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Exploration de l'ESPACE

 
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Exploration de l'Espace, science et techniques de la navigation dans l'espace,
également appelée astronautique.

L’astronautique, terme inventé en 1927 par Joseph Henri Rosny (1856-1940), désigne à la fois les vols habités et les voyages entrepris par des sondes spatiales automatisées. Elle constitue une science interdisciplinaire, mettant à contribution différents domaines du savoir, notamment la physique, l’astronomie, les mathématiques, la chimie, la biologie, la médecine, l’électronique, l’informatique et la météorologie. .
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Grâce aux sondes envoyées dans l’espace, on a pu rassembler de nouvelles données sur la nature et sur l’origine du Système solaire et de l’Univers. Les satellites placés en orbite autour de la Terre ont fait progresser les télécommunications, la prévision météorologique et l’assistance à la navigation ; ils ont également permis l’analyse précise de la surface terrestre, pour des applications civiles et militaires.

L’ère spatiale commence véritablement en octobre 1957 avec le lancement par l’URSS de Spoutnik 1 et celui d’Explorer 1 par les États-Unis en janvier 1958. En octobre 1958, la NASA (National Aeronautics and Space Administration, Agence nationale de l’aéronautique et de l’espace) est fondée aux États-Unis. Au cours des deux décennies suivantes, plus de 1.600 engins spatiaux de tous types sont lancés, la plupart se limitant à une exploration de l’orbite terrestre. Puis, de juillet 1969 à décembre 1972, douze hommes marchent sur la Lune. Actuellement, plusieurs milliers d’objets sont en orbite autour de la Terre, la plupart gravitant à des altitudes assez basses (400 à 1.600 km) ; il s’agit principalement de restes d’étages de fusées, de satellites hors d’usage, ainsi que d’une multitude de débris résultant d’explosions, les plus petits (quelques centimètres) pouvant se révéler les plus dangereux pour un véhicule spatial habité (les plus grands sont plus aisément repérables)

PHYSIQUE DE L'ESPACE : .
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Le passage entre l’atmosphère terrestre et l’espace intersidéral est progressif. La densité de l’air diminue graduellement au fur et à mesure que l’on s’élève en altitude, jusqu’à devenir négligeable dans les couches supérieures de l’atmosphère : à 30 km au-dessus du niveau de la mer, la pression barométrique vaut un huitième de celle qui règne au niveau de la mer. À 60 km, elle n’est plus que de 1/3.600 de cette valeur, et à 90 km, 1/400.000 seulement. À l’altitude de 200 km, on trouve encore une atmosphère résiduelle suffisamment dense pour freiner les satellites par un phénomène de frottement aérodynamique, ce qui leur fait progressivement perdre de l’altitude, jusqu’à provoquer leur rentrée destructrice dans l’atmosphère. Cela a été le cas pour la station spatiale américaine Skylab, qui s’est désintégrée le 11 juillet 1979 au-dessus de l’Australie et du sud de l’océan Indien. Les satellites placés à une altitude plus élevée ont donc une durée de vie supérieure (un corps satellisé à 1.000 km d’altitude peut s’y maintenir plusieurs siècles).

RAYONNEMENT DE L'ESPACE : .
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Au sens classique du terme, l’espace est vide. Pourtant les milieux interplanétaires et interstellaires contiennent en fait d’infimes quantités de gaz comme l’hydrogène, et de petites quantités de poussières de météorite. Les rayons X, le rayonnement ultraviolet, la lumière visible et le rayonnement infrarouge provenant du Soleil traversent l’espace, de même que les rayons cosmiques, composés principalement de protons (noyaux d’hydrogène), de particules alpha (noyaux d’hélium) et, dans une proportion plus faible, de noyaux atomiques de masse plus élevée. .
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Partiellement filtré par l’atmosphère, le rayonnement cosmique est potentiellement dangereux pour les spationautes évoluant pendant de longues durées à l’extérieur de leur vaisseau.

