Pourquoi une mission spatiale ne peut pas voler à tout moment : qu'est-ce qu'une fenêtre de lancement ?

Pourquoi le vaisseau spatial ne peut-il pas être lancé à tout moment ? Qu'est-ce qu'une rampe de lancement ? Vous apprendrez tout cela grâce à notre article.

Mission Artémis I

L’importance de la mission Artemis I pour l’humanité est souvent comparée au vol Apollo 8 de 1968, lorsque l’homme a pu atteindre l’orbite de la Lune pour la première fois de l’histoire. Mais à cette époque, un vol réussi vers la Lune était censé être avant tout une victoire dans la confrontation politique et technologique entre les États-Unis et l’URSS, la science étant en arrière-plan. Bien sûr, le programme "Apollo" a été un énorme succès, car une personne qui a quitté la Terre à bord du premier avion il y a quelques décennies à peine a surmonté la gravité terrestre et s'est retrouvée sur l'orbite d'un autre corps céleste.

On ne parlait presque pas du volet économique à cette époque. Mais six décennies plus tard, ce sont précisément les avantages économiques de l'exploration des ressources lunaires qui poussent l'homme à « retourner » sur la Lune. Si la seule raison de telles missions était de planter le drapeau de leur pays sur la surface de la lune, ce qui, bien sûr, au début, les gens pouvaient le percevoir comme tel, je me demande si des ressources aussi énormes seraient impliquées maintenant. Après tout, il y a maintenant des problèmes beaucoup plus graves sur Terre. Mais la course à l'espace continue, et les avantages ici seront très importants, y compris économiques.

Autrement dit, l'annulation du lancement de la mission Artemis I le 29 août entraîne des pertes économiques et financières. Il semblerait qu'ils n'aient pas lancé le 29, alors ils auraient pu le lancer le 30 ou le 31 août, mais ils l'ont reporté au 3 septembre. Je suis sûr que beaucoup d'entre vous ne comprennent pas pourquoi cette date particulière a été choisie. Ils parlent de fenêtres de départ, de conditions favorables au lancement. Essayons de comprendre.

Lisez aussi: Missions spatiales habitées : pourquoi le retour sur Terre est-il toujours un problème ?

Exigences strictes concernant la date de début de la mission

La fenêtre de lancement en question est une condition imposée par la nature et les limitations technologiques, condition qui doit être prise en compte lors du lancement de tout objet spatial. Pour les avions, une fenêtre de départ est la plupart du temps facultative, mais en raison du trafic aérien intense, ils décollent également à une certaine heure, c'est-à-dire selon l'horaire. S'il n'y avait pas une telle restriction, l'avion pouvait décoller et atterrir quand il le voulait. Mais les vols dans l'espace aérien doivent être ordonnés. Cela ne s'applique qu'à l'espace aérien de la Terre, où des couloirs aériens conditionnels pour l'aviation civile sont posés depuis des décennies.

Une fusée transportant un vaisseau spatial pourrait théoriquement le faire aussi, mais l'approvisionnement limité en carburant l'en empêche. Le même à travers lequel oui il est difficile de revenir sur Terre. Pour l'instant, nous ne pouvons voler sur une trajectoire soigneusement calculée que si nous pouvons faire correspondre les positions des planètes ou de la Lune avec la Terre. Tout écart nécessite des réserves de carburant en excès, mais dans l'espace, elles ne peuvent pas être collectées comme des bonus dans un jeu d'arcade.

C'est pourquoi les vols vers Mars n'ont jusqu'à présent lieu qu'à intervalles de deux ans, lorsque sa position à l'extrémité du trajet d'une sonde ou d'un autre appareil sera favorable à l'exécution des tâches. Dans le cas de missions dépassant les limites du système solaire, les trajectoires de vol peuvent être beaucoup plus compliquées, car l'effet de la gravité des autres planètes sur la trajectoire de vol prévue doit également être pris en compte. Par exemple, lors du vol de Voyager aux limites du système solaire, l'accélération due à la gravité de Vénus a été prise en compte, et le vaisseau New Horizons a été affecté de la même manière par la gravité de Jupiter. Car le carburant est encore une ressource rare dans l'espace, et les technologies moteurs basées sur sa combustion sont encore très primitives. Oui, quelqu'un mentionnera les panneaux spatiaux qui aident les sondes à utiliser le vent cosmique pour se propulser, mais ce sont les sondes, et non le vaisseau spatial, qui ont besoin de carburant pour se mettre en orbite et revenir sur Terre. Et vous en avez besoin de beaucoup.

