Assistance gravitationnelle : comment la sonde BepiColombo survole la Terre pour se freiner

Eric Bottlaender
Spécialiste espace
07 avril 2020 à 18h00
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BepiColombo HRes
BepiColombo, moteurs allumés durant son trajet. © ESA/ATG medialab; Mercury: NASA/JPL

Pour son trajet vers Mercure, la mission BepiColombo passe par... La Terre ? Comment est-ce possible ? Pourquoi (et comment) se freiner à l'aide d'une planète ?

Pour pouvoir explorer le Système Solaire, il faut de l'énergie. Beaucoup d'énergie.

Un problème de taille

De l'énergie, il en faut déjà pour propulser une sonde hors de l'atmosphère terrestre à une vitesse suffisante pour l'emmener en orbite. Et encore plus pour quitter la sphère d'influence gravitationnelle de notre planète : la zone dans laquelle l'attraction de la Terre est plus forte que celle du Soleil ou de la Lune. On appelle cette zone la « sphère de Hill », et retenez-le bien car nous allons en reparler plus tard. Mais viser une autre planète n'est pas si facile. Bien sûr, avec un lanceur puissant il est possible d'envoyer un véhicule directement vers son objectif. C'est ce que la NASA, les Emirats Arabes Unis et la Chine feront à l'été 2020 pour atteindre Mars. Or Mars, comme Venus, sont des « voisines » de la Terre.

Pour BepiColombo, qui vise Mercure, il faut énormément d'énergie pour freiner et pouvoir croiser la trajectoire de la plus petite des planètes majeures. Eh oui, freiner : si pour viser les planètes plus lointaines du Système Solaire (Mars, Jupiter, Saturne, etc) on accélère, pour Venus et Mercure, il faut freiner. Dernier défi : au moment de croiser Mercure, il ne faut pas que la différence de vitesse entre la sonde et la planète soit trop importante, sinon il faudra à nouveau beaucoup de carburant pour freiner et se mettre en orbite. Ce fut le cas pour la sonde de la NASA, Messenger, dont 60 % de la masse initiale était constituée de carburant.

Mercure 1
Pas facile d'arriver jusqu'à Mercure... © NASA/JPL-Caltech

Assistance... Qui ?

Impossible donc, pour une mission de plusieurs tonnes, d'espérer aller se mettre en orbite de Mercure en freinant toute seule, malgré sa propulsion ionique-électrique innovante et efficace. Il faut recourir à un procédé que l'on appelle une assistance gravitationnelle, ou un effet de fronde. Concrètement, le principe est simple sur le papier : survoler d'autres planètes pour modifier sa trajectoire et gagner ou perdre de la vitesse. Mais comment ça marche ?

Pour la trajectoire, c'est assez intuitif : au moment où la sonde va entrer dans la Sphère de Hill (c'est bon, vous l'avez ?), l'attraction de la planète survolée sera plus importante que celle du Soleil. Donc c'est autour d'elle que notre sonde sera en chute libre. La sonde n'entrera pas en orbite de la planète survolée : sa vitesse est trop importante. Mais sa trajectoire est infléchie par ce changement de sphère d'influence.

BepiColombo assistance gravitationnelle
La trajectoire de la sonde... qui va freiner. © ESA/E. Bottlaender

Notez que sur le graphique ci-dessus, il n'y a pas de changement de vitesse avant ou après le survol. Et dans le référentiel de la planète, c'est tout à fait logique : BepiColombo entre et quitte la sphère de Hill à la même distance de la surface, et son point le plus proche de la Terre est toujours au centre de cette trajectoire. Mais alors du coup, pourquoi la sonde a-t-elle ralenti ?

Elle a ralenti parce que pendant ce survol, la Terre se déplaçait, elle avait donc sa propre vitesse dans un autre référentiel de ce « problème à trois corps » : autour du Soleil. Or lors du survol, les vecteurs vitesse de BepiColombo et de la Terre se sont additionnés. C'est là le cœur de l'effet de fronde, que l'on appelle parfois aussi l'effet pivot : le calcul de la déviation et de la variation de vitesse (ici, on freine) est très simple... mathématiquement.

BepiColombo assistance gravitationnelle 2
Confinement ou pas, c'est l'heure d'additionner des vecteurs vitesse. © ESA/E. Bottlaender

Si certains d'entre vous veulent pousser le raisonnement plus loin, ils pourront se demander où, physiquement, la sonde a récupéré cette énergie. Car bien sûr, BepiColombo n'a pas « cassé » la loi de conservation de l'énergie (et de plus, elle n'a pas allumé son moteur). Alors où l'a-t-elle récupérée ? Eh bien, dans l'influence gravitationnelle entre la Terre et la sonde. En se croisant, les deux objets se sont attirés chacun l'un vers l'autre. Comme ils allaient en sens inverse, ils ont dévié tous les deux, et l'énergie perdue par la sonde (qui freine) a été gagnée par la Terre (qui accélère).