LA GRAVITATION : .
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La loi de la gravitation universelle stipule qu’un corps attire tout autre corps avec une force dont l’intensité est proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. .
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Ainsi, l’attraction gravitationnelle exercée par la Terre (notamment sur les satellites et les sondes spatiales) diminue rapidement au fur et à mesure que l’on s’éloigne d’elle. Le champ gravitationnel s’étend cependant à une distance infinie, son action, même infinitésimale, étant toujours présente quelle que soit l’altitude. Dans un vaisseau spatial en orbite autour de la Terre — ou de tout autre corps céleste — les corps sont dits en état d’apesanteur (ou impesanteur) parce qu’ils échappent aux effets habituels de leur propre poids : spationautes et objets semblent flotter librement. .
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Les forces aérodynamiques qui s’exercent sur les ailes (surfaces portantes) d’un avion le soutiennent en s’opposant à la force de gravitation ; de plus, il peut utiliser des hélices ou des réacteurs pour se diriger. Un engin spatial ne peut pas fonctionner de cette façon, du fait de l’absence d’air dans l’espace ; il doit utiliser la réaction de fusées pour la propulsion et les manœuvres : lorsqu’un moteur-fusée projette un jet de gaz dans une direction donnée, la réaction imprime à l’engin une impulsion dans la direction opposée, conformément au troisième principe de la mécanique énoncé par Newton.

L'HOMME DANS L'ESPACE : .
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L’espace est un milieu hostile pour l’homme. Tout d’abord, il ne contient pas d’oxygène, indispensable à la respiration de l’homme. Par ailleurs, la température dans l’espace peut approcher le zéro absolu (- 273,15° C) dans l’ombre d’une planète ; à l’inverse, elle peut devenir extrêmement élevée sous l’effet direct du rayonnement solaire. La combinaison des rayonnements solaires et cosmiques, fortement énergétiques, peut aussi se révéler mortelle en l’absence de protection par une combinaison suffisamment efficace. Ces conditions environnementales extrêmes peuvent aussi affecter le fonctionnement des instruments utilisés dans les vaisseaux et les sondes spatiales. Des expériences de longue durée en état d’apesanteur ont été réalisées, afin d’évaluer les effets d’une telle situation, en vue de mieux préparer les hommes aux missions dans l’espace. .
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Il existe plusieurs façons de se protéger contre les agressions de l’environnement spatial. L’habitacle des véhicules spatiaux constitue le premier rempart, et pour les sorties dans l’espace — dites aussi activités extra-véhiculaires — on utilise une combinaison étanche, disposant de son propre système d’alimentation en air ou oxygène pressurisé. Pour réguler la température à bord d’une station spatiale, on peut placer à différents endroits de sa surface externe des panneaux absorbants et réfléchissants. Enfin, les trajectoires des vols spatiaux habités sont soigneusement étudiées afin d’éviter les ceintures de radiations, lieux de rayonnement intense entourant la Terre. .
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Dans la perspective, encore lointaine sans doute, de longues expéditions interplanétaires, il faudra probablement recourir à d’épais blindages pour protéger les équipages contre le vent solaire. De même, on pourrait rendre plus supportable la durée d’un séjour prolongé dans l’espace en recréant artificiellement une gravité comparable à celle que l’on connaît sur Terre : le véhicule spatial devrait alors ressembler à une grande roue en rotation lente autour de son moyeu central, ou à un haltère tournant d’une extrémité sur l’autre.

HISTORIQUE : .
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De nombreux et très anciens récits font état de l’attirance de l’homme pour l’espace, comme en témoignent des textes babyloniens remontant à 4.000 av. J.-C. Certains mythes de la Grèce antique (en particulier celui de Dédale et d’Icare, qui ont pris leur envol grâce à des ailes faites de plumes et de cire) reflètent également le désir universel de voler. Dès le IIe siècle av. J.-C., l’écrivain grec Lucien de Samosate fait le récit d’un voyage imaginaire sur la Lune. Dans Somnium (« le Songe »), ouvrage posthume publié en 1634, l’astronome allemand Johannes Kepler esquisse une description d’un voyage sur la Lune. En 1752, Voltaire conte, dans Micromégas, le périple d’un géant, habitant de l’étoile Sirius, et du secrétaire perpétuel de l’Académie de la planète Saturne. En 1865, Jules Verne publie De la Terre à la Lune, dans lequel son génie visionnaire s’exprime par une description proche d’une réalité qui se concrétisera un siècle plus tard. Dans un genre radicalement différent, l’écrivain anglais H.G. Wells publie en 1898 la Guerre des mondes, puis en 1901 les Premiers Hommes dans la Lune. Au début du XXe siècle, les pionniers du cinéma de fiction prennent également pour thème la conquête spatiale, Georges Méliès réalisant le Voyage dans la Lune (1902), et Fritz Lang la Femme sur la Lune (1929). La bande dessinée participe aussi à cette fresque d’anticipation : l’exemple le plus célèbre est celui d’Hergé, qui publie en 1953 Objectif Lune, suivi en 1954 par On a marché sur la Lune. Le cinéma de science-fiction poursuit ce processus avec notamment 2001 : l’Odyssée de l’espace, le film que Stanley Kubrick réalise en 1968, écrivant le scénario avec l’écrivain anglais Arthur Clarke (il a décrit dans un article paru dès 1945 le principe des satellites géostationnaires).

