• Qu'est-ce qu'une orbite ?
  • Qu'est-ce que l'espace ?
  • Qu'est-ce que l'impesanteur ?
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3 Juin 2015

Qu'est-ce qu'une orbite ?

Les fondamentaux pour comprendre la physique et les contraintes du milieu dans lequel évoluent nos satellites, sondes et instruments.

 

Qu'est-ce qu'une orbite ?

Une pierre qui tombe choisit-elle son chemin ?

A l'évidence, non : elle est contrainte de suivre le trajet que lui impose l'attraction de la Terre.

 

Conception : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas Crédits : CNES

 

Contrairement aux idées que nous suggèrent le cinéma et la littérature de science-fiction, un vaisseau spatial ne peut pas évoluer librement dès lors qu'il a franchi la barrière de l'atmosphère terrestre.

Pas de demi-tour, de virage brutal ou encore de stationnement : sous son aspect tranquille, la Terre tient fermement sous contrôle tous les habitants de sa banlieue et leur impose la loi à laquelle tout corps céleste est soumis : la gravitation.

Véritable projectile, un objet spatial qu'il soit satellite, sonde ou encore planète, comète ou astéroïde est lancé à une vitesse vertigineuse sur une route ininterrompue et inévitable : son orbite.

 

 

La trajectoire d'un satellite

En première définition, une orbite est l’ensemble des positions occupées dans l’espace par un astre ou satellite artificiel, lorsqu’il est en mouvement autour d’un astre de plus grande masse que lui. Quel que soit l’objet, cette trajectoire n’est pas aléatoire : elle lui est dictée par les lois de la gravitation.

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Prenons l’exemple d’un satellite artificiel terrestre. Sa trajectoire est tout d’abord fonction des conditions de son lancement (l’intensité et la direction de la vitesse). Lorsque celui-ci est libéré, il est soumis à la seule gravité terrestre, l’obligeant à décrire une courbe plane et régulière : son orbite. Il est alors dit satellisé : il gravite – ou orbite - autour de la Terre.

Expérience : La satellisation

Dessinons un disque sur un tableau. En son centre, un fil de pêche est fixé avec une punaise. A l’autre extrémité du fil, un bout de craie. Lorsqu’on écarte la craie vers le haut du disque et qu’on la relâche, elle retombe verticalement. En revanche, lorsqu’on la lance la craie autour du disque avec une vitesse suffisante, elle tourne autour, tout en restant attirée vers le centre du disque par l’intermédiaire du fil. Ce phénomène est analogue à celui observé par un satellite en orbite.

 

Jargon

  • La gravitation est le phénomène physique d’attraction des corps matériels les uns par les autres. La loi universelle de la gravitation, énoncée par Newton, stipule que les corps s’attirent de manière proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carrée de leur distance.

 

 

 

La satellisation Crédits : CNES

 

D’emblée, il est cantonné dans un plan particulier : le plan passant par le centre de la Terre et contenant la direction de la vitesse qui lui a été donnée par le lanceur. L’orbite peut être équatoriale (située dans le plan de l’équateur), polaire (passant au-dessus ou à proximité des pôles) ou d’inclinaison quelconque par rapport au plan de l’équateur.

Ces caractéristiques se généralisent quelque soit le corps céleste autour duquel le satellite gravite.

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La trajectoire initiale d'un satellite après son lancement est contenue dans le plan défini par la poussée du lanceur et le centre de la Terre. Crédits : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas

 

 

 

Une courbe particulière

 
Il existe une vitesse en dessous de laquelle la satellisation n’est pas possible : le satellite retomberait ou brûlerait dans l’atmosphère. Cette vitesse est appelée vitesse de satellisation circulaire ; l’orbite est alors un cercle. Sa valeur dépend de l’altitude au point d’injection. Crédits : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas

 

Le calcul montre que la courbe décrite par le satellite fait obligatoirement partie de la famille des coniques ; sa nature exacte dépend de la vitesse de l’objet lorsqu’il est libéré par le lanceur, au point dit d’injection.

Par ailleurs, lorsque le satellite est en orbite, sa vitesse ne dépend que de son altitude et pas de masse : Galilée a énoncé que tous les corps ont dans le vide la même loi de chute.

 

Si la vitesse est supérieure à cette valeur limite, l’orbite est alors une ellipse. Plus la vitesse croit, plus l’ellipse s’allonge. Dans le cas d’une orbite elliptique, on parle alors d’apogée (le point le plus éloigné de la Terre sur l’orbite) et de périgée (le point le plus proche). La vitesse est inversement proportionnelle à l’altitude, elle est donc maximale au périgée et minimale à l’apogée. Crédits : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas

 

Il existe une vitesse en dessous de laquelle la satellisation n’est pas possible : le satellite retomberait ou brûlerait dans l’atmosphère. Cette vitesse est appelée vitesse de satellisation circulaire ; l’orbite est alors un cercle. Sa valeur dépend de l’altitude au point d’injection.

