Définition d'une orbite

L'orbite est la trajectoire suivie par un engin autour d'un astre en passant toujours par son équateur. L'orbite d'un satellite est écrite de la manière suivante: périgée x apogée; inclinaison (durée). Le périgée est le point le plus proche de l'astre survolé et l'apogée est le point le plus éloigné. L'inclinaison est l'angle décrit par l'orbite par rapport à l'équateur, sachant que la ligne équatoriale est à une inclinaison de 0°.

Suivant la vitesse à imprimer à la fusée et l'angle choisi, une satellite décrira telle ou telle orbite.

Contrairement à ce qu’un profane pourrait penser, un satellite ne vole pas. Il tombe continuellement autour de la Terre. L’explication est toute simple. Si vous lancez une pierre dans votre jardin, elle suivra une parabole qui l’amènera irrémédiablement au sol ou plus précisément, vers le centre de la Terre. Quelque soit la vitesse à laquelle vous la lancerez, elle finira par retomber tôt ou tard. En cause, la gravité verticale. Pour placer un satellite sur orbite, il est nécessaire de lui imprimer une vitesse minimale pour qu’il puisse en faire le tour complet au moins une fois. C’est ce que l’on appelle la vitesse horizontale. Dans le cas présent, cette vitesse doit approcher 28 440 km/h (7,9 km/s). Pour que le satellite ne soit pas freiné dans sa course par le frottement atmosphérique, il est impératif qu’il soit positionné au-dessus de l’atmosphère, soit au minimum 100 km au-dessus de la Terre, altitude théorique où commence l’espace. Dans la pratique, ce sera pratique ce sera en général au-dessus de 150 km.

Si vous remplissez tous ces critères, vous avez atteint la première vitesse cosmique. Sur une orbite basse, un satellite mettra en moyenne 90 minutes pour faire le tour de la Terre. Plus l’orbite (au minimum l’apogée) sera haute et plus de temps il faudra pour achever une orbite. Par exemple, un satellite de télécommunications placé sur une orbite géostationnaire mettra 24 heures pour accomplir un tour complet de la Terre.

Si vous donnez une vitesse supérieure à 40 000 km/h (11,4 km/s), la gravité terrestre ne sera pas suffisante que pour maintenir votre satellite sous son influence. Il quittera la sphère gravitationnelle pour voyager dans le système solaire. Il s’agit là de la seconde vitesse cosmique. Dans ce cas, le satellite sera soumis à la force d’attraction d’un autre astre, autrement plus imposant, le Soleil. En se déplaçant dans le système solaire, votre satellite « chutera » continuellement vers le centre de notre étoile.

Pour quitter le système solaire, il faut quitter la sphère d’influence du Soleil. Et pour cela, il est nécessaire d’atteindre la vitesse de 42,1 km/s, soit 151 600 km/h.

Différentes orbites

Low Earth Orbit

LEO (Low Earth Orbit): orbite basse située entre 180 et 400 km environ, souvent plus ou moins circulaire avec une inclinaison par rapport à l'équateur suivant la mission du satellite. Une orbite basse qui a une inclinaison qui lui permet un survol des régions proches des pôles est appelée orbite polaire.

Low Earth Orbit
Orbite basse décrite par le satellite - Dessin Philippe VOLVERT

Medium Earth Orbit

MEO (Medium Earth Orbit): orbite offrant les mêmes caractéristiques que la LEO mais avec une altitude plus élevée, comprise entre 400 et 1000 km.

Medium Earth Orbit
Orbite moyenne décrite par le télescope spatial Hubble - Dessin Philippe VOLVERT

Sun-Synchronous Orbit

L'orbite héliosynchrone est une orbite circulaire située entre 400 et 900 km passant d'un pôle à l'autre. Sa particularité est que le satellite passe toujours au-dessus du même point du globe à la même heure. Ainsi, il est possible de voir les modifications qu'a subi la région survolée en ayant toujours les mêmes angles pour la lumière et les ombres. Cette orbite est celle des satellites dédiés à l'observation de la Terre.

Sun-Synchronous Orbit
Orbite héliosynchrone décrite par le satellite de télédétection Envisat - Dessin Philippe VOLVERT

Highly Elliptical Orbit

Le territoire russe couvre une grande superficie à des latitudes très au nord. Les satellites de télécommunications habituels ne peuvent atteindre ces régions. La Russie a décidé d'utiliser certains satellites (Molniya) sur des orbites particulières. Celles-ci sont inclinées de 63° environ et passe de 600 à 40 000 km de la Terre. Comme le satellite n'est plus fixe par rapport à la région à couvrir (comme c'est le cas pour les satellites sur une orbite GEO), plusieurs engins sont placés sur la même orbite mais décalés par rapport à celui qui le précède. Ainsi, lorsqu'un satellite passe sous l'horizon, un second prend la relève. Le service peut être maintenu 24/24h.