PREMIERS MODELES :

Des siècles durant, les voyages spatiaux relèvent de la seule imagination. Pendant tout ce temps, des astronomes, chimistes, mathématiciens, météorologues et physiciens tentent de comprendre la nature du Système solaire et de l’Univers. Aux VIIe et VIe siècles av. J.-C., les philosophes et mathématiciens grecs Thalès et Pythagore pensent que la Terre est une sphère. Vers 127 av. J.-C., Hipparque crée le premier catalogue d’étoiles (il est considéré comme le père de l’astronomie de position — également appelée astrométrie). Au IIe siècle av. J.-C., Ptolémée fait la synthèse de tous ces travaux, en présentant un modèle géocentrique du cosmos (la Terre étant selon lui située au centre du Système solaire) encore appelé aujourd’hui système de Ptolémée : cette représentation de l’Univers reste en vigueur jusqu’à la Renaissance.

DECOUVERTES SCIENTIFIQUES : .
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Au IIIe siècle av. J.-C., l’astronome Aristarque de Samos affirme que la Terre tourne sur elle-même et se déplace autour du Soleil. Mais il faut attendre près de 1.700 ans pour que l’astronome polonais Nicolas Copernic présente l’Univers sous forme d’un système héliocentrique, où les planètes décrivent des orbites autour du Soleil : en publiant De revolutionibus orbium coelestium, ouvrage fondamental en astronomie, juste avant sa mort en 1543, il marque le début d’une conception moderne de l’Univers, faisant même avancer l’ensemble des idées scientifiques — à tel point que l’on parle encore aujourd’hui de révolution copernicienne. .
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Plus tard, les observations de l’astronome danois Tycho Brahé permettent à son disciple allemand Johannes Kepler d’établir les trois lois régissant le mouvement des planètes autour du Soleil. D’autres illustres astronomes, tels Galilée (1564-1642), Edmund Halley, sir William Herschel et sir James Hopwood Jeans, apportent une contribution majeure à l’astronomie moderne, fondatrice de l’astronautique. .
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Les physiciens et les mathématiciens contribuent également à édifier les bases de l’astronautique. En 1654, le physicien allemand Otto von Guericke réfute la vieille théorie selon laquelle « la nature a horreur du vide ». En 1687, Newton formule les lois de la gravitation universelle : les trois principes fondamentaux qui régissent la mécanique newtonienne sont toujours utilisés, notamment pour établir les calculs relatifs à la propulsion et aux trajectoires des engins spatiaux modernes. .
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Malgré ces avancées théoriques, les voyages spatiaux demeurent impossibles avant que les progrès techniques réalisés au XXe siècle ne fournissent des solutions pratiques pour la propulsion par fusée, le guidage et le contrôle des véhicules spatiaux.

