Deux sondes en orbite autour de Mars

L'actualité spatiale orbite par paires : en début de semaine, la NASA annonce la mise sur orbite de la sonde Maven, envoyée il y a six mois, et dont la mission consistera à étudier l'atmosphère martienne. Ici, ce n'est pas la première fois, et après leurs premières missions, dans les années quatre-vingt dix, où seule une sonde sur deux parvenait à destination sans encombre, il s'agit désormais d'un type de trajectoire parfaitement maîtrisée par les ingénieurs de la NASA.

À ses côtés, la sonde indienne, Mars Orbiter Mission, est d'une grande modestie, sauf que l'Inde rejoint un club très fermé — comportant désormais 4 nations — en réussissant à envoyer une sonde vers Mars, et, en particulier, à maîtriser le freinage qui permet, une fois arrivé sur place, de s'insérer en orbite polaire. À titre de comparaison, les Russes ont perdu les 3 sondes qu'ils ont envoyées vers Mars en 1988, 1989 et 2011. Vu la qualité des images, la sonde indienne est très modeste, mais que la nation Indienne parvienne en moins de trente ans, à développer une industrie spatiale performante, et capable de cette prouesse exceptionnelle est un événement majeur (et en plus, ils l'ont fait avec un tout petit prix, lié à une trajectoire particulièrement astucieuse...)

Mars compte donc deux sondes en orbite en plus de Mars Express (ESA), de Mars Odyssey (2001), Mars Reconnaissance Orbiter (2006), soit un total de cinq missions : trois américaines, une européenne et désormais une indienne. Et vous avez vu ? Les ingénieurs indiens comptent un nombre non négligeable d'Ingénieuses...

Orbite de Hohmann ? Qui était Hohmann ?

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 ?

Cédric Villani (Ciel et Espace, mars 2013)

 Je prends la liberté de citer Ciel & Espace de mars 2013, si vous ne l'avez pas lu, courez vite vous procurer le numéro de mars. L'interview de Cédric Villani est d'une grande intelligence, elle a le mérite d'éclairer la lanterne des pauvres lecteurs, et de proposer aux astronomes une remise en ordre vigoureuse de leurs théories :

[...] C&E : L'astronomie vous intéresse, mais vous n'hésitez pas à lui lancer quelques piques. 

C.V. : Un peu, oui. En astronomie, on est souvent dans l'inconnu. On comprend très peu de choses. Mais les astrophysiciens ont une imagination débordante ! Comme ils ne peuvent pas faire d'expérience, ils peuvent à peu près inventer tout ce qu'ils veulent. La matière noire et l'énergie sombre, par exemple... Personnellement, je n'y crois pas. Jusqu'à preuve du contraire, ce sont simplement des constats de « non-compréhension ». La théorie qui décrit l'évolution de l'Univers flanche, c'est un fait, mais a-t-on vraiment besoin d'énergie sombre et de matière noire ?

J'ai des collègues plus virulents encore. Pour eux, l'astrophysique est le seul domaine où l'on transforme en découvertes scientifiques de simples constats d'erreur : « Mince, ma théorie ne fonctionne pas, on dirait qu'il manque de la masse. Bon, c'est parce qu'il y a une nouvelle particule en plus. Je ne sais pas ce que c'est, mais je vais l'appeler matière noire. » Et c'est quoi la matière noire ? « Ce qui explique qu'il manque de la masse. » On tourne en rond, là ! En plus, il y a ce problème de biais : la matière noire n'est pas exactement concentrée là où est la matière visible, elle forme un halo, mais pas complètement... Bref, on peut dire ce que l'on veut.

C&E : En ajoutant des ingrédients à leur recette de l'Univers, les astrophysiciens feraient donc preuve de flemme intellectuelle ?

C.V. : Non, ce n'est pas de la flemme. Il y a un grand travail derrière tout ça. Simplement, l'imagination prend le pas sur la cohérence. Il y a un vrai problème de réflexion sur les modèles, sur leur construction, la simplicité. Bref, sur ce que l'on veut faire. Comme disait Poincaré, la science, ce n'est pas un empilement de concepts, c'est une construction [in La Science et l'hypothèse] Il faut construire sa maison en prenant le temps de réfléchir, pour qu'elle tienne bien, pour que son architecture soit élégante. Si on ajoute un concept à chaque fois qu'on a un problème, on est mal parti... Il y a tellement d'inconnues lorsqu'on parle de l'Univers

[...] Il ne s'agit pas de mettre des problèmes de côté. En science, il faut se colleter avec des problèmes difficiles. Mais il faut avoir un peu de recul. Ne pas présenter les choses avec trop de certitudes. Il est parfaitement légitime de parler d'énergie sombre et de matière noire tant qu'on livre ça comme des hypothèses, avec des limitations, des points d'interrogation...

Le texte et les photos sont repris du numéro de Mars 2013 de Ciel & Espace.