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L'astronautique

Illustration artistique du lanceur SLS de la NASA/Orbital ATK. Document adapté par l'auteur.

Champs d'études (I)

L'astronautique, c'est-à-dire les sciences et techniques permettant d'explorer l'espace, couvre des champs d'études extrêmement vastes, depuis la technologie spatiale et la chimie des mélanges propulsifs (les pergols), l'étude des matériaux et la mécanique des fluides, jusqu'aux expériences de biologie spatiale, de physique et d'astronomie sans ignorer les disciplines des sciences de la Terre telle que la télédétection pour n'en citer qu'une.

Plus qu'un vaste champ d'études, l'astronautique est le support de nombreuses sciences appliquées.

Pluridisciplinaire, l'astronautique représente un ensemble d'un grand intérêt par les découvertes qu'elle entraîne dans notre vie de tous les jours. Elle nous libère des contraintes terrestres et nous permet d'améliorer nos conditions physiques dans l'espace. Elle facilite les découvertes sur la nature des corps célestes et nous permet d'améliorer notre technologie.

Etant donné que notre atmosphère est un écran que de nombreux rayonnements ne peuvent traverser, il est nécessaire d'aller étudier les astres par-delà cette barrière. C'est le rôle des satellites mis en orbite depuis le Spoutnik soviétique lancé le 4 octobre 1957 et des sondes spatiales expédiées à travers le système solaire.

La vocation des observatoires satellisés est d'étudier l'environnement terrestre ainsi que les astres et leurs influences dans des rayonnements peu ou pas du tout accessibles depuis le sol et éventuellement de découvrir de nouveaux objets ou sources de rayonnements. On y reviendra dans l'article consacré aux missions spatiales.

En 2021, il y avait 4084 satellites opérationnels soit deux fois plus qu'en 2019 et 22000 débris de satellites de plus de 10 cm orbitant entre 400 et 1500 km d'altitude suivis par l'USAF. On y reviendra. En 2019, environ 60% des satellites étaient utilisés pour les communications au sens large (commerciales, gouvernementales et militaires). Leur proportion va grandissant avec le développement d'Internet et des réseaux par satellite.

A consulter : UCS Satellite Database - Lyngsat - WorldView

State of the Satellite Industry Report (PDF), SIA, 2015

A gauche, éventail des fonctions des satellites. A droite, quelques uns des satellites de télécommunication (TV notamment) en orbite géostationnaire dite orbite de Clarke. Documents SIA adapté par l'auteur et STK/AGI.

Avec le projet de service Internet par satellite d'Elon Musk, 57000 satellites supplémentaires pourraient s'y ajouter d'ici 2030. Il faut y ajouter les projets de OneWeb (UK), Telesat (Ca), Lynk (Amazon et Facebook), Roscosmos (russe) et de la Chinese Aerospace Science and Industry corp. qui envisagent de placer sur orbite plus de 50000 petits satellites de télécommunication, principalement pour Internet. Cela signifie qu'à moyen terme l'espace proche serait encombré de près de 110000 satellites opérationnels !

Les sites de lancements des fusées.

Si aucune réglementation ne limite ce déploiement, leur présence sera préjudiciable au travail des scientifiques. En effet, rien que le passage des "constellations Starlink" crée déjà une véritable pollution lumineuse qui empêche de réaliser certaines études, notamment photographiques et spectrographiques, il gêne les satellites de télédétection qui observent la Terre et perturbent les communications des satellites météos.

En complément, nous avons lancé plus de 300 sondes spatiales explorer le système solaire.

Ensemble, les archives historiques et les données fournies par les satellites et les sondes spatiales représentent des millions de terabytes d'informations qui s'accumulent dans les mémoires périphériques des ordinateurs, constituant une partie de ces fameuses "Big Data".

En observant l'univers sur la totalité du spectre électromagnétique, cette pléthore d'informations permet aux chercheurs de reconstituer l'histoire des corps célestes, des étoiles aux plus lointaines galaxies mais également de suivre l'évolution de la Terre et en particulier les conséquences du changement du climat.