Certains observatoires astronomiques sont placés sur une orbite avec une différence encore plus nette entre le périgée et l'apogée et avec une inclinaison différente en fonction de la mission à accomplir. C'est ce qu'on appelle une orbite elliptique. Pour exemple, le télescope aux rayons X, XMM-Newton se trouve sur une orbite située à 827 x 11 3946 km avec une inclinaison de 40° sur le plan de l'équateur.

Orbite elliptique
Orbite elliptique décrite par un satellite - Dessin Philippe VOLVERT

Geostationnary Transfert Orbit

GTO (Geostationnary Transfert Orbit): orbite intermédiaire dont le périgée se situe entre 200 et 400 km et l'apogée entre 30 000 et 40 000 km avec une inclinaison presque nulle par rapport à l'équateur. C'est sur cette orbite que la plupart des satellites de télécommunications sont lancés par les fusées avant de rejoindre l'orbite définitive qui est la GEO.

Geostationnary Transfert Orbit
Orbite GTO décrite par le satellite technologique Maqsat B2 - Dessin Philippe VOLVERT

Geostationnary Earth Orbit

GEO (Geostationnary Earth Orbit): orbite circulaire située à environ 36 000 km inclinée à environ 0° par rapport à l'équateur. Depuis la Terre, un satellite placé sur cette orbite parait fixe. Il avance à la même vitesse que celle de la rotation de la Terre. C'est l'orbite des satellites de communications et de télévision essentiellement mais également météorologiques.

Geostationnary Earth Orbit
Orbite décrite par un satellite de télécommunications - Dessin Philippe VOLVERT

Points Lagrange

Pour comprendre comment fonctionne les orbites de Lagrange, il est important de comprendre comment fonctionne une orbite en général. Toutes les orbites décrites précédemment font appel à 2 choses: l'attraction terrestre et la vitesse de satellisation. Lancez n'importe quel objet, il retombera sur Terre. Plus vous le lancerez fort et plus loin il ira. C'est la force d'attraction de la Terre (d'un astre en général) qui est responsable de ce phénomène. Si on lance un satellite avec une vitesse très élevée, 28 000 km/h dans le cas des satellites en orbite autour de la Terre, il aura une assez grande vitesse pour annuler cette force ou presque. Il en va de même pour tout objet dans l'espace. Il orbitera toujours autour de quelque chose. Ainsi, lorsqu'une sonde est lancée en direction d'une planète, elle décrit une orbite autour du Soleil qui croisera l'orbite de la planète visée.

Le fonctionnement des orbites, ou plutôt des Points Lagrange, est différent. Le satellite n'est plus soumis par l'attraction d'un astre mais de 2. L'attraction de l'un est compensée par celle de l'autre. Comme le schémas ci-dessous le montre, il existe 5 Points Lagrange. Si L1, L2 et L3 sont instables (la durée de la stabilité est limitée et la gravité de l'un ou l'autre astre reprend le dessus), L4 et L5, situés à un angle de 60° par rapport à l'axe entre les 2 astres, sont qualifiés de stables (la durée de stabilité est infinie). On retrouve cette même configuration pour les astéroïdes troyens près de Jupiter. Ils sont calés sur la même orbite que la planète sur les Points L4 et L5 situés 60° en avance ou 60° en arrière.

Points Lagrange
Orbite sur le point Lagrange L2 du satellite WMAP - Simulation Nasa

Orbite d'évasion

Le dernier type d'orbite qui existe est celui de l'évasion. La fusée imprime à sa charge utile une vitesse supérieure à 40 000 km/h. La gravité terrestre n'est plus assez forte et l'engin la quitte définitivement et fonce dans l'espace interplanétaire. C'est cette orbite qui est utilisée lorsque l'on envoie des robots vers Mars ou d'autres planètes. Il s'agit d'une droite entre le point de départ et le point d'arrivée, courbé par la force d'attraction du Soleil.

T1 est la position de la Terre au moment du lancement d'une sonde vers Mars. M1 est la position de Mars au même moment. T2 est la position de la Terre au moment où la sonde arrive près de Mars. M2 est la position de Mars au même moment. S représente le Soleil. La Terre se situe à 1 UA (Unité astronomique du Soleil, soit 150 millions de km).

Le cercle rouge représente l'orbite que Mars parcourt autour du Soleil. En bleu, c'est l'orbite de la Terre. La ligne verte représente la trajectoire que la sonde va devoir effectuer pour arriver vers Mars en partant de la Terre.

Evasion
Orbite d'évasion décrite par la sonde Mars Reconnaissance Orbiter entre août 2005 et mars 2006 - Simulation Nasa

Sources

  • Dictionnaire de l'astronomie et de l'espace de Philippe de La Cortadière et Jean-Pierre Penot (Larousse)
  • Space Connection 19 - Ariane 5, le lanceur européen de l'an 2000
  • A la découverte des satellites