Les différents types d'orbites, et leur lanceurs associés

Qu'est-ce qu'une orbite ?

La définition d'une orbite est :

"En mécanique céleste et en mécanique spatiale, une orbite est la courbe fermée représentant la trajectoire que dessine, dans l'espace, un objet céleste sous l'effet de la gravitation et de forces d'inertie".

Cela signifie qu'un objet peut se retrouver en train de "tomber" en permanence vers un objet, mais avec assez de vitesse horizontale pour rester autour du dit objet en permanence, si il n'y a aucune perturbation.

1)Quels en sont ses paramètres ?

Une orbite est une ellipse, et le corps orbité se trouve à l'un des foyers de cette ellipse.

L'orbite suit donc les règles de l'ellipse :

Elle possède un "Demi-Grand Axe" : la moitié de la "grande longueur" de l'orbite.

Elle possède une inclinaison, notée i, qui correspond à l'angle entre 0 et 180 degrés que fait le plan orbital (l'ellipse de l'orbite) avec un plan de référence. Ce dernier est en généralement le plan de l'orbite de la planète par rapport au soleil ( appellé "écliptique" )

On a aussi une dose de paramètres complexes, compréhensibles sur le schéma suivant !

On définit avant :

La ligne des nœuds : la droite à laquelle appartiennent les nœuds ascendant (le point de l'orbite où l'objet passe du côté nord de l'écliptique) et descendant (le point de l'orbite où l'objet passe du côté sud de l'écliptique).

La direction du point vernal : la droite contenant le Soleil et le point vernal (point de repère astronomique correspondant à la position du Soleil au moment de l'équinoxe du printemps)

la direction du périastre : la droite à laquelle appartiennent l'objet central et le périastre de la trajectoire de l'objet, dans le plan orbital.

On a donc :

La longitude du nœud ascendant, notée ☊: il s'agit de l'angle entre la direction du point vernal et la ligne des nœuds, dans le plan de l'écliptique.

L'argument du périastre, noté ω, qui correspond à l'angle de rotation propre : il s'agit de l'angle formé par la ligne des nœuds et la direction du périastre, dans le plan orbital.

Une Excentricité : c'est un pourcentage qui indique la forme de l'orbite. La description précise est qu'elle mesure le décalage des foyers par rapport au centre de l'ellipse. C'est le rapport de la distance centre-foyer au demi-grand-axe. Le type de trajectoire dépend de l'excentricité :

  • e=0 : trajectoire circulaire ( Le cercle parfait, les deux foyers sont confondus et se situent sur le corps orbité )

  • 0<e<1 : trajectoire elliptique ( L'orbite se voit elliptique )

  • e=1 : trajectoire parabolique ( L'orbite n'est plus fermée, et l'objet va partir de la sphère gravitationelle du corps en formant une parabole )

  • e>1 : trajectoire hyperbolique ( La prabole précédente se voit "aplatie", elle tend vers une forme droite )

2)Quels sont les différents types ?

Une orbite va se définir en pratique en fonction de sa hauteur par rapport au niveau moyen de l'astre.

Le corps orbitant suivant les lois de Kepler et de Newton (que l'on verra dans un article dédié) on peut simplifier un paramètre important : plus on est haut, moins on va vite.

Pour repère, la vitesse minimale d'orbite est d'environ 7.10^3m.s^-1 c'est à dire qu'il parcoure 7kilomètres en 1 seconde, soit 28 000 km/h. Nous allons nous concentrer sur des orbites et exemples terrestres, avec une application aux autres corps possibles, en changeant des paramètres bien sùr.

On a donc :

Les vols SubOrbitaux :

Ce sont des vols dépassant la ligne de Karman (100km d'altitude, le "Début de l'Espace"). L'objet ne se satellise pas, monte, transite dans l'espace, et revient dans l'atmosphère. C'est utilisé par des fusées test, fusées sondes, des avions spatiaux, ballons, etc.

Les orbites LEO :

Ce sont les orbites basses (LEO signifiant Low Earth Orbit) autour de la Terre. Elles permettent des lancement par des petites fusées de charges utiles variées et sont globalement "facile d'accès". Elles vont de 100km à 2000km.

Elles permettent une étude précise de la Terre (on est proche on distingue des détails), ce qui est utile en télédétection. On y trouve le Téléscope Spatial Hubble et la Station Spatiale Internationale par exemple : ces objets dépendaient de la Navette Spatiale et/ou de ravitailleurs qui ne peuvent envoyer des tonnes de matériels à longue distance.

La LEO, avec l'orbite géostationnaire, fait l'objet d'une attention particulière, notamment en ce qui concerne la prolifération des débris spatiaux. Elles permettent également la mise en orbite de charges maximales par les lanceurs puisque ces derniers requièrent moins d'énergie pour être mis sur ces orbites que dans les autres orbites terrestres.