Intéressant aussi :

• Pourquoi les étoiles scintillent-elles ?
• Pourquoi les engins spatiaux sont équipés de processeurs du 20ème siècle

Que sont les launchpads pour le démarrage ?

Imaginez que vous êtes au centre d'un stade d'athlétisme et que vous souhaitez rencontrer l'un des athlètes courant sur un tapis roulant. On peut essayer de le rattraper, mais pour cela il faut courir plus vite que lui, et on va dépenser beaucoup d'énergie. Il est beaucoup plus raisonnable de calculer quand le coureur sera dans la position la plus avantageuse, pour qu'il puisse être intercepté et au bon moment aller à sa rencontre. Les calculs doivent être précis pour ne pas arriver trop tôt ou trop tard. Le moment optimal pour commencer à bouger est notre fenêtre de départ.

Il en va de même pour les missions spatiales. Une fenêtre de lancement est simplement la période pendant laquelle un vaisseau spatial peut atteindre un point spécifié dans l'espace à un moment spécifié. Dans le même temps, les capacités de puissance de la fusée et la trajectoire de l'objet spatial avec lequel l'appareil doit se rencontrer sont prises en compte. Par conséquent, les fenêtres sont différentes pour différentes missions. Par exemple, pour une mission vers Mars, la fenêtre de lancement s'ouvre tous les 780 jours. Mais pour le lancement de "Voyager-2", dont l'objectif est des planètes telles que Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, ils ont utilisé une fenêtre d'opportunité qui n'apparaît qu'une fois tous les 175 ans. D'autre part, nous avons l'exemple de la mission Rosetta, qui était initialement destinée à étudier la comète 46P/Wirtanen, mais cette opportunité a été perdue en raison d'un retard de lancement, donc une nouvelle cible a été choisie pour la mission, la comète 67P/Churyumova - Gerasimenko.

Plus brièvement, la fenêtre de lancement de lancement est l'intervalle de temps, calculé à partir de calculs de mécanique orbitale, pendant lequel un engin spatial donné peut décoller et atteindre avec succès sa destination finale. Bien sûr, en tenant compte de la trajectoire de vol prévue et de la masse de carburant nécessaire. Par conséquent, la fenêtre initiale nécessite un emplacement favorable des corps célestes, dont la gravité affecte de manière significative le mouvement du véhicule.

Intéressant aussi :

• 10 choses les plus étranges que nous ayons apprises sur les trous noirs en 2021
• Terraformation de Mars : la planète rouge pourrait-elle se transformer en une nouvelle Terre ?

Quatre facteurs qui affectent la fenêtre de lancement du démarrage

Il y a quatre facteurs qui influencent le choix de la fenêtre de lancement pour le lancement de toute mission spatiale, y compris Artemis I. Ils sont si étroitement liés les uns aux autres qu'une divergence dans l'un des facteurs annule instantanément l'effet des autres.

Orbites et inclinaisons

Par exemple, Discovery doit livrer une cargaison importante à l'ISS. Premièrement, les scientifiques doivent considérer deux trajectoires différentes : la trajectoire de la navette elle-même et celle de la Station spatiale internationale. Les scientifiques doivent s'assurer que les deux orbites se rejoindront définitivement, puisque le but de cette mission est de livrer les fournitures nécessaires à la station spatiale. Pour ce faire, ils calculent le plan de l'orbite de la station, une feuille imaginaire qui traverse la Terre et maintient la station spatiale à son bord.

Lorsque la Terre et la station spatiale se déplacent, l'avion conventionnel qui les relie se déplace également. Les scientifiques doivent trouver le moment où le bord de la Terre croise la rampe de lancement du Kennedy Space Center en Floride, à partir de laquelle le vaisseau est censé décoller. Ils ne peuvent manquer plus d'un diplôme. La Terre tourne de 1 degré en cinq minutes, donc le lancement devrait avoir lieu exactement dans ces cinq minutes.