Si la vitesse est supérieure à cette valeur limite, l’orbite est alors une ellipse. Plus la vitesse croit, plus l’ellipse s’allonge. Dans le cas d’une orbite elliptique, on parle alors d’apogée (le point le plus éloigné de la Terre sur l’orbite) et de périgée (le point le plus proche). La vitesse est inversement proportionnelle à l’altitude, elle est donc maximale au périgée et minimale à l’apogée.

 

Si la vitesse s’accroît encore, l’ellipse s’allonge au point de s’ouvrir et de devenir une parabole. Ce changement s’observe pour une vitesse appelée vitesse de libération. Au-delà de cette vitesse, l’orbite devient une hyperbole : le satellite échappe alors à l’attraction terrestre et s’éloigne définitivement de la Terre.

Ces orbites se généralisent pour tous les corps célestes.

Vitesses de satellisation circulaire et de libération d’un satellite terrestre

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Altitude au point d'injection Vitesse de satellisation circulaire Vitesse de libération
200 km7,78 km/s (28 008 km/h)11,01 km/s (39 636 km/h)
400 km7,67 km/s (27 612 km/h)10,85 km/s (39 060 km/h)
800 km7,45 km/s (26 820 km/h)10,54 km/s (37 944 km/h)
36 000 km3,07 km/s (11 052 km/h)4,34 km/s (15 624 km/h)

 

Jargon:

  • Apogée, périgée et dérivés : Le terme générique apoastre (resp. périastre ) d’un objet céleste désigne le point de l’orbite le plus éloigné (resp. le plus proche) de l’astre autour duquel il gravite. Selon l’astre en question, le vocabulaire s’adapte : ainsi on parle d’ apogée/périgée s’il s’agit de la Terre (du grec gê, Terre), d’aphélie/périhélie pour le Soleil (du grec hêlios, Soleil), et par analogie, d’ apolune/périlune pour la Lune ou d'apojove/périjove pour Jupiter.

 

 

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Un rail virtuel

Une orbite est une courbe immatérielle. Le satellite est condamné à suivre un mouvement perpétuel sur des « routes » tracées et imposées par les lois de l'espace, bien qu'invisibles. Il se déplace à la manière d'un train qui aurait été lancé sur son rail, sans pouvoir en sortir.

 

Aux points A, B et C de l'orbite correspondent les points a, b et c de la trace. Mais cette trace, en rouge sur les 2 schémas, correspond à une situation fictive où la Terre serait immobile. La trace en vert représente la trace dans le cas réel où la Terre tourne sur elle-même : la rotation vers l'est a pour effet de décaler légèrement la trace vers l'ouest. Crédits : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas.

 

Pour savoir précisément quelles zones le satellite survole, on considère sa trace au sol, elle aussi virtuelle. Elle représente l'ensemble des points à la surface de la Terre situés à la verticale du satellite lorsqu'il décrit son orbite : c'est le déplacement du satellite projeté sur Terre.

Dans le cas d’une orbite circulaire, cette trace représentée sur une carte plane est une courbe sinusoïdale. Cet aspect surprenant compte tenu de la forme de l’orbite elle-même est due à 3 phénomènes :

  • l’inclinaison de l’orbite par rapport au plan de l’équateur, variant selon la mission ;
  • la rotation de la Terre sur elle-même, en 23 h 56 min ;
  • les principes de projection utilisés pour représenter un objet sphérique (le globe terrestre) sur une surface plane (la carte).

L’examen de cette trace indique qu’à l’inclinaison de l’orbite par rapport à l’équateur correspondent les latitudes extrêmes de la zone survolée par le satellite. Dans le cas d’un satellite géostationnaire, cette trace est un point sur l’équateur.

 

 

La seule route de l'espace

Contrairement à une idée très répandue, une orbite n'est pas nécessairement une trajectoire fermée et circulaire autour de la Terre.
En effet, tous les corps célestes évoluent selon le même principe et sont soumis à la gravitation : satellites naturels et artificiels tournent autour des planètes ; planètes, comètes et astéroïdes tournent autour du Soleil etc.

Lorsqu'une sonde se détache de l'attraction terrestre, elle n'en est donc pas libre pour autant : elle est alors soumise à l'attraction du Soleil, avant de rencontrer une autre planète.