Les informations scientifiques recueillies à ce jour et notamment les découvertes ont déjà bouleversé nombre de concepts, obligeant les théoriciens à revoir leur copie, mais a également - et c'est heureux - permis de corroborer certains modèles. En fait il faut savoir que les satellites artificiels, vu leur coût, sont expédiés dans l'espace s'ils ont de bonnes chances d'étayer les théories en cours.

Comme ailleurs, l'informatique est entrée en force dans tous les domaines scientifiques. Les programmes de modélisation, d'analyse des signaux, de traitement d'images et de présentations tridimensionnels permettent de visualiser ou de simuler des phénomènes ou l'aspect d'objets ou d'astres inaccessibles et sont aujourd’hui des outils d'analyse indispensables aux chercheurs.

Organisations

Les organismes gouvernementaux ont mis sur pied des programmes spatiaux dont la première tâche est la mise sur orbite de satellites à vocations scientifiques ou civile (météorologie, navigation, communication, astronomie, géodésie, écologie, géophysique, télédétection, etc) mais également militaires (surveillance, détection, défense).

Il faut bien évidemment citer en premier lieu les programmes américains (NASA), du gouvernement russe (Ruscomos alias RFSA), de l'agence européenne (ESA), ceux du Japon (JAXA) et de la Chine (CNSA), en rappelant que plusieurs autres nations ont mis sur pied des programmes d'étude, de recherche ou de défense dans le domaine spatia telles l'Inde (ISRO) et la Corée du Sud (le KARI en collaboration avec la Russie) qui disposent chacune de leurs propres lanceurs.

La concurrence commerciale est rude car plus de 20 pays disposent aussi de la technologie spatiale et cherchent sur le marché les lanceurs offrant le meilleur rapport qualité/prix pour placer leurs satellites (Brésil, Canada, Israël, Pakistan, Ukraine, Mexique, etc.).

Chaque lanceur a ses contraintes, tant au niveau de la charge utile (poids embarqué) que de l'orbite (orbite basse, molnya, de halo ou haute, dite géostationnaire et de parking).

Ci-dessus, panorama du Complex 39 du Kennedy Space Center (KSC) de la NASA à Cap Canaveral en Floride en 2015. On reconnaît l'emblématique bâtiment du "Vehicule Assembly Building" ou VAB haut de 160 m dans lequel sont assemblées les fusées américaines depuis 1966. De nouveaux bâtiments sont en cours de construction pour le support opérationnel du vaisseau Orion et du lanceur SLS. Ci-dessous, le complexe de l'ESA à Kourou, en Guyane Française, avec une vue générale de la zone de lancement ZL3 sur laquelle se trouve la fusée Ariane 5. Voici une autre vue panoramique du site. Documents NASA et DLR.

Aujourd'hui, les trois principales agences spatiales sont par ordre d'importance la NASA, l'ESA et la CNSA chinoise. A n'en pas douter, l'Empire du Milieu est en train de construire ses avant-postes dans l'espace aidé par des sociétés privées européennes telles Alcatel. Il ne serait pas étonnant que la Chine devienne la première puissance spatiale d'ici une ou deux générations. Mais cela ne signifie pas que la Chine pourra soutenir ce progrès à long terme vu les problèmes économiques et sociaux auxquels elle doit faire face.

Plusieurs universités et associations amateurs profitent également des lanceurs nationaux pour placer sur orbite leurs propres satellites : AMSAT-OSCAR (AO), SARA, RADIO-SPOUTNIK (RS), JAMSAT, etc.

La NASA à son tour, à travers ses missions spatiales dont quelques heures sont réservées à l'éducation veut sensibiliser la population à la recherche en astronautique et aux sciences s'y rapportant ainsi qu'aux retombées de la conquête spatiale. C'est dans ce cadre que la NASA encourage également les expériences radioamateurs, les astronautes licenciés contactant de temps en temps des amateurs, des clubs ou des écoles équipés de moyens VHF (ARISS, etc). Citons par exemple l'astronaute Nancy J. Currie, alias KC5OZX qui discuta depuis la navette spatiale avec des radioamateurs du Goddard Amateur Radio Club, WA3NAN (cf. ces fichiers audio mémorables).