Mais cette variation (comme l'angle de déviation) dépend de la masse des deux objets, et la Terre est terriblement plus lourde que BepiColombo dans le cas qui nous intéresse. Pour la sonde, c'est donc un freinage de 18 000 km/h (5 km/s), et pour la Terre, une pichenette cosmique... Selon les calculs de l'ESA, BepiColombo économise l'équivalent de 450 kg de Xénon, le gaz qui sert de carburant à ses propulseurs électriques ioniques.

Pas d'erreur possible

Pour atteindre Mercure, BepiColombo utilisera neuf survols, et donc neuf freinages par assistance gravitationnelle. Un record, et une véritable partie de billard planétaire qui requiert une précision que seuls les instruments les plus modernes peuvent lui fournir. Comprenez bien : une erreur de calcul minuscule lors d'un seul survol et toutes les trajectoires suivantes sont caduques... Le survol du 10 avril est le premier, et le seul autour de la Terre : c'est donc la dernière fois que la sonde sera proche de notre planète ! Du coup, c'est aussi une occasion unique pour une véritable ribambelle de vérifications.

D'abord, les équipes vont pouvoir tester l'exactitude de leurs calculs, rapportée à la précision des mesures de position de BepiColombo. Le 10 avril, la sonde est attendue à 6h25 du matin (heure de Paris) au-dessus de l'hémisphère Sud, et un retard de quelques secondes pourrait s'avérer absolument catastrophique. Pour éviter toute déconvenue, la trajectoire de la mission (en vol depuis octobre 2018) est vérifiée et revérifiée au cours de son approche : les équipes ont prévu des « points de passage » ces dernières semaines... Et dès qu'il y a une petite déviation, une manœuvre de correction de trajectoire est prévue (TCM).

La dernière, le 15 février, a changé la vitesse de Bepicolombo de précisément 1,25 km/h, et depuis tous les points de passage ont été confirmés à 99 %. La sonde passera le 10 avril à 12 677 km de la surface terrestre, et compte tenu de sa taille ne sera pas observable par les astronomes amateurs (plusieurs télescopes spécialisés suivront toutefois sa progression). Durant le survol de la Terre, les moteurs seront éteints... Mais les instruments, eux, en profiteront un maximum.

BepiColombo_acoustic_test.jpg
Tous les instruments ne sont pas disponibles sur la mission actuellement. © ESA.

BepiColombo versus la Terre

Cela ne vous surprendra pas outre mesure, mais en termes physiques, notre planète est relativement bien documentée. On sait à quoi elle ressemble à tout moment, y compris avec sa couverture nuageuse grâce aux satellites météorologiques, on connait sa température, sa signature infrarouge, les caractéristiques de sa magnétosphère... Et c'est un avantage certain pour BepiColombo qui va tenter d'utiliser un maximum d'instruments durant ce court survol pour pouvoir les étalonner : tous ceux qui ne sont pas cachés par les protections ou par la « configuration de voyage » de la mission (pour rappel, il y a trois modules l'un sur l'autre, qui se détacheront en 2025 pour orbiter Mercure) devraient être allumés. Soit pour observer la Terre, soit la Lune (autre objet relativement bien documenté !).

BepiColombo observera donc l'accélération gravitationnelle générée par la Terre, son champ magnétique, son spectre infrarouge, sa température, la présence de rayons gamma, les émissions radio, son spectre ultraviolet, le taux de particules énergétiques dans son voisinage, ainsi que le flux de particules et radiations solaires. Rien que ça ? Non. En bonus, la sonde orientera ses caméras de navigation pour prendre quelques photos de la surface terrestre et de la Lune, lors de son approche comme le jour du survol (il est utile qu'elle soit bien étalonnée parce que plus tard, elle prendra des images de Venus et Mercure).

Pour les équipes, qui ont validé il y a plus d'un an que leurs instruments étaient capables de fonctionner sur la sonde, c'est une superbe occasion de comparer les données avec les valeurs terrestres. Au besoin, ils auront largement le temps de changer les paramètres ou d'envoyer un correctif logiciel, puisque le prochain survol (de Venus) aura lieu le 15 octobre prochain.

D'ici là, elle pourra compter sur la Terre pour ralentir !