On trouve aussi les orbites héliosynchrones à ces altitudes, qui voient les satellites passer au dessus des pôles, soit avec une inclinaison de +- 90deg. Elles permettent un passage au dessus de lieu à la même heure donc illumination, utile pour l'observation (scientifique ou militaire!).

Les objets dans l'orbite terrestre basse rencontrent une trainée atmosphérique, dont la nature dépend de la hauteur. L'altitude utilisée pour la mise en orbite d'objets est habituellement située au-dessus de 300 km pour limiter les effets de la traînée atmosphérique, qui engendreraient une rentrée atmosphérique. Cependant, certains satellites sont fait pour compenser cette trainée et descendre (jusqu'à 180km ! ).

Les orbites MEO :

Ces orbites "Moyennes" vont de 2000km à l'orbite géostationnaire soit 35 786 km, soit au-dessus de l'orbite terrestre basse et en dessous de l'orbite géostationnaire.

C'est la plage orbitale avec le plus de marge entre les bornes.

Cette orbite est communément appelée orbite circulaire intermédiaire ou MEO (Medium Earth Orbit).

Elle est utilisée pour placer des satellites de navigation tels ceux de Glonass (à une altitude de 19 100 kilomètres), du GPS (à une altitude de 20 200 kilomètres) et de Galileo (à une altitude de 23 222 kilomètres). On y a lancé également Telstar 1, l premier satellite de communication.

Les périodes orbitales des satellites situés dans l'orbite terrestre moyenne varient de 2 à 12 heures.

Les orbites géostationnaires :

On peut la définir ainsi : "L'orbite géostationnaire, abrégée GEO (geostationary orbit) est une orbite circulaire autour d'un corps céleste (Terre ou autre) caractérisée par une inclinaison orbitale nulle et une vitesse orbitale identique à celle de ce corps. Un objet placé sur une orbite géostationnaire reste en permanence au-dessus du même point de l'équateur. L'orbite géostationnaire autour de la Terre se situe à une altitude de 35 786 km et est donc suffisamment élevée pour qu'un hémisphère terrestre complet soit visible. Ces propriétés de l'orbite géostationnaire sont exploitées en particulier par les satellites de télécommunications qui peuvent ainsi servir de relais permanent entre des stations émettrices et des stations réceptrices pour des liaisons téléphoniques, informatiques ou la diffusions de programmes de télévision. L'orbite géostationnaire est un cas particulier de l'orbite géosynchrone."

Un satellite sur orbte géostationnaire peut communiquer avec des stations situées sur la moitié de la Terre. Toutefois la qualité des signaux se dégrade à la périphérie de la zone de visibilité.

Ces orbites sont dite géosynchrones (avec une période TRES exactement égale à la période de rotation de la Terre sur elle-même, soit 23 heures 56 minutes et 4,1 secondes), l'orbite géostationnaire à une inclinaison de 0deg. Le satellite parait donc immobile depuis le sol (sa trace au sol est un point).

Cette caractéristique est particulièrement importante pour les satellites de télécommunications. Il suffit de pointer une parabole vers le point immobile du satellite et on peut recevoir les ondes sans réorienter.

Pour la couverture de l'Europe, c'est principalement Eutelsat qui assure cette mission avec de nombreux satellites en orbite. Cette orbite est également utilisée pour l'observation de la Terre depuis une position fixe dans l'espace. C'est le cas pour les satellites météorologiques géostationnaires, dont les Meteosat pour l'Europe (qui auront un article bien dédiés à eux, ils sont assez spéciaux).

L'orbite géostationnaire du satellite ne reste pas stable et dérive sous l'influence de plusieurs effets, dont les irrégularités gravitationnelles, la pression de radiation solaire, l'attraction lunaire, détaillés aussi plus tard.

Le maintien en position géostationnaire nécessite donc des manœuvres de correction d'orbite. Les conventions internationales demandent une précision de positionnement de 0,05° à 0,1°, soit de 35 à 75 kilomètres au niveau de l'orbite.

Ces manœuvres consomment des ergols et leur épuisement est la cause principale de fin de vie du satellite.

Il est alors remonté sur une orbite cimetière plus éloignée de la Terre pour ne pas gêner la mise en orbite de satellites futurs. Si il est livré à lui-même, il dérivera vers un point stable. Il ne possède pas assez de DeltaV pour se désorbiter.

Aucun corps céleste naturel (astéroïde...) ne gravite sur l'orbite géostationnaire de la Terre, mais le cas existe ailleurs dans le système solaire : l'orbite géostationnaire de Pluton contient la lune Charon.

L'orbite de transfert GTO :

Cette GeoStationnary Transfer Orbit est en fait une orbite utilisée par les lanceurs pour amener un satellite sur une orbite GEO.

Elle consiste à laisser un périgée ( point le plus proche de la Terre ) bas, et une apogée ( point le plus élévé ) à 35786km.