PROPULSION PAR FUSEE : .
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Les techniques de propulsion par fusée ont, elles aussi, des origines très anciennes. Les toutes premières fusées utilisent comme combustible de la poudre à canon, selon un processus très voisin des feux d’artifice actuels. Des chroniques racontent qu’en Chine, en 1232, la ville de Kaifeng est protégée des Mongols par l’utilisation de fusées. À partir de la Renaissance, l’utilisation de fusées à des fins militaires est évoquée en Europe. Dès 1804, l’armée anglaise met sur pied une compagnie d’artillerie équipée de fusées dont la portée atteint environ 1.800 m. .
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Aux États-Unis, le pionnier de la propulsion par fusée est un professeur de physique : Robert Goddard, qui commence au début des années 1920 une série d’expériences sur la technologie des fusées. Il lance la première fusée à propergol liquide le 16 mars 1926. En 1903, Konstantin Tsiolkovski, un enseignant russe, propose déjà l’utilisation d’ergols liquides pour propulser les engins spatiaux. Les choses se précisent avec la publication, en 1923 et 1925, de Die Rakete zu den Planetenräumen (« la fusée dans l’espace interplanétaire »), d’Hermann Oberth, ingénieur et physicien allemand, puis de Die Erreichbarkeit der Himmelskörper (« la possibilité d’atteindre les corps célestes »), de l’architecte allemand Walter Hohmann : le premier ouvrage expose des notions essentielles à la mise en œuvre de fusées, tandis que dans le second figurent les premiers calculs détaillés de trajectoires interplanétaires. .
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La Seconde Guerre mondiale fournit ensuite l’impulsion nécessaire au développement de fusées suborbitales à longue portée. Les États-Unis, l’URSS, la Grande-Bretagne et l’Allemagne développent simultanément des fusées à usage militaire (missiles). Les plus efficaces sont les missiles V2 allemands (des fusées à propergol liquide, utilisées notamment pour le bombardement de Londres). À la fin de la guerre, l’armée américaine récupère bon nombre de V2, qui sont ensuite testés aux États-Unis au cours de vols verticaux, alimentant la recherche naissante en astronautique. Après la guerre, certains ingénieurs allemands partent pour l’URSS, mais les principaux spécialistes des fusées rejoignent les États-Unis, les plus célèbres d’entre eux étant Walter Dornberger et Wernher von Braun.

ENGINS SPATIAUX : .
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Inhabités pour la plupart, les véhicules spatiaux sont très variés dans leurs formes et leurs dimensions, selon la nature de leur tâche. Ils possèdent un équipement de transmissions radio, pour recevoir puis retransmettre des informations vers la Terre et pour communiquer leur position. .
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Les véhicules spatiaux habités doivent satisfaire à des exigences nettement plus contraignantes que leurs homologues inhabités. Les hommes doivent pouvoir y trouver de l’eau, des vivres, et disposer d’équipements leur permettant de dormir. Le véhicule doit être équipé d’un système de navigation et de guidage, et d’un dispositif de communication avec la Terre. Une des particularités de ces engins est leur bouclier thermique (certains satellites récupérables en sont également dotés) : il les protège contre l’énorme quantité de chaleur créée par le frottement du véhicule, propulsé à très grande vitesse dans l’atmosphère lors de son retour sur Terre. Ce bouclier est en général réalisé avec des matériaux composites : sur la navette spatiale américaine, les tuiles protectrices sont construites à partir de fibres de silice.

PROPULSION : .
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Il existe deux types principaux de moteur-fusée : les fusées à propergols solides, qui utilisent des produits chimiques brûlant d’une manière analogue à la poudre, et les fusées à propergols liquides, qui utilisent un couple d’ergols (un combustible et un comburant) transportés sous forme liquide dans des réservoirs distincts. La plupart des fusées qui ont été utilisées pour le lancement des engins spatiaux américains sont des fusées à plusieurs étages, chaque étage disposant de son propre système de propulsion, largué après épuisement de sa réserve de propergols. C’est également le cas du lanceur européen Ariane 4, qui a mis en orbite plus de la moitié des satellites commerciaux entre 1988 et 2003. .
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La technologie des engins spatiaux s’apparente à celle des missiles balistiques à longue portée. De 1957 à 1965, les États-Unis et l’URSS sont les deux seuls pays à disposer d’une Navette Spatiale - Space Shuttlecapacité de lancement de satellites. Les années suivantes, la France, le Japon, l’Inde et la Chine accèdent à l’espace, lançant des satellites de plus en plus complexes. Le 24 décembre 1979, l’Agence spatiale européenne (ESA) commence son propre programme de lancements depuis le Centre spatial de Kourou (Guyane française) avec la fusée Ariane 1. Mais les États-Unis et la Russie demeurent encore les seules puissances spatiales capables de faire accéder des hommes à l’orbite basse, respectivement grâce à la navette spatiale et aux vaisseaux Soïouz.

