Mise en orbite (3/3)
Avertissement : Vous l’aviez compris, ceci
n’est qu’un roman, une fiction, une « pure construction intellectuelle », du
pur jus de neurone garanti 100 % bio, sortie tout droit de l’imaginaire de son
auteur.
Toute ressemblance avec des personnages,
des lieux, des actions, des situations ayant existé ou existant par ailleurs
dans la voie lactée (et autres galaxies), y compris sur la planète Terre, y est
donc purement, totalement et parfaitement fortuite !
Car même avec l’angle de rentrée le plus faible, même avec d’éventuels
rebonds sur les couches les plus denses, la rentrée dans l’atmosphère reste un
phénomène d’emballement. « Ce serait un peu comme penser que, si un
bûcheron donnait un dernier coup de hache parfaitement dosé la chute de l’arbre
en serait mois rapide et dévastatrice pour ceux qui l’entoure. En réalité, pas
plus que le bûcheron, l’astronaute ne peut éviter un certain emballement du
phénomène. Plus l’arbre s’incline plus il est déséquilibré, et plus il est
déséquilibré plus la gravité le fait chuter rapidement !
De même quand le satellite touche les premières couches de l’atmosphère,
même très ténue, elle le freine. Le freinant elle l’éloigne de la vitesse de
satellisation qui lui permettait de « tