire tout autre corps avec une force dont l’intensité est
proportionnelle au produit de leurs masses et inversement
proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.
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Ainsi, l’attraction
gravitationnelle exercée par la Terre (notamment sur les satellites
et les sondes spatiales) diminue rapidement au fur et à mesure que
l’on s’éloigne d’elle. Le champ gravitationnel s’étend cependant à
une distance infinie, son action, même infinitésimale, étant
toujours présente quelle que soit l’altitude. Dans un vaisseau
spatial en orbite autour de la Terre — ou de tout autre corps
céleste — les corps sont dits en état d’apesanteur (ou impesanteur)
parce qu’ils échappent aux effets habituels de leur propre poids :
spationautes et objets semblent flotter librement.
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Les forces
aérodynamiques qui s’exercent sur les
ailes (surfaces portantes) d’un avion le
soutiennent en s’opposant à la force de
gravitation ; de plus, il peut utiliser
des hélices ou des réacteurs pour se
diriger. Un engin spatial ne peut pas
fonctionner de cette façon, du fait de
l’absence d’air dans l’espace ; il doit
utiliser la réaction de
fusées pour la propulsion et les
manœuvres : lorsqu’un moteur-fusée
projette un jet de gaz dans une direction
donnée, la réaction imprime à l’engin une
impulsion dans la direction opposée,
conformément au troisième principe de la
mécanique énoncé par
Newton.
L'HOMME DANS
L'ESPACE :
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L’espace est un milieu hostile pour
l’homme. Tout d’abord, il ne contient
pas d’oxygène, indispensable à la
respiration de l’homme. Par ailleurs,
la température dans l’espace peut
approcher le
zéro absolu (- 273,15° C) dans
l’ombre d’une planète ; à l’inverse,
elle peut devenir extrêmement élevée
sous l’effet direct du rayonnement
solaire. La combinaison des
rayonnements solaires et cosmiques,
fortement énergétiques, peut aussi se
révéler mortelle en l’absence de
protection par une combinaison
suffisamment efficace. Ces conditions
environnementales extrêmes peuvent
aussi affecter le fonctionnement des
instruments utilisés dans les
vaisseaux et les sondes spatiales. Des
expériences de longue durée en état
d’apesanteur ont été réalisées, afin
d’évaluer les effets d’une telle
situation, en vue de mieux préparer
les hommes aux missions dans l’espace.
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Il
existe plusieurs façons de se
protéger contre les agressions de
l’environnement spatial. L’habitacle
des véhicules spatiaux constitue le
premier rempart, et pour les sorties
dans l’espace — dites aussi
activités extra-véhiculaires — on
utilise une combinaison étanche,
disposant de son propre système
d’alimentation en air ou oxygène
pressurisé. Pour réguler la
température à bord d’une station
spatiale, on peut placer à
différents endroits de sa surface
externe des panneaux absorbants et
réfléchissants. Enfin, les
trajectoires des vols spatiaux
habités sont soigneusement étudiées
afin d’éviter les
ceintures de radiations, lieux de
rayonnement intense entourant la Terre.
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Dans la
perspective, encore lointaine sans doute, de longues expéditions
interplanétaires, il faudra probablement recourir à d’épais
blindages pour protéger les équipages contre le vent solaire. De
même, on pourrait rendre plus supportable la durée d’un séjour
prolongé dans l’espace en recréant artificiellement une gravité
comparable à celle que l’on connaît sur Terre : le véhicule spatial
devrait alors ressembler à une grande roue en rotation lente autour
de son moyeu central, ou à un haltère tournant d’une extrémité sur
l’autre.
