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Grand Oral Physique-Chimie: comment atteindre Mars à l'aide d'une sonde spatiale?

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« Sujet: Orbite de transfert de Hohmann Comment atteindre facilement Mars? Mars, planète froide et désertique, quatrième planète du système solaire, aucune autre planète n’a été cible d’autant de missions spatiales. J’ai décidé de résumer l’histoire de l’exploration de Mars en trois dates clés. Tout commence en juillet 1965 avec le premier survol de Mars par la sonde Mariner 4, cette sonde envoya d’ailleurs les premières images de la surface martienne. Il faut attendre le 14 novembre 1971 pour que mariner 9 arrive pour la première fois à se mettre en orbite autour de Mars enfin en juillet 1997, Pathfinder est le premier véhicule à rouler sur Mars. A l’heure où de nouvelles sondes partent sur Mars, nous pouvons prendre l’exemple de persévérance nous venons nous questionner sur la façon dont ces sondes atteignent la planète rouge et plus particulièrement quelle est la trajectoire optimale utilisées par les sondes pour aller sur Mars. Terre et Mars, chacune de ces deux planètes possèdent une orbite autour du soleil. En astronomie l’orbite désigne la trajectoire fermée suivi par un corps céleste (la Terre ou Mars) autour d’un autre corps céleste( le soleil) de manière périodique. En 1925, l’ingénieur Walter Hohmann publie un livre intitulé « l’accessibilité des corps céleste» dans lequel il établit une trajectoire utilisant le moins d’énergie pour déplacer une sonde entre deux orbites différents. On appelle cela l’orbite de transfert Hohmann. On vient se demander en quoi cette trajectoire serait-elle la plus économe? Tout simplement parce qu’on aurait besoin d’utiliser uniquement deux impulsions de moteurs; une pour déplacer la sonde sur l’orbite de transfert et une seconde pour en sortir. Les quantités de carburants nécessaire pour voyager de cette façon dans le système solaire sont bien moindre que si l’on voulait voyager en ligne droite. La trajectoire que va faire la sonde est une ellipse dont le périhélie (point le plus proche du soleil) est sur l’orbite de la Terre et l’aphélie (point le plus éloigné du soleil) sur celle de Mars. Pour le voyage le moment de départ doit être soigneusement choisis car la Terre et Mars se déplacent autour du soleil à des vitesses différentes. Il est donc nécessaire que le point de départ et destination soit des emplacement particulier sur leur orbite. Il existe des périodes particulièrement propice au lancement nommé «fenêtre de tir». Ces «fenêtre de tir» donc ont lieu tous les 780 jours soit 26 mois. Sur le schéma que je vous ai donné, je vous ai représenté en rouge l’orbite de Mars autour du soleil, en bleu l’orbite de la Terre autour du soleil et en noir l’orbite de transfert Hohmann et on voit bien cette forme d’ellipse. A présent prenons l’exemple de persévérance, au début de son voyage la sonde possède déjà la vitesse orbitale de la Terre autour du soleil soit environ 29,8 km/s. Le but à présent est d’extraire la sonde de l’orbite terrestre. Il faut attendre que la sonde arrive à la périhélie de l’orbite terrestre afin de s’engager sur l’orbite de transfert. Pour s’engager, la sonde aurait besoin d’une impulsion en plus de sa vitesse initiale. Une fois sur l’orbite de transfert Hohmann, le voyage durera 8 mois et demi. Le foyer de cette orbite est le soleil et en raison de la seconde loi de Kepler dite «loi des aires», en s’éloignant de son foyer la vitesse de la sonde diminuera le long de sa trajectoire jusqu’à atteindre la vitesses nécessaire à l’aphélie de Mars. Grâce à cela après avoir parcouru 97 millions de kilomètre sur l’orbite de transfert et après avoir atteint la vitesse nécessaire, la sonde se trouve à présent sur l’orbite martien. On pourrait aller sur Mars plus rapidement en accélérant davantage au départ et freinant davantage à l’arrivée. Ce serait peut-être envisageable pour un équipage humain dans le but de l’exposé le moins longtemps aux conditions spatiales mais pour assurer la survie de l’équipage il faut une augmentation très importante de matériel, ce qui alourdirait le vaisseau. D’où l’idée de transporter par la trajectoire de Hohmann le matériel nécessaire à la vie sur Mars tandis que l’équipage est amené par un vaisseau léger sur une trajectoire plus tendue, plus rapide. On atteint ce but au prix d’une complication très importante de la logistique. Vous l’aurez compris le défi à relever pour que les êtres humains puissent un jour explorer la surface martienne sont encore »

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