L'orbite de transfert est le premier pas pour qui s'intéresse aux orbites dans l'espace. On trouve même des « jeux » pédagogiques qui permettent de comprendre comment on passe d'une trajectoire à une autre, celui indiqué ci-dessus me semble amusant. On trouve surtout des calculs rigoureux !
Dans l'espace, il s'agit d'aller, non pas d'un point à un autre mais d'une orbite à une autre, car, du fait des lois de la gravité, « le point d'arrivée » n'existe pas. Un objet dans l'espace, en un point donné, avec une vitesse donnée, non nulle ne peut pas s'arrêter : rien ne le freine.
Le même objet, s'il ne peut pas accélérer, suit alors le jeu des forces de gravité, telles que Galilée, Kepler, puis Newton les ont observées, puis formalisées. L'objet suit alors une trajectoire plane, conique. Si nous nous restreignons à un objet de faible masse et de faible vitesse, cette orbite de transfert est circulaire ou elliptique, par exemple, un satellite d'observation de la Terre.
L'exemple ci-dessus, s'applique bien à un satellite que vous cherchez à faire passer d'une orbite circulaire, à une autre, sur un cercle plus grand. Il suffit alors d'une poussée dans le sens de la circulation pour lui faire adopter une trajectoire en ellipse, dont le périgée (le point le plus proche de la Terre) est votre point de départ et l'apogée (le point le plus éloigné), là où, si vous avez bien fait vos calculs et donné la bonne impulsion au départ votre satellite parvient de manière tangente sur l'orbite circulaire que vous visiez. Il suffit alors d'une nouvelle poussée à l'apogée pour faire en sorte que votre satellite s'insère sagement dans la nouvelle orbite circulaire que vous lui avez destiné : en fait, à chaque orbite circulaire est associée une vitesse constante, la dernière impulsion vise juste à ce que votre mobile atteigne cette vitesse qui stabilise la trajectoire. Ce passage d'une orbite circulaire à une autre, en empruntant une orbite intermédiaire, dite de transfert, porte le nom de son inventeur : Walter Hohmann.
- Parenthèse :
WALTER HOHMANN :
Comme je ne trouve rien en français sur ce personnage si important, je me permets de traduire à grands traits ce que j'ai pu trouver. Walter Hohmann est né en Allemagne en 1880. Il est le fils d'un médecin, qui partit vivre à Port-Elisabeth, en Afrique du Sud, avec toute sa petite famille. Donc, le petit Walter fit un grand voyage, très jeune, il découvrit une culture très différente de la sienne, sans doute cette expérience, ce grand voyage à l'autre bout de la Terre, dans un pays où Noël signalait le début de l'été n'est-elle pas secondaire ? Par la suite, il revient en Allemagne poursuivre des études d'ingénieurs en travaux civils à Münich. Il travaille pour les communes de Vienne, Hanovre, Breslau avant de s'installer définitivement à Essen où il deviendra architecte en chef.
Pionnier de ce qui n'était encore à l'époque qu'une marotte de doux rêveur, il s'intéresse aux problèmes d'orbite d'objets navigant dans l'espace entre 1911 et 1915 : à l'époque, l'espace se résume à l'aviation avec des bi- et des tri-plans à hélice volant à quelques centaines de mètres d'altitude. Sans certitude, l'article dont je m'inspire suggère sans preuve que Walter Hohmann a été influencé par l'auteur, philosophe et scientifique, Kurt Lasswitz (1848-1910), que l'on considère comme le père de la science-fiction allemande...
Quelle que soit la vérité de cette influence, il est indéniable qu'il existait des spéculations sur la vie dans d'autres planètes à cette époque...
Par exemple, en 1877, Schiaparelli étudie la planète Mars dans un télescope, et il prétend y distinguer des canaux : son affirmation, reprise par l'Américain Percival Lowell, connaît un succès foudroyant quand celui-ci publie un livre décrivant les canaux martiens, et elle déclenche une polémique passionnée, et passionnante, qui dure jusqu'en 1909, date à laquelle l'observatoire du Pic du Midi, fournit un instrument suffisamment bien défini pour démonter définitivement l'idée de canaux. Entretemps, la polémique sur les canaux martiens aura duré trente deux ans, pas mal pour une idée réfutée !
Autre ancêtre de la propulsion spatiale : le physicien et mathématicien russe Constantin Tsiolkovski décrit en 1903 l'exploration de l'espace cosmique par des engins à réaction.
Ce petit détour montre que l'invention des canaux martiens précède de trois ans la naissance de Walther Hohmann. Peut-être a-t-il grandi en écoutant ses aînés débattre gravement et opposer Schiaparelli, Percival Lowell, Flammarion et Antoniadi ? En tout cas, l'ingénieur Hohmann débute ses travaux deux ans après la fin de la polémique martienne, et une dizaine d'années après la publication de Tsiolkovski, peut-être le temps nécessaire pour que la rumeur colporte l'existence de cet obscur professeur russe (la Russie et l'Allemagne ont toujours été des nations entretenant de fort liens culturels) ?
Quoi qu'il en soit, Hohmann avait de nombreuses possibilités pour nourrir son imagination. Il est certain qu'il existait un climat, un désir d'étude des planètes et de l'espace, bien antérieurs à l'invention des premières fusées, et qu'il est assez facile d'imaginer un jeune ingénieur enthousiaste et s'ennuyant quelque peu à concevoir des hôpitaux sur planche à dessin, coincé dans une petite ville allemande, consacrant ses loisirs à lire, à se renseigner sur la question et à oser imaginer des voyages interplanétaires... pourquoi pas vers la Lune ou la planète Mars ? En tout cas, il se pose les problèmes, il les étudie et il propose une solution élégante pour passer d'une orbite circulaire à une autre en minimisant l'énergie à fournir. Mieux, il les publie dans un livre
Dans les années 20, il devient même une figure majeure dans la « Société de Vol Spatial » mouvement amateur, avant de prendre de grandes distances après la prise du pouvoir par les nazis, s'arrangeant pour ne prendre aucune part dans le développement des fusées. Il meurt dans un hôpital d'Essen, peu avant la fin de la Seconde Guerre Mondiale, lors des bombardements... Personnalité intéressante, que cet homme, suffisamment rêveur pour consacrer ses loisirs au développement de la cinématique spatiale, et suffisamment attentif, pour éviter de participer à l'élaboration d'armes de guerre pour le régime nazi. L'article en anglais que j'ai partiellement traduit vient de Wikipedia
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Revenons à nos orbites elliptiques : si, au lieu de prendre la Terre comme référent, mais le soleil, le problème est identique, et sa solution donne une trajectoire qui permet de passer d'une planète à une autre en dépensant le moins possible de carburant.
Mieux, si vous étudiez le problème en visant l'économie de carburant, vous tombez sur des problèmes étudiés par Hohmann, qui s'appliquent parfaitement à la Sonde Juno, qui passe par une première orbite de transfert vers Mars, revient vers actuellement vers la Terre qu'elle devrait frôler en octobre 2013, et profitant de l'accélération fournie par le véhicule terrestre, et au prix d'une nouvelle impulsion, empruntera une orbite de Hohmann bien plus rapide qui la propulsera à la vitesse de 26 000 km/h vers Jupiter, qu'elle devrait atteindre 3 ans plus tard, en 2016... Ci dessous, une présentation de sa trajectoire offerte pour démonstration par la Nasa :
Alors, c'est pas beau, une orbite de Hohmann ?
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