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Un satellite
Comment ça marche ?
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L’actualité spatiale fait une pause avant les échéances de l’été. C’est l’occasion de consacrer quelques pages à des fondamentaux comme la simple description d’un satellite artificiel. Elles sont d’abord pour les jeunes Amis, de plus en plus nombreux, et un peu pour ceux qui se posent encore la question : Un satellite, comment ça marche ?

Nous consacrerons trois pages "parlons espace" à cette petite révision :
      1- Satellisation, trajectoire et environnement d’un satellite.
      2- Constituants : structure et protections, stabilisation et orientation, énergie, communications.
      3- Utilisations : charges utiles, fiabilité, pannes et fin de service.

 

Satellisation

Rappelons schématiquement que quand on lance un projectile à l’horizontal il décrit une parabole avant de retomber sur la Terre. Plus la vitesse est élevée, plus il retombera loin. A partir d’une certaine vitesse, on peut imaginer qu’il ne retombe plus et qu’il décrit un cercle ou une ellipse autour de la Terre. Cette vitesse minimale qui est de 7,8 km/s est la vitesse de satellisation. Elle dépend de la masse de la Terre et du rayon de l’orbite circulaire à l’altitude la plus basse possible (200km) où l’atmosphère ne freine pas trop le projectile.

Si la vitesse est plus élevée, le cercle devient une ellipse et au-delà de 11km/s, vitesse de libération, c’est une hyperbole et le satellite devient une sonde et échappe à l’attraction terrestre.


Dans le cas d'une orbite circulaire la vitesse de satellisation est donnée par la formule:

Il est intéressant de voir comment V varie d’une planète à une autre en fonction des masses et de noter que pour les orbites circulaires la vitesse diminue avec l’altitude. (Satellites géostationnaires).
A ces vitesses, un tour de la Terre est vite parcouru. Par exemple:
       Aux basses altitudes (200 à 600 km) environ 1h ½
       Aux altitudes moyenne (20.000 km) environ 12h
       Sur l’orbite géostationnaire (36.800km) 24h

 

Orbites des satellites

L’orbite est la courbe décrite par le satellite. Elle est dans un plan qui passe par le centre de la Terre, elle a la forme d’un cercle ou d’une ellipse et elle est au-dessus de l’atmosphère. En respectant ces conditions, toutes les trajectoires sont possibles dans une sphère très vaste que nous limiterons au rayon utile de 50.000 km. Pour une orbite circulaire, on la distingue par son rayon ou plus généralement par l’altitude du satellite et on en déduit sa période de révolution. Quand l’orbite est elliptique, on retiendra 2 altitudes : celle du point le plus bas (périgée) et celle du point le plus haut (apogée).
Pour les applications scientifiques ou pratiques des orbites, il faut tenir compte de la rotation de la Terre et de ses caractéristiques physiques (Constitution, Atmosphère, champ magnétique). Une donnée supplémentaire est donc l’inclinaison du plan de l’orbite par rapport au plan de l’équateur. La plupart des satellites sont placés sur des orbites circulaires qui peuvent être proches de la Terre (LEO à moins de 2000km), à des altitudes moyennes (MEO entre 2000 km et 35.000km) et à l’altitude des satellites géostationnaires (GEO à 35800 km). Les orbites hautes au-delà de 36.000km sont peu utilisées. Quant aux orbites elliptiques, beaucoup plus rares, elles sont des étapes vers le transfert géostationnaire et ont été utilisées pour certains systèmes de télécommunication (Molnya).

Les orbites ne sont pas parfaitement stables, elles varient légèrement suite au frottement dans l’atmosphère même raréfié, aux particularités de la Terre et aux attractions et rayonnements dans le système solaire. Les satellites retombent vers la Terre, mais en combien de temps ?
       Orbites de 200 à 400 km : 6 mois à 1 an avant de rentrer dans l’atmosphère.
       Orbites de 800km (Spot) : 200 ans avant de retomber.
       Orbites de 20.000 km (GPS) : 100.000 ans et plus.
       Orbites géosynchrone(Télécom) : des millions d’années.

 

Du sol au milieu spatial

Un satellite doit être conçu et construit pour atteindre l’espace où il doit fonctionner pendant plusieurs années sans intervention humaine pour les dépanner dans la plupart des cas.

Phase de lancement

Il est facile de concevoir que le satellite placé au sommet du lanceur va être soumis à des contraintes mécaniques très fortes. Et d’abord, les accélérations et les vibrations. Des résonnances intempestives (effet Pogo) peuvent parfois endommager un satellite ou détruire un lanceur. Le bruit sous la coiffe qui peut atteindre 150 dBa est à prendre en considération.

Phase orbitale

Séparé du dernier étage du lanceur, le satellite est entièrement soumis aux conditions du milieu spatial qui ne sont guère clémentes pour un engin terrestre.
Passons-les en revue :
        Le vide presque parfait qui a deux effets principaux. Il peut bloquer les mécanismes par sublimation des atomes des surfaces et surtout, il ne permet pas à la chaleur dégagée par les appareils de satellite de s’évacuer par convection. La régulation thermique est un important problème pour les engins spatiaux.
        Le soleil qui intervient de plusieurs façons. D’abord par son rayonnement échauffant les surfaces éclairées qui peuvent atteindre +150° C tandis que les parties à l’ombre sont en dessous de – 100° C. Ensuite pendant les éruptions solaires où plasma et particules sont particulièrement destructeurs pour l’électronique de bord. Enfin, comme sur Terre, le soleil dégrade avec le temps les matériaux et notamment les cellules solaires.
        Les collisions avec les objets et les particules qui sillonnent l’espace. Il y a les rayons cosmiques et les nombreux météorites qui arrivent sur Terre. De plus, l’augmentation des débris d’origine humaine est maintenant un risque important à prendre en compte dans la conception des satellites. Renforcer la protection contre les collisions a un coût significatif dans les projets. L’absence de pesanteur et la grande vitesse de déplacement des satellites influent peu sur le fonctionnement en orbite.

 

En résumé

Cette présentation des orbites, des conditions pour y placer des satellites et de l’environnement rencontré par ces derniers est volontairement simplifiée pour mettre l’accent sur quelques données fondamentales comme la forme, la position et la période de révolution des orbites ou encore l’environnement sévère subit par un satellite au lancement et en orbite. Autant de paramètres qui vont conditionner la conception et la réalisation d’un satellite.
A suivre….

 

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Textes : Jack Muller

crédits image: http://hubblesite.org/gallery http://www.esa.int/