Source : ESA
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megadub
Extraordinaire les connaissances qu’on a des forces gravitationnelles désormais.
juju251
C’est toujours aussi impressionnant ce genre de manœuvres.<br /> Il y a quand même des génies pour concevoir des sondes de ce genre et des trajectoires pareilles. <br /> Je crois que les deux choses qui m’impressionnent le plus avec l’assistance gravitationnelles, ce sont :<br /> Les vitesses en jeu … - 18 000 KM/h de Delta V, c’est énorme et tout cela sans dépenser la moindre énergie provenant du carburant, c’est énorme et … très difficile de concevoir ce que ça peut donner réellement vu les unités en jeu. ^^<br /> Le fait que la sonde a une influence sur la planète visée (ici la Terre).<br /> C’est assez fou, je trouve de ce dire qu’une petite sonde qui pèse quelques centaines de kilogrammes puisse avoir une influence sur une … planète. <br /> Alors, certes cette influence est infinitésimale, mais quand-même.<br /> Pour ces deux raisons, je trouve que l’assistance gravitationnelle est absolument géniale !<br />
ebottlaender
Je ne peux mettre qu’un seul coeur donc j’en rajoute quelques uns en commentaire.
lollu_1_1
Vos articles sont vraiment passionnants. Bravo Eric
JohnnyG
C’est aussi ce qui se passe quand on saute. On est attiré vers la terre et également la terre est attiré vers nous. Sauf que les attirances dépendent du carré de la masse. Et que comme on pèse rien par rapport à la terre… c’est nous qui retombons dessus…
srochain
Peut-être l’auteur de l’article aurait du rappeler que ce principe de mécanique avec transfert de moment cinétique était dû à Giussep Colombo lui-même, décédé en 1984 à Padou. Ses amis l’appelaient Bepi, et c’est en hommage à ce grand savant contemporain que la sonde à destination de Mercure a été nommée BepiColombo.<br /> Serge Rochain
juju251
Oui, exact ! <br /> C’est assez dingue du coup de se dire que l’on a une influence (certes minimale et heureusement sur cette énooooorme baballe (ouais, ouais ) qu’est la Terre.
ebottlaender
C’est tout à fait exact, j’aurais pu le mentionner (bien que la paternité de la manoeuvre soit plus contestée qu’il y parait quand on creuse un peu). Après je trouvais que l’article commençait à tirer un peu en longueur ^-^<br /> Je vais voir.
buitonio
Merci à Eric BOTTLAENDER pour cet intéressant article !<br /> J’ai une petite incompréhension : dans le dessin des vecteurs vitesse, j’ai cru comprendre que le soleil est au sud par rapport à la Terre (d’après la couleur jaune foncé qui, je pense, représente la face de la Terre éclairée par le soleil). Or le vecteur vitesse résultant en sortie est orienté nord ouest, donc la sonde s’éloigne du soleil. Comment peut-elle rejoindre Mercure qui est plus proche du soleil que la Terre ?
ebottlaender
Merci à vous ! Alors vous avez bien compris le schéma, et c’est une bonne question. Comme elle est en orbite autour du Soleil, la sonde passe la moitié de son temps à s’en rapprocher, et l’autre à s’en éloigner. Au moment de croiser la Terre, elle est presque à l’apogée de son orbite, mais elle continue de s’éloigner du Soleil (ce qui explique le vecteur d’entrée). Et après son survol ? Eh bien sa trajectoire a changé, mais elle continue pour quelques temps de s’éloigner du Soleil, mais son orbite, son parcours futur a énormément évolué : elle se rapproche beaucoup plus du Soleil et croisera Venus. Donc pour répondre clairement, oui le vecteur vitesse sortant s’éloigne du Soleil, c’est normal, mais il est beaucoup plus faible que l’entrant, et cette différence de vitesse se traduit par un vrai changement d’orbite. BepiColombo ne reviendra jamais aussi loin du Soleil, elle croisera Venus en octobre.
ebottlaender
Par ailleurs, et j’espère que ça ne va rien embrouiller à mon explication, mais l’orientation du schéma est surtout là pour bien faire comprendre la notion de freinage. l’orientation de la sonde par rapport au Soleil n’est pas tout à fait la bonne.
buitonio
Merci pour vos explications sur l’orbite de la sonde autour du soleil, je l’ai complètement oubliée. Je pensais bêtement que la sonde file directement vers Mercure, fait ses relevés, envoie les résultats à la Terre puis s’enfonce dans l’espace profond après avoir croisé d’autres planètes de l’autre côté du soleil.
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