A lire : A quelle altitude commence l'espace ?

A voir : Graphique interactif de la position de chaque satellite artificiel actif

Allo, la Terre ?

Quand la fiction rejoint la réalité. A gauche, une image du film "2001: L'Odyssée de l'Espace" qui frappa les esprits. A bord de la station Space Station V et en attendant sa navette pour la Lune et la base de Clavius, le Dr. Heywood Floyd contacte par téléphone sa famille restée sur Terre. Prix de la communication : 1.75$ pour 5 minutes. En 1968, c'était presque un rêve inaccessible. Aujourd'hui, pour les astronautes de telles communications sont une réalité ainsi que pour les radioamateurs qui les contactent. A droite, environ 30 ans après la sortie de "2001", les cosmonautes radioamateurs sont à bord de Mir et communiquent en SSTV avec d'autres radioamateurs restés au sol. Le prix ? La communication est gratuite ! Cette transmission fut enregistrée le 26 août 1999 sur 145.985 MHz par WB8ERJ. Plus vraie que la meilleure science-fiction ! Rappelons qu'une situation similaire s'était déjà produite en 1969 lors du débarquement d'Apollo 11 sur la Lune dont l'équipage fut en contact avec le président Nixon.

Enfin, rappelons que les chances de réussite d'une mission spatiale sont élevées mais le risque d'incident n'est pas nul; les satellites professionnels comme amateurs risquent toujours de tomber en panne ou de présenter une défectuosité pour une raison ou une autre (vibrations pendant le transport, soudure brisée, coup de froid, panne, irradiation,...). Nous y reviendrons lorsque nous discuterons des retombées de satellites, un risque qu'il faut prendre très au sérieux dans un monde toujours plus peuplé.

A quelle altitude commence l'espace ?

Comme toutes les questions a priori simples, la réponse est plus difficile qu'on le pense. En effet, elle dépend du contexte et donc de ce que veut savoir la personne qui a posé la question !

Dans le droit international, il n'existe pas de loi définissant l'altitude où se termine l'air national et où commence l'espace, le milieu interplanétaire. Cela laisse la porte ouverte à de nombreuses interprétations en fonction des utilisateurs de cette partie de l'atmosphère.

Les différentes couches de l'atmosphère telles que les considère la NOAA (2016).

En revanche, il existe une définition de l'espace extra-atmosphérique. En météorologie, l'exosphère commence à environ 800 km d'altitude. En aéronautique et astronautique, la limite communément admise de l'espace est appelée la "Ligne de Kármán" et est arbirairement fixée à 100 km au-dessus du niveau moyen de la mer (MSL). Au-dessus de cette altitude, l'atmosphère est si ténue qu'elle ne fournit plus suffisamment de portance pour maintenir les avions conventionnels en vol (cf. le tourisme spatial).

A partir de 100 km d'altitude, un vaisseau spatial doit atteindre la vitesse minimale de satellisation de 7.8 km/s soit ~28000 km/h ou Mach 23 sinon il retombe sur Terre (à ne pas confondre avec la vitesse de libération qui est de 11.2 km/s (40320 km/h) sur Terre à 15°C - cf. ce tableau - et permet à un vaisseau spatial de s'affranchir définitivement de l'attraction terrestre).

Ainsi, sur le plan opérationnel, pour les différentes organisations aéronautiques et astronautiques dont la Fédération Aéronautique Internationale (FAI), la Ligne de Kármán définit un vol spatial.

Toutefois, dans un article publié dans la revue "Acta Astronautica" en 2018, l'astrophysicien Jonathan C. McDowell du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian proposa que l'espace commence à ~20 km (12 miles) en dessous de la Ligne de Kármán soit à 80 km au-dessus du niveau de la mer.