De plus, le lancement doit avoir lieu lorsque la station spatiale se dirige du sud vers le nord. Cela est dû au fait que la navette doit réussir à dépasser la station et en même temps jeter son réservoir de carburant externe de 15 étages au-dessus de l'océan, où elle ne constitue pas une menace pour l'homme. L'océan se trouve au nord-est, donc le lancement de Discovery doit attendre que la station spatiale se déplace vers le nord. Cela laisse la navette spatiale avec une fenêtre de lancement de cinq minutes par jour.

Quant à la mission Artemis I, elle est encore plus intéressante ici. La NASA veut placer Orion sur une orbite très rétrograde autour de la Lune. C'est une orbite très stable avec deux points de Lagrange. Dans le même temps, l'appareil se déplace autour de la Terre dans la direction opposée à la Lune. Jusqu'à présent, cette orbite n'a été utilisée que par un seul appareil - le chinois Chang'e 5. Pour entrer sur cette orbite, il est nécessaire de démarrer les moteurs qui livreront l'appareil sur la Lune au bon moment et au bon moment. Cette manœuvre est appelée TLI (Trans-Lunar Injection), et la précision de son exécution est extrêmement importante. C'est un élément à prendre en compte lors du calcul de la fenêtre de lancement.

Lisez aussi:

• Observer la planète rouge : une histoire des illusions martiennes
• La téléportation d'un point de vue scientifique et son avenir

"Précession" déplace la fenêtre

Aussi, il ne faut pas oublier le phénomène de précession. Vous voyez la précession chaque fois que l'enfant commence à tourner le haut du gabarit. D'abord, son axe de rotation fait un cercle dans l'air dans le sens opposé à la rotation, inclinant la toupie d'abord dans un sens, puis dans l'autre.

La Terre exécute une version au ralenti de cette danse en orbite autour du Soleil, et les satellites artificiels font de même en orbite autour de la Terre.

Il existe une formule qui permet aux scientifiques de la NASA de calculer le degré d'oscillation du satellite. Ajoutez le nombre de révolutions que le satellite fait par jour, la taille et l'excentricité de l'orbite, et l'inclinaison, et vous avez les oscillations. Pour la Station spatiale internationale, ces chiffres donnent une valeur de près de 5 degrés par jour, ce qui équivaut à environ 20 minutes de rotation quotidienne de la Terre.

Cela s'applique également à la lune et aux autres planètes du système solaire. Ces fluctuations nécessitent un calcul précis, sinon tout réglage nécessite une consommation excessive de carburant et une perte de la trajectoire souhaitée.

Conditions météorologiques au lancement

Nous avons entendu de temps à autre que le lancement de la fusée avait été annulé en raison de conditions météorologiques défavorables. Oui, la nature n'a pas à nous attendre, il y a toujours des phénomènes météorologiques à la surface de la Terre, comme des tempêtes, des orages, des tempêtes de sable, des tempêtes de neige, etc.

Les météorologues des agences spatiales jonglent comme des professionnels pour suivre la couverture nuageuse, la direction et la vitesse du vent, ainsi que les tempêtes et autres événements indésirables à six endroits différents sur 13 jours. Ils n'approuvent le décollage que si la fusée n'est pas potentiellement prise dans une tempête ou une tempête de sable, par exemple.

Conditions d'éclairage

La fenêtre de lancement devrait permettre un bon éclairage pour toutes les caméras afin que l'équipe de contrôle de vol puisse voir à quel point tous les systèmes et paramètres du navire fonctionnent, contribuant ainsi à assurer la sécurité de l'équipage de la mission spatiale.

Par exemple, selon les règles de la NASA, Orion ne peut pas être dans l'ombre pendant plus de 90 minutes à la fois. Parce qu'il a besoin de soleil pour les panneaux et pour maintenir la température optimale de l'appareil.