HISTORIQUE
:
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De nombreux et très anciens
récits font état de l’attirance
de l’homme pour l’espace, comme
en témoignent des textes
babyloniens remontant à
4.000 av. J.-C. Certains mythes
de la Grèce antique (en
particulier celui de
Dédale et d’Icare,
qui ont pris leur envol grâce à
des ailes faites de plumes et de
cire) reflètent également le
désir universel de voler. Dès le
IIe siècle
av. J.-C., l’écrivain grec
Lucien de Samosate fait le
récit d’un voyage imaginaire sur
la
Lune. Dans Somnium
(« le Songe »), ouvrage posthume
publié en 1634, l’astronome
allemand
Johannes Kepler esquisse une
description d’un voyage sur la
Lune. En 1752, Voltaire conte,
dans
Micromégas, le
périple d’un géant, habitant de
l’étoile Sirius, et du
secrétaire perpétuel de
l’Académie de la planète
Saturne. En 1865,
Jules Verne publie De la
Terre à la Lune, dans lequel
son génie visionnaire s’exprime
par une description proche d’une
réalité qui se concrétisera un
siècle plus tard. Dans un genre
radicalement différent,
l’écrivain anglais
H.G. Wells publie en 1898
la Guerre des mondes, puis
en 1901 les Premiers Hommes
dans la Lune. Au début du XXe siècle,
les pionniers du cinéma de
fiction prennent également pour
thème la conquête spatiale,
Georges Méliès réalisant
le Voyage dans la Lune
(1902), et
Fritz Lang la Femme sur
la Lune (1929). La
bande dessinée participe
aussi à cette fresque
d’anticipation : l’exemple le
plus célèbre est celui d’Hergé,
qui publie en 1953 Objectif
Lune, suivi en 1954 par
On a marché sur la Lune. Le
cinéma de science-fiction
poursuit ce processus avec
notamment
2001 : l’Odyssée de l’espace,
le film que
Stanley Kubrick réalise en
1968, écrivant le scénario
avec l’écrivain anglais Arthur
Clarke (il a décrit dans un
article paru dès 1945 le
principe des satellites
géostationnaires).
PREMIERS
MODELES :
Des siècles durant, les
voyages spatiaux relèvent de
la seule imagination.
Pendant tout ce temps, des
astronomes, chimistes,
mathématiciens,
météorologues et physiciens
tentent de comprendre la
nature du Système solaire et
de l’Univers. Aux
VIIe et
VIe siècles
av. J.-C., les philosophes
et mathématiciens grecs
Thalès et
Pythagore pensent que la
Terre est une sphère. Vers
127 av. J.-C.,
Hipparque crée le
premier catalogue d’étoiles
(il est considéré comme le
père de l’astronomie de
position — également appelée
astrométrie). Au
IIe siècle
av. J.-C.,
Ptolémée fait la
synthèse de tous ces
travaux, en présentant un
modèle géocentrique du
cosmos (la Terre étant selon
lui située au centre du
Système solaire) encore
appelé aujourd’hui
système de Ptolémée :
cette représentation de
l’Univers reste en vigueur
jusqu’à la Renaissance.
DECOUVERTES
SCIENTIFIQUES
:
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Au
IIIe siècle
av. J.-C., l’astronome
Aristarque de Samos
affirme que la Terre
tourne sur elle-même et
se déplace autour du
Soleil. Mais il faut
attendre près de
1.700 ans pour que
l’astronome polonais
Nicolas Copernic
présente l’Univers sous forme d’un système héliocentrique, où les
planètes décrivent des orbites autour du Soleil :
en publiant De
revolutionibus orbium
coelestium, ouvrage
fondamental en
astronomie, juste
avant sa mort en 1543,
il marque le début d’une
conception moderne de
l’Univers, faisant même
avancer l’ensemble des
idées scientifiques — à
tel point que l’on parle
encore aujourd’hui de
révolution
copernicienne.
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Plus
tard, les observations
de l’astronome danois
Tycho Brahé
permettent à son
disciple allemand
Johannes Kepler
d’établir les trois lois
régissant le mouvement
des planètes autour du
Soleil. D’autres
illustres astronomes,
tels
Galilée (1564-1642),
Edmund Halley,
sir William Herschel
et sir James Hopwood
Jeans, apportent une
contribution majeure à
l’astronomie moderne,
fondatrice de
l’astronautique.
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Les physiciens et les
mathématiciens
contribuent également
à édifier les bases de
l’astronautique. En
1654, le physicien
allemand
Otto von Guericke
réfute la vieille
théorie selon laquelle
« la nature a horreur
du vide ». En 1687,
Newton formule les
lois de la gravitation
universelle : les
trois principes
fondamentaux qui
régissent la mécanique
newtonienne sont
toujours utilisés,
notamment pour établir
les calculs relatifs à
la propulsion et aux
trajectoires des
engins spatiaux
modernes.
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Malgré ces avancées
théoriques, les
voyages spatiaux
demeurent
impossibles avant
que les progrès
techniques réalisés
au
XXe siècle
ne fournissent des
solutions pratiques
pour la propulsion
par fusée, le
guidage et le
contrôle des
véhicules spatiaux.
PROPULSION
PAR FUSEE :
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Les techniques
de propulsion
par
fusée ont,
elles aussi, des
origines très
anciennes. Les
toutes premières
fusées utilisent
comme
combustible de
la poudre à
canon, selon un
processus très
voisin des feux
d’artifice
actuels. Des
chroniques
racontent qu’en
Chine, en 1232,
la ville de
Kaifeng est
protégée des
Mongols par
l’utilisation de
fusées. À partir
de la
Renaissance,
l’utilisation de
fusées à des
fins militaires
est évoquée en
Europe. Dès
1804, l’armée
anglaise met sur
pied une
compagnie
d’artillerie
équipée de
fusées dont la
portée atteint
environ 1.800 m.
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Aux
États-Unis, le
pionnier de la
propulsion par
fusée est un
professeur de
physique :
Robert Goddard,
qui commence
au début des
années 1920
une série
d’expériences
sur la
technologie
des fusées. Il
lance la
première fusée
à propergol
liquide le
16 mars 1926.
En 1903,
Konstantin
Tsiolkovski,
un enseignant
russe, propose
déjà
l’utilisation
d’ergols
liquides pour
propulser les
engins
spatiaux. Les
choses se
précisent avec
la
publication,
en 1923 et
1925, de
Die Rakete zu
den
Planetenräumen
(« la fusée
dans l’espace
interplanétaire »),
d’Hermann
Oberth,
ingénieur et
physicien
allemand, puis
de Die
Erreichbarkeit
der
Himmelskörper
(« la
possibilité
d’atteindre
les corps
célestes »),
de
l’architecte
allemand
Walter Hohmann :
le premier
ouvrage expose
des notions
essentielles à
la mise en
œuvre de
fusées, tandis
que dans le
second
figurent les
premiers
calculs
détaillés de
trajectoires
interplanétaires.
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La Seconde
Guerre
mondiale
fournit
ensuite
l’impulsion
nécessaire
au
développement
de fusées
suborbitales
à longue
portée. Les
États-Unis,
l’URSS, la
Grande-Bretagne
et
l’Allemagne
développent
simultanément
des fusées à
usage
militaire (missiles).
Les plus
efficaces
sont les
missiles V2
allemands
(des fusées
à propergol
liquide,
utilisées
notamment pour le
bombardement
de Londres).
À la fin de
la guerre,
l’armée
américaine
récupère bon
nombre de
V2, qui sont
ensuite
testés aux
États-Unis
au cours de
vols
verticaux,
alimentant
la recherche
naissante en
astronautique.
Après la
guerre,
certains
ingénieurs
allemands
partent pour
l’URSS, mais
les
principaux
spécialistes
des fusées
rejoignent
les
États-Unis,
les plus
célèbres
d’entre eux
étant Walter Dornberger
et
Wernher von
Braun.
ENGINS
SPATIAUX :
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Inhabités pour la plupart, les
véhicules spatiaux sont très variés dans leurs formes et leurs
dimensions, selon la nature de leur tâche. Ils possèdent un
équipement de transmissions radio, pour recevoir puis
retransmettre des informations vers la Terre et pour communiquer
leur position.
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Les véhicules spatiaux habités
doivent satisfaire à des exigences nettement plus contraignantes
que leurs homologues inhabités. Les hommes doivent pouvoir y
trouver de l’eau, des vivres, et disposer d’équipements leur
permettant de dormir. Le véhicule doit être équipé d’un système
de navigation et de guidage, et d’un dispositif de communication
avec la Terre. Une des particularités de ces engins est leur
bouclier thermique (certains satellites récupérables en sont
également dotés) : il les protège contre l’énorme quantité de
chaleur créée par le frottement du véhicule, propulsé à très
grande vitesse dans l’atmosphère lors de son retour sur Terre.
Ce bouclier est en général réalisé avec des
matériaux composites : sur la navette spatiale américaine,
les tuiles protectrices sont construites à partir de fibres de
silice.
PROPULSION
:
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Il existe deux types
principaux de moteur-fusée : les fusées à propergols
solides, qui utilisent des produits chimiques brûlant d’une
manière analogue à la poudre, et les fusées à propergols
liquides, qui utilisent un couple d’ergols (un combustible
et un comburant) transportés sous forme liquide dans des
réservoirs distincts. La plupart des fusées qui ont été
utilisées pour le lancement des engins spatiaux américains
sont des fusées à plusieurs étages, chaque étage disposant
de son propre système de propulsion, largué après épuisement
de sa réserve de propergols. C’est également le cas du
lanceur européen Ariane 4, qui a mis en orbite plus de la
moitié des satellites commerciaux entre 1988 et 2003.
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La technologie des engins
spatiaux s’apparente à celle des missiles balistiques à
longue portée. De 1957 à 1965, les États-Unis et l’URSS
sont les deux seuls pays à disposer d’une
capacité de
lancement de satellites. Les années suivantes, la France,
le Japon, l’Inde et la Chine accèdent à l’espace, lançant
des satellites de plus en plus complexes. Le 24 décembre
1979, l’Agence
spatiale européenne (ESA) commence son propre
programme de lancements depuis le Centre spatial de Kourou
(Guyane française) avec la fusée Ariane 1. Mais les
États-Unis et la Russie demeurent encore les seules
puissances spatiales capables de faire accéder des hommes
à l’orbite basse, respectivement grâce à la
navette spatiale et aux vaisseaux
Soïouz.
LANCEMENT ET
RETOUR :
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Le lancement d’un
véhicule spatial s’effectue à partir d’une base,
contrôlée par des équipes d’ingénieurs et de
techniciens opérant à distance depuis un bâtiment
voisin. Les inspections avant le départ sont
multiples, la mise à feu et le décollage n’arrivant
qu’après une longue campagne de préparatifs.
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Au retour, il faut
surmonter le problème de la rentrée dans
l’atmosphère. Dès les premiers vols habités, la
solution retenue est celle du bouclier thermique,
qui équipe entre autres les capsules américaines des
programmes
Mercury,
Gemini et
Apollo ; sur la navette spatiale, des tuiles en
céramique cimentées individuellement à la coque
assurent la protection. Avant l’ère de la navette,
qui se pose sur une piste d’atterrissage comme un
avion, toutes les capsules américaines effectuent un
retour dans l’océan. Les astronautes sont rapidement
localisés puis récupérés par hélicoptère et
recueillis à bord de navires de la marine
américaine. Les spationautes russes (ou cosmonautes)
atterrissent quant à eux en Sibérie, la capsule
Soïouz étant freinée par un système de parachutes.
EN ORBITE
AUTOUR DE LA TERRE
:
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L’orbite
d’un corps satellisé autour de la Terre peut
être de forme circulaire ou elliptique. Une
orbite circulaire est parcourue à une vitesse
constante, d’autant plus faible que l’altitude
est élevée (deuxième loi de Kepler) : comme le
fait remarquer dès 1945
Arthur Clarke, il existe donc une altitude
où la vitesse de rotation d’un satellite est
identique à celle de la Terre. C’est l’altitude
géostationnaire, ainsi appelée parce qu’elle
permet à un satellite placé à 35.768 km
au-dessus de l’équateur de se déplacer sur une
trajectoire dite géosynchrone, de sorte qu’il
demeure à une position fixe au-dessus d’un
certain point déterminé de l’équateur. La
plupart des
satellites de télécommunications sont placés
sur cet anneau, désormais connu sous le nom
d’orbite géostationnaire.
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Sur une orbite
elliptique, la vitesse varie d’un maximum atteint au périgée
— c’est-à-dire à l’altitude la plus faible — à un minimum atteint à
l’apogée — soit à l’altitude la plus élevée (ce résultat provient là
encore de l’application de la deuxième loi de Kepler).
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Une
caractéristique importante de l’orbite est
sa position par rapport à la Terre : elle
peut se situer dans n’importe quel plan
passant par le centre de la Terre (l’angle
entre le plan orbital et le plan équatorial
étant appelé inclinaison de l’orbite).
Ainsi, une orbite polaire s’inscrit dans un
plan passant par les pôles Nord et Sud
— c’est-à-dire qu’il traverse l’axe de
rotation de la Terre — ; une orbite
équatoriale est une orbite située dans le
plan de l’équateur.
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Un satellite
d’observation placé en orbite polaire,
transportant généralement des caméras
sensibles dans le domaine infrarouge, peut
balayer l’intégralité de la surface du
globe en vingt-quatre heures. Si
l’inclinaison de l’orbite est inférieure à
90°, la couverture est réduite, certaines
régions proches des pôles n’étant plus
survolées. Dans le cas d’un satellite
météorologique géostationnaire comme ceux
de la famille
Meteosat, un calcul très simple prouve
que l’image transmise par le satellite
(toutes les 30 minutes environ) couvre un
peu moins d’un hémisphère terrestre (sa
zone de visibilité est limitée à 81,2° de
latitude de part et d’autre de
l’équateur).
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Un corps
placé dans le vide peut théoriquement
tourner indéfiniment sur son orbite.
Mais si sa trajectoire est suffisamment
basse par rapport à l’atmosphère
terrestre, le frottement de l’air
provoquera une perte progressive
d’altitude. De nombreux satellites
finissent ainsi leur vie : ils sont
détruits en rentrant dans l’atmosphère,
où ils se consument comme un
météore.