LANCEMENT ET RETOUR : .
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Le lancement d’un véhicule spatial s’effectue à partir d’une base, contrôlée par des équipes d’ingénieurs et de techniciens opérant à distance depuis un bâtiment voisin. Les inspections avant le départ sont multiples, la mise à feu et le décollage n’arrivant qu’après une longue campagne de préparatifs. .
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Au retour, il faut surmonter le problème de la rentrée dans l’atmosphère. Dès les premiers vols habités, la solution retenue est celle du bouclier thermique, qui équipe entre autres les capsules américaines des programmes Mercury, Gemini et Apollo ; sur la navette spatiale, des tuiles en céramique cimentées individuellement à la coque assurent la protection. Avant l’ère de la navette, qui se pose sur une piste d’atterrissage comme un avion, toutes les capsules américaines effectuent un retour dans l’océan. Les astronautes sont rapidement localisés puis récupérés par hélicoptère et recueillis à bord de navires de la marine américaine. Les spationautes russes (ou cosmonautes) atterrissent quant à eux en Sibérie, la capsule Soïouz étant freinée par un système de parachutes.

EN ORBITE AUTOUR DE LA TERRE : .
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L’orbite d’un corps satellisé autour de la Terre peut être de forme circulaire ou elliptique. Une orbite circulaire est parcourue à une vitesse constante, d’autant plus faible que l’altitude est élevée (deuxième loi de Kepler) : comme le fait remarquer dès 1945 Arthur Clarke, il existe donc une altitude où la vitesse de rotation d’un satellite est identique à celle de la Terre. C’est l’altitude géostationnaire, ainsi appelée parce qu’elle permet à un satellite placé à 35.768 km au-dessus de l’équateur de se déplacer sur une trajectoire dite géosynchrone, de sorte qu’il demeure à une position fixe au-dessus d’un certain point déterminé de l’équateur. La plupart des satellites de télécommunications sont placés sur cet anneau, désormais connu sous le nom d’orbite géostationnaire. .
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Sur une orbite elliptique, la vitesse varie d’un maximum atteint au périgée — c’est-à-dire à l’altitude la plus faible — à un minimum atteint à l’apogée — soit à l’altitude la plus élevée (ce résultat provient là encore de l’application de la deuxième loi de Kepler). .
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Une caractéristique importante de l’orbite est sa position par rapport à la Terre : elle peut se situer dans n’importe quel plan passant par le centre de la Terre (l’angle entre le plan orbital et le plan équatorial étant appelé inclinaison de l’orbite). Ainsi, une orbite polaire s’inscrit dans un plan passant par les pôles Nord et Sud — c’est-à-dire qu’il traverse l’axe de rotation de la Terre — ; une orbite équatoriale est une orbite située dans le plan de l’équateur. .
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Un satellite d’observation placé en orbite polaire, transportant généralement des caméras sensibles dans le domaine infrarouge, peut balayer l’intégralité de la surface du globe en vingt-quatre heures. Si l’inclinaison de l’orbite est inférieure à 90°, la couverture est réduite, certaines régions proches des pôles n’étant plus survolées. Dans le cas d’un satellite météorologique géostationnaire comme ceux de la famille Meteosat, un calcul très simple prouve que l’image transmise par le satellite (toutes les 30 minutes environ) couvre un peu moins d’un hémisphère terrestre (sa zone de visibilité est limitée à 81,2° de latitude de part et d’autre de l’équateur). .
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Un corps placé dans le vide peut théoriquement tourner indéfiniment sur son orbite. Mais si sa trajectoire est suffisamment basse par rapport à l’atmosphère terrestre, le frottement de l’air provoquera une perte progressive d’altitude. De nombreux satellites finissent ainsi leur vie : ils sont détruits en rentrant dans l’atmosphère, où ils se consument comme un météore.

 

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Connexités :
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Sources de référence :

MSN Encarta, encyclopédie de référence
Wikipédia, encyclopédie libre de référence

 

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