De plus, il existe d'autres facteurs liés au processus d'atterrissage, au cours duquel Orion doit pénétrer dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre, puis les quitter un instant, et à nouveau, déjà enfin, plonger dans l'atmosphère. Cependant, pour cela, l'appareil doit atteindre la trajectoire appropriée par rapport à la Terre dans le temps. Le dernier aspect à considérer est l'heure d'atterrissage. Orion doit atterrir dans l'océan pendant la journée pour permettre aux équipes d'attente de trouver et de récupérer plus facilement la capsule.

Intéressant aussi :

• Pourquoi les étoiles scintillent-elles ?
• Pourquoi les engins spatiaux sont équipés de processeurs du 20ème siècle

Le lancement n'a pas lieu à partir d'une rampe de lancement fixe. La cible est également en mouvement constant

Parlons plus en détail de certains des détails à prendre en compte pour le lancement de la mission Artemis I, qui pourrait être lancée dès ce soir.

La lune est proche de la Terre et il ne devrait probablement pas y avoir de gros problèmes ici. Eh bien, malheureusement, il y a, entre autres, le mouvement de notre planète et de la Lune. Non seulement notre satellite tourne sur son axe à une vitesse d'environ 0,5 km/s à l'équateur, mais il tourne également autour du Soleil sur une orbite presque circulaire à une vitesse de 30 km/s. Il convient également de tenir compte du fait que la vitesse du mouvement de la Terre s'ajoute à la vitesse de démarrage du véhicule.

De plus, la position du Soleil et de la Lune par rapport à l'orbite terrestre change constamment, cela doit également être pris en compte. Ainsi, avec la même consommation d'énergie/carburant, un lancement de la Terre vers la Lune peut conduire à un résultat différent selon le moment de ce lancement.

En théorie, nous pouvons construire un tel vaisseau spatial qui sera suffisamment puissant pour voler chaque jour vers la lune. Et peut-être que ce sera comme ça à l'avenir. Cependant, pour l'instant, le succès de la mission Artemis I nécessite une sélection rigoureuse de l'heure de lancement depuis la Terre, ce qui permettra à Orion de se déplacer vers la Lune puis d'entrer dans l'orbite prévue autour de notre satellite. Même si le lancement est dans les temps, un retard de plusieurs jours peut entraîner des changements importants dans la durée de la mission.

Actuellement, selon l'heure de lancement, la mission Artemis I peut durer entre 26 à 28 jours ou 38 à 42 jours. Nous prévoyons que cette mission sera plus longue car Orion effectue 1,5 révolution autour de la Lune sur son orbite rétrograde lointaine. Si l'option la plus courte est envisagée, et que la sortie vers l'orbite lunaire aura lieu à un moment différent, Orion ne fera qu'1 révolution autour de la Lune avant d'amorcer son retour sur Terre.

Lisez aussi: Télescope spatial James Webb : 10 cibles à observer

Les futures dates de lancement d'Artemis I sont possibles

La fenêtre de lancement actuelle de la fusée SLS et de sa charge utile, qui répond aux critères de la mission, sera du 2 au 6 septembre. On sait déjà que la NASA a choisi la date la plus proche pour le lancement de la mission Artemis I - le 3 septembre 2022 entre 21h17 et 23h17, heure de Kyiv. Chaque jour suivant a également une certaine heure à laquelle le départ est possible. Si vous ne parvenez pas à décoller dans ce délai, les fenêtres de lancement suivantes apparaîtront :

• du 20 septembre au 28 septembre
• du 30 septembre au 4 octobre
• du 17 au 23 octobre
• 27 octobre
• du 29 au 31 octobre
• etc…

Nous ne pouvons qu'attendre et espérer que le lancement réussi de la mission historique Artemis I aura lieu bientôt.

Lisez aussi:

• 100 ans de physique quantique : des théories des années 1920 aux ordinateurs
• 5 futures missions spatiales auxquelles penser

Cependant, n'oubliez pas qu'il y a une guerre en cours en Ukraine. Si vous voulez aider l'Ukraine à combattre les occupants russes, la meilleure façon de le faire est de faire un don aux Forces armées ukrainiennes par le biais de Sauver la vie ou via la page officielle NBU.