 

Crédits : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas

 

Un véhicule spatial, qu’il soit en orbite autour de la Terre ou lancé aux confins de l’espace, n’avance en général pas grâce à un moteur. Il ne peut pas non plus manœuvrer comme un véhicule terrestre : par exemple, il ne peut pas s’arrêter ou changer de direction.

Un engin capable de circuler dans l’espace est nécessairement un projectile, qui a été lancé avec une certaine vitesse : son seul « moteur » est désormais la gravité des corps qu’il croise sur leur chemin.

Toutefois, un satellite artificiel dispose de moyens de propulsion : en se retournant sur lui-même, il peut ainsi accélérer ou décélérer et modifier sa trajectoire tout en restant dans son plan orbital. Il peut éventuellement corriger très légèrement l’inclinaison de ce plan, mais au prix d’une forte consommation de carburant.

 

 

Un panorama exceptionnel

Autour de la Terre, un satellite peut être placé sur une infinité d'orbites.

 

Chacune d'entre elles présente des caractéristiques particulières, qu'il est intéressant d'utiliser selon les objectifs d'une mission ou ses contraintes technologiques : altitude, conditions d'éclairement, zones de couverture, fréquence de survol.

Parmi les différents types d'orbites utilisées, 3 cas particuliers ont des intérêts spécifiques :

  • L'orbite géostationnaire : situé à 35 786 km d'altitude, un satellite géostationnaire nous apparaît immobile. En réalité, il évolue à plus de 10 000 km/h dans le plan de l'équateur, et effectue - comme la Terre - une orbite complète en 23 h 56 min. Avec une vaste vue d'ensemble, les satellites géostationnaires sont un relais idéal pour les télécommunications et forment un réseau de surveillance pour les prévisions météorologiques.

 

Bien placés, 3 satellites géostationnaires suffisent pour qu'une information accomplisse presque instantanément le tour du monde. Crédits : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas

 

 

Le saviez-vous ?

  • L’orbite de transfert :011 Jordan Noir Pas À Jumpman Capuche Air Nike 939998 Sweat TKcJluF31
    Lorsque le lanceur se sépare d’un satellite géostationnaire, ce dernier n’est pas encore sur son orbite définitive. Au point d’injection, l’altitude et la vitesse le place naturellement sur une orbite elliptique dont le périgée vaut 200 km et l’apogée environ 36 000 km. Par ses propres de moyens de propulsion, il circularise ensuite son orbite à l’aide de 3 poussées successives.

 

  

  • L’orbite héliosynchrone : un satellite héliosynchrone passe toujours à la même heure solaire au-dessus d’un même point. Le plan de l’orbite conserve toujours la même orientation par rapport au Soleil. Cette orbite est d’un grand intérêt pour l’observation de la Terre : elle permet d’observer une même région dans des conditions d’éclairement similaires à chaque passage.

 

Un satellite est héliosynchrone lorsque le plan de son orbite conserve tout au long de l'année la même orientation par rapport au Soleil. Il s'agit d'un phénomène naturel causé par la forme irrégulière de la Terre. Crédits : Jean-Pierre Penot (CNES) et Bernard Nicolas, illustration : Bernard Nicolas

 

 

  • L’orbite polaire : à une altitude généralement assez basse, un satellite en orbite polaire survole les pôles à chaque révolution. Avec une inclinaison proche de 90°, il survole la quasi-totalité de la Terre et est de ce fait très intéressant pour l’observation de la Terre.

Principaux types d'orbites terrestres utilisées

Orbite         Altitude                                             Missions possibles                 
Orbite basse LEO (Low Earth Orbit)Suede Vintage Low homme Deep Premium Nike Blazer Bleu f67gYby250 - 1 500 kmObservation de la terre, météo Télécommunications (constellations)
Orbite moyenne MEO (Medium Earth Orbit)10 000 - 30 000 kmTélécommunications (constellations), positionnement par satellites, missions scientifiques
Orbite géostationnaire GEO (Geostationary Earth Orbit)35 786 kmTélécommunications, positionnement par satellites, missions scientifiques
Orbite elliptiqueEntre 800 et 27 000 kmTélécommunications
Obite hyperboliqureJusqu'à plusieurs millions de kmMissions interplanétaires

 

Les principaux types d'orbite selon l'inclinaison à l'équateur Crédits : CNES

 

 

Voir aussi

  • Qu'est-ce que l'impesanteur ?
  • Qu'est-ce qu'une orbite ?
  • Comment ça marche... un satellite ?
  • Comment ça marche... un voyage interplanétaire ?

Approfondir

  • Site Jeunesse du CNES
  • Educnet : Sciences spatiales et enseignement - Ministère de la Jeunesse, de l'Education nationale et de la Recherche
A propos de : 
Vulgarisation
Orbite
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