Selon cette norme adoptée par l'USAF et la NASA, c'est donc à partir de 80 km MSL qu'on peut considérer qu'il s'agit d'un vol spatial.

Dans le cas du tourisme spatial dont les vols peuvent dépasser 100 km d'altitude, on peut donc effectivement parler de vol spatial mais certainement pas pour les vols entre 30 et moins de 80 km d'altitude où on parle respectivement de vol stratosphérique et suborbital, sachant qu'il définit un vol qu'il n'atteint pas la vitesse minimum de satellisation.

Mais nous verrons à propos du tourisme spatial que pour la FAA, le fait d'atteindre plus de 80 km d'altitude ne suffit pas qu'un touriste spatial gagne ses ailes d'astronaute. Il doit également effectuer "des activités essentielles à la sécurité publique, ou contribuant à rendre le vol spatial habité plus sûr" (cf. programme Wings mis à jour le 20 juillet 2021).

Entre environ 300 et 700 km d'altitude, les vaisseaux spatiaux évoluent sur des orbites basses dites LEO (Low Earth Orbit) dont l'altitude dépend de leur poids. Pratiquement aucun objet n'évolue à moins de 300 km d'altitude où il serait fortement ralenti par la traînée ou freinage atmosphérique.

La stratification de l'atmosphère au coucher du Soleil photographiée depuis la station ISS par Scott Kelly le 1 mars 2016 peu avant son retour sur Terre.

Notons que la Ceinture interne de Van Allen commence vers 1000 km d'altitude et la SAA vers 500 km d'altitude, des niveaux où les radiations corpusculaires sont très élevées (>50 MeV) et qu'il est préférable d'éviter, tant pour les missions habitées que pour les satellites. On y reviendra.

Mais du point de vue strictement physique, les mesures indiquent qu'il faut atteindre au moins 965 km d'altitude pour quitter les couches extérieures de l'atmosphère et commencer à ressentir le vent solaire. Ce niveau devrait donc correspondre à la limite inférieure de l'exosphère.

Toutefois, cette manière de définir l'espace complique un peu les choses. A cette altitude, la Station Spatiale Internationale qui orbite entre 330 et 435 km d'altitude, la navette spatiale (qui orbitait vers 320 km d'altitude) ainsi que certains satellites en orbites polaires (orbitant entre 700-1700 km d'altitude) ne seraient pas considérés comme des vaisseaux spatiaux !

Ces dernières années les scientifiques ont essayé de déterminer la "limite de l'espace" à travers différentes études de l'atmosphère. En 2009, les chercheurs de l'Université de Calgary ont fabriqué et lancé un Imageur Ionique Supra Thermique afin de mesurer la transition entre les vents modérés de l'atmosphère terrestre et les flux plus violents de particules chargées venant de l'espace. Selon leurs données, la limite de l'espace commence à 118 km (73 miles) au-dessus du niveau de la mer. Ceci est une limite scientifique également valable pour les simulations numériques. Elle se situe donc moitié plus haut que celle fixée par l'USAF et la NASA.

Idéalement, les différentes organisations aéronautiques et astronautiques ainsi que l'Organisation Météorologique Mondiale (OMM) et l'ONU devraient se mettre d'accord pour définir clairement la limite de l'espace et la reprendre dans le droit international et le droit de l'espace. A ce jour rien de tel n'est envisagé vu les points de vues particuliers des différents utilisateurs. Mais dans la mesure où le tourisme spatial prend lentement son envol, il faudra bien un jour fixer clairement le champ d'application des lois.

Ceci dit, l'astronautique ne peut pas se résumer en quelques pages et des livres encyclopédiques ont été écrits sur le sujet (voir références en dernière page). Le sujet a donc été divisé en plusieurs articles, chacun développant une application particulière (les combinaisons spatiales, le réseau DSN, le tourisme, le budget et les retombées économiques, les accidents, l'exploration du système solaire, la colonisation, etc.). Dans cet article, nous nous attacherons à rappeler les principales étapes de l'histoire de l'astronautique et les grands projets à venir.

Prochain chapitre

Rappel historique

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