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       - Les éternels succès de Newton  
    Hors série - Science & Vie - 1998-12-01      
    Pour arracher les satellites à l'attraction terrestre ou pour guider les sondes dans leur voyage interplanétaire, on s'appuie toujours sur ses lois, vieilles de trois siècles.  
    Le 24 juin 1998, tard dans la nuit, à très précisément 23h16 GMT, un silence de plomb a subitement recouvert la salle de contrôle de l'Agence spatiale européenne (ESA). En raison d'une série intempestive de commandes contradictoires, tout contact venait d'être perdu avec le satellite SOHO, un complexe engin de plusieurs centaines de millions de francs, consacré exclusivement à l'étude du Soleil. Ce n'était pas le premier ni le dernier des échecs que pouvaient vivre les ingénieurs spatiaux, mais c'était sans doute le plus cuisant, car SOHO était le premier observatoire spatial à être placé à un endroit très particulier du Système solaire, où justement on ne pouvait pas le perdre. Les ingénieurs lui avaient trouvé un havre de repos à 1,5 million de kilomètres de la Terre. Ils lavaient en quelque sorte mis à l'ancre sur une bouée interplanétaire invisible, un point particulier dit "point de Lagrange", du nom du mathématicien français qui en a découvert l'existence, où l'attraction du Soleil équilibre très exactement l'attraction de la Terre. A cet endroit précis, le satellite pouvait se maintenir presque sans effort et sans mouvement, une situation sans égale pour observer le Soleil 24h sur 24h.  
    SOHO était une des réussites de cette nouvelle astronautique moderne dont les tâches sont devenues de plus en plus complexes. On est désormais loin des simples voyages aller-retour direct vers la Lune des années soixante : les objectifs sont aujourd'hui de visiter les pôles du Soleil, d'aller vers Saturne en croisant des astéroïdes, voire de rattraper une comète filant à 30'000 km/h et de venir s'y poser ! Tout cela avec la plus simple des recettes, celle des lois de Kepler et de la gravitation de Newton car l'astronautique, si elle est une science neuve, est basée sur des concepts anciens qui continuent de faire merveille. Le calcul des trajectoires pour la navigation spatiale repose sur des lois du XVIIe siècle avec un mélange habile de rigueur mathématique, de simulations numériques et.. de savoir-faire intuitif. Rien ne servirait d's' introduire les subtiles corrections de la théorie de la relativité, car les voyages interplanétaires sont plein d'incontrôlables imprévus. Les frottements dans l'atmosphère, la pression du rayonnement solaire, les attractions parasites de multiples petits corps, sont autant d'inconnues qui ruinent de façon permanente la précision des équations. La recette des navigateurs spatiaux est donc des plus simples. Tout d'abord s'arracher à l'attraction terrestre, de loin la phase la plus délicate et la plus coûteuse en énergie, car pour avoir une chance de s'extraire du puits de gravitation de la Terre, il faut atteindre au moins 40'000 km/h, la vitesse de libération. En deçà de cette vitesse, l'objet serait simplement satellisé autour de la Terre, sur une orbite qui, selon les lots de Kepler, sera une ellipse ou un cercle. Au-delà de cette vitesse seulement, le satellite va échapperà la sphère d'influence de la Terre et s'élancer sur une orbite hyperbolique, dans le vide interplanétaire, avec l'excèdent de vitesse qu'il aura pu conserver.  
    Pour atteindre un point précis de l'espace, rejoindre par exemple la sphère d'influence d'une autre planète, la science de la navigation réside alors dans l'ajustement très précis de l'amplitude et de la direction exactes de cette vitesse résiduelle. Afin de rallier Venus, elle doit être au moins de 12'500 km/h, 18'000 km/h pour Mars et plus de 25'000 km/h pour Jupiter. L'amplitude de la vitesse est bien évidemment fonction de la puissance du lanceur de départ tandis que son orientation initiale est très largement déterminée par là latitude de la base spatiale et par le choix de la date du lancement. Malheureusement pour les ingénieurs spatiaux, toute correction ultérieure est très coûteuse. Hors de toute influence gravitationnelle et de tout frottement, le satellite, fidèle aux lois de Newton, file en ligne droite et à vitesse constante. L'écarter de cette route et modifier sa vitesse requièrent alors l'éjection de gaz dont les réserves à bord sont en général très limitées à cause des limites draconiennes de poids.  
   