Le satellite et son/ses moteurs emabrqués feront un/plusieurs allumages pour élever le périgée et amener le satellite sur une orbite finale GEO. Cette manoeuvre est appellée "Transfert de Hommann" et s'utilise majoritairement lors de transferts interplanétaires.

Les orbites HEO :

Les High Earth Orbit ont une apogée (point le plus haut de l'orbite) au dessus de la Géostationnaire.

On voit par là par exemple les Molnya (satellites de communications russes avec une haute inclinaison) ou les orbites de rebuts des géostationnaires.

Elle s'étend jusqu'après l'orbite lunaire, et se termine en dehors de la sphère gravitationelle Terrestre.

Les points de Lagrange :

Un point de Lagrange est une position de l'espace où les champs de gravité de deux corps (Ex : Terre - Soleil ) se combinent de manière à fournir un point d'équilibre à un troisième corps de masse négligeable ( un satellite) , tel que les positions relatives des trois corps soient fixes.

Cela permet a un satellite de se maintenir à un poste avec très peu de dépense de carburants. Il y a 5 points de Lagrange :

  • L1 : sur la ligne définie par les deux masses, entre celles-ci, la position exacte dépendant du rapport de masse entre les deux corps ; dans le cas où l'un des deux corps a une masse beaucoup plus faible que l'autre, le point L1 est situé nettement plus près du corps peu massif que du corps massif.

  • L2 : sur la ligne définie par les deux masses, au-delà de la plus petite. Dans le cas où l'un des deux corps a une masse beaucoup plus faible, la distance de L2 à ce corps est comparable à celle entre L1 et ce corps.

  • L3 : sur la ligne définie par les deux masses, au-delà de la plus grande. Dans le cas où l'un des deux corps est notablement moins massif que l'autre, la distance entre L3 et le corps massif est comparable avec celle entre les deux corps.

  • L4 et L5 : sur les sommets des deux triangles équilatéraux dont la base est formée par les deux masses. Sans qu'il y ait de consensus précis, L4 est celui des deux points en avance sur l'orbite de la plus petite des masses, dans son orbite autour de la grande, et L5 est en retard. Ces points sont parfois appelés points de Lagrange triangulaires ou points Troyens, du fait que c'est le lieu où se trouvent les astéroïdes troyens du système Soleil-Jupiter. Contrairement aux trois premiers points, ces deux derniers ne dépendent pas des masses relatives des deux autres corps.

Restons autour de la Terre, et intéressons nous aux points de Lagrange Terre-Lune ( même si ceux de Terre-Soleil sont assez intéressants ).

Les points L1 et L2 présentent une communication plus efficace.

Le point L3, parfaitement droit avec L1 et L2, est situé à quasiment l'opposé exact de L1. Ces points requièrent néanmoins une propulsion spatiale constante puisque qu'ils ne sont pas complètement stables.

Les points L4 et L5, quant à eux, sont des emplacements d'équilibre parfait.

Si un objet y étant placé dévie légèrement de sa position, les forces gravitationnelles le ramèneront à son emplacement d'origine. Il demeurerait donc à une distance constante de la Terre, sans besoin de forces extérieures pour maintenir son positionnement.

Les orbites paraboliques et hyperboliques :

Si une sonde ou un objet céleste se situant dans la sphère d'influence gravitationelle de la Terre se voit acquérir une vitesse supérieure à la Seconde vitesse de libération cosmique de la Terre, soit 11.10^3m.s^-1 soit 40 000km/h, cet objet va avoir une excentricité >1 et va quitter la sphère terrestre, partant en orbite héliocentrique ( autour du soleil ).

Si cette vitesse augmente, on passera à e>2 soit une trajectoire hyperbolique.

3)Quels sont les lanceurs associés ?

Le but d'un lanceur ( le nom professionel d'une fusée ) est d'envoyer sa charge utile ( "payload" in english ) vers une orbite désirée.

Les lanceurs ont des tailles et performances variables, et il en existe des très nombreux exemplaires, le but n'est ni de détailler à propos d'eux ni de les lister, certains auront leurs articles dédiés.

Cependant, pour vous donner des exemples, voilà quelques lanceurs, et leurs orbites atteignables :

  • LEO : Tous les lanceurs orbitaux. Les plus utilisés : Falcon9, Soyuz , Vega ou encore ( à l'époque ) la Navette Spatiale.

  • MEO : Les lanceurs LEO "boostés" ou tous les lanceurs GTO.

  • GTO : Les lanceurs "lourds" : Ariane5, Falcon Heavy, Navette Spatiale + étage d'appoint, DeltaIV, Falcon9...

Conclusion :

Toutes ces orbites ont un intêret et un rôle crucial dans la vie d'un satellite, de sa conception jusqu'à son rebut. Elles sont toutes différentes, et certaines sont surchargées, ouvrant la nécessité d'une réduction des débris spatiaux...

Merci de votre lecture, A bientôt.

Niels

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