J'ai cherché la sonde ExoMars et découvert la vérité sur les autoroutes de l'espace

La sonde spatiale ExoMars de l’Agence spatiale européenne est actuellement en train de naviguer sur une autoroute céleste huit jours après son voyage de sept mois sur la planète rouge. Nous savons qu’il va atterrir sur Mars le 19 octobre, mais où sera-t-il dans un mois? Ou le 4 juillet? Son emplacement me semblait calculable.Compte tenu du temps d’accélération de l’engin spatial, de sa vitesse de croisière et de la distance qui le sépare de Mars au moment du lancement, j’ai pensé pouvoir chiffrer quelques chiffres. C'était - je sais maintenant - de l'orgueil pur. La roquette est une pierre de touche culturelle, voire même un cliché, pour une raison.

Je l'ai découvert en essayant de trouver un vaisseau spatial.

Les autoroutes de l’espace ne ressemblent pas aux routes de terre, a expliqué Michael Khan, Ph.D., expert en mécanique céleste au bureau d’analyse de la mission de l’ESA, lorsque je lui ai demandé de lui donner des conseils pour localiser ExoMars. S'il y a une chose à garder à l'esprit, dit-il, c'est ceci: il n'y a pas de lignes droites dans l'espace. Dans un e-mail magnifiquement écrit, il explique pourquoi nous devrons tous apprendre à conduire dans les virages - et pourquoi l'avenir des voyages dans l'espace est infiniment plus compliqué que nous le pensons.

Plutôt que de tenter de résumer son explication, je vais la coller ci-dessous car elle est belle.

Je crains que la mécanique céleste, qui est la science qui sous-tend le calcul des trajectoires de toutes les orbites dans l'espace (naturelles ou créées par l'homme), fonctionne un peu différemment de ce que vous semblez supposer.

Un transfert interplanétaire de la Terre vers une autre planète (dans ce cas, Mars) n’est pas une question de voler en ligne droite avec une vitesse de croisière donnée, comme le ferait un avion sur la Terre, ou comme un navire qui traverse l’océan, quelques changements de direction à des points de passage donnés. Ce n’est pas ainsi que cela fonctionne dans le système solaire. Parce que cela ne fonctionne pas comme cela, je ne pense pas qu’il sera facile (voire même possible) de faire des calculs simples, approximatifs et précis pour savoir où se trouvera ExoMars à quelle heure.

À la base, les lois de la nature régissant le vol d’un objet dans l’espace étaient celles d’Isaac Newton et de Johannes Kepler, il ya plusieurs siècles. Je vais simplifier un peu: la Terre et Mars se déplacent sur des orbites plus ou moins circulaires (pour Mars, ce n’est pas tout à fait vrai, mais cela fonctionne pour les débutants). Nous avons maintenant l’orbite terrestre, un large cercle autour du Soleil, et l’orbite de Mars, un cercle encore plus large qui a également le Soleil en son centre.

La trajectoire de transfert suivie par ExoMars est une ellipse. Là où cette ellipse est la plus proche du Soleil, elle frôle l'orbite terrestre. Là où il est le plus éloigné du sous-marin, il frôle l'orbite de Mars. La sonde vole de ce point le plus bas au point le plus éloigné. Il a atteint l'ellipse grâce au formidable élan que lui a procuré la fusée à protons M qui avait servi à lancer ExoMars, en la lançant si haut et si vite que la sonde a quitté la gravité de la Terre avec la bonne vitesse et la bonne direction pour respecter l'ellipse de transfert requise. vers Mars. À ce stade (évasion terrestre), ExoMars était un peu plus rapide que la Terre sur son orbite autour du Soleil.

Sur cette ellipse de transfert, la vitesse d’ExoMars diminuera continuellement. Pour comprendre pourquoi il en est ainsi, imaginez un pendule d'horloge. Lorsque le pendule se relève, il se déplace de plus en plus lentement. C’est parce qu’il existe deux types d’énergie: l’énergie potentielle (= énergie de hauteur) et l’énergie cinétique (= énergie de mouvement). L'orbite de l'engin spatial a une certaine énergie totale. Cela a été communiqué par le lanceur. Cette énergie n'augmente pas. C’est comme de l’argent de poche ou un salaire, il suffit de le faire durer.

Si la fusée ne lui avait pas donné suffisamment d’énergie, l’orbite ExoMars n’aurait pas atteint l’orbite de Mars. Inversement, si la fusée avait transmis trop d’énergie, l’orbite du satellite aurait dépassé celle de Mars. Nous avons donc voulu (et obtenu) exactement la bonne quantité d’énergie, pas trop peu, mais pas trop. C'est différent de l'argent de poche ou d'un salaire, où trop est certainement mieux que trop peu.

Maintenant, sur le transfert elliptique, le vaisseau spatial s’éloigne du Soleil vers l’orbite de Mars, et le Soleil s’accroche à la sonde avec sa gravité. Donc, à mesure que ExoMars monte, son énergie en hauteur augmente. Par conséquent, l'énergie de mouvement doit diminuer. L'énergie totale reste la même. Ainsi, lors de son vol vers Mars, ExoMars devient de plus en plus lent.

Pour calculer le transfert, il faut absolument tenir compte de l'attraction gravitationnelle exercée par le soleil. Il existe également d'autres effets, tels que la très faible pression de la lumière sur les panneaux solaires et la gravité des planètes dans le système solaire, et nous devons bien sûr prendre en compte chaque fois que nous utilisons les moteurs de fusée embarqués sur ExoMars pour modifier l'orbite.. Mais tout cela a un effet bien moindre que la gravité solaire.

Nous utilisons essentiellement un ordinateur pour calculer la trajectoire de l'engin spatial en tenant compte de tous les facteurs qui influent sur celle-ci. Nous pouvons également mesurer son emplacement et sa vitesse à partir du moment où les signaux prennent pour se déplacer de la Terre à la Terre. vaisseau spatial et retour et par la façon dont la fréquence du signal change avec le temps.

Dans un courriel ultérieur, il a ajouté:

La chose la plus importante que vous voyez est que la trajectoire ExoMars, comme toutes les trajectoires dans l’espace, est nettement incurvée. Il n'y a pas de lignes droites dans l'espace. Une fois que vous avez des corps qui ont une masse, tels que des étoiles et des planètes, vous avez la gravité, et en présence de la gravité, tout volera dans les courbes. Les courbes sont naturelles, pas les lignes droites. La distance parcourue le long de la ligne rouge incurvée de la Terre à Mars est d’environ 500 millions de kilomètres, pour mettre cela en perspective. Un demi milliard de kilomètres.