Une fronde gravitationnelle

 
    C'est là qu'intervient toute l'inventivité de l'astronautique moderne. Plutôt que de se livrer à une escalade dans le poids des satellites, les ingénieurs calculent leurs trajectoires en mettant à profit toutes les subtilités de la gravitation des planètes.  
    Le chemin le plus court n'est plus la ligne droite, mais une succession de ricochets où chaque planète est utilisée comme un tremplin gravitationnel pour dévier et accélérer les satellites sur des orbites qui se transforment en élégantes et complexes arabesques.  
    Ainsi, le voyage de la sonde Galileo, qui a atteint Jupiter le 7 décembre 1995, et continue actuellement à faire des ronds autour de la planète géante à la rencontre de ses satellites, avait débuté six ans plus tôt, le 12 octobre 1989. La sonde a d'abord visé Venus, qu'elle a contournée le 10 février 1990 puis, par deux fois, le 8 décembre 1990 et 1991 elle est revenue prendre son élan sers la Terre avant de finalement s'engager sur sa trajectoire finale vers Jupiter. A chaque fois, le même mécanisme de fronde gravitationnelle a opéré. En "tombant "vers les planètes, la sonde voit sa vitesse augmenter puis, captée dans le champ de gravitation, elle est progressivement déviée jusqu'a être renvoyée avec un nouvel élan dans le sens inverse, comme une balle contre une raquette. Vénus lui a ainsi communiqué 7'000 km/h supplémentaires et la Terre a ajoute 18'000 km/h, puis 13'000 km/h, pour atteindre un pécule amplement suffisant à la traversée vers Jupiter.  
    La même stratégie sera appliquée à la sonde Cassini qui vient de décoller en octobre dernier pour un voyage de six ans vers Saturne. Après deux passages vers Vénus et un retour vers la Terre, qu'elle frôlera à 500 km d'altitude très précisément, le 16 août 1999, elle s'aidera de la gravité de Jupiter, le 30 décembre 2000, avant de croiser vers Saturne qui sera atteinte le 1er juillet 2004. Peu de temps après, le seul module Huygens, détaché de la sonde, devrait venir se poser le 27 novembre 2004 sur Titan, le seul satellite de Saturne qui possède une atmosphère ayant quelque ressemblance avec celle de la Terre. Sur le pas de tir, Cassini pesait 5,5 t. dont un record de 3 t. de combustible, mais ce jeu de billard cosmique lui a permis l'économie de 70 t. au décollage !  
    D'autres défis attendent les as des détours balistiques qui, à l'aide de la mécanique céleste, inventent ces nouvelles routes cosmiques. Un des projets européens majeurs du début du XXIe siècle est l'incroyable rendez-vous de la sonde Rosetta avec la comète Wirtanen, prévu pour octobre 2012. Comme pour les autres voyages interplanétaires, la sonde, qui devrait être lancée en janvier 2003, fera d'abord un détour par Mars, puis deux fois par la Terre pour gagner la vitesse requise. De la routine en apparence, mais cette fois-ci la cible est incroyablement mouvante, car les comètes sont de très petits corps, essentiellement des noyaux de glace de quelques kilomètres de diamètre seulement, et leur trajectoire est sans cesse perturbée par de petites irrégularités. Hormis la complication pour rattraper ce point minuscule qui file dans l'espace à quelque 30'000 km/h, la véritable difficulté sera dans l'ajustement infiniment précis de la vitesse de la sonde. Car le projet des scientifiques est d'accompagner la comète sur son orbite vers te Soleil, pendant plusieurs centaines de millions de kilomètres à partir de mai 2012, puis d'effectuer une des manoeuvres les plus périlleuses jamais tentées, l'arrimage de deux modules, baptisés "Champollion "et "Roland", sur le noyau de Wirtanen, un bloc de 3 kilomètres de diamètre dont la gravité est 20 fois plus faible que celle de la Terre ! Ce rendez-vous en microgravité sera une grande première de l'astronautique et le mouvement de la sonde sera suivi et assisté attentivement par les plus grandes stations d'écoute au sol, avec malheureusement le handicap d'un décalage de plus de 30 minutes, dû au temps de voyage de la lumière.  
    Toute la science de Newton, qui permet ces prodigieuses explorations, ne peut garantir contre les coups du destin dans cette mécanique bien huilée. Récemment, la mission de la sonde Galileo a manqué être totalement compromise par le fonctionnement récalcitrant d'une de ses antennes de communication, et des sondes comme Phobos et Mars Observer se sont perdues corps et biens autour de Mars.  
    Pour SOHO, égaré dans le marais gravitationnel de la Terre et du Soleil, les techniciens ont eu plus de chances, bout de quatre semaines d'efforts incessants, ils ont réussi à remettre le satellite dans le droit chemin des antennes terrestres et, depuis le 25 septembre 1998, SOHO a repris son poste d'observateur privilégié du Soleil. Malgré toute notre science de la gravitation, ces impondérables font encore de la navigation spatiale un sport bien peu recommandé aux Terriens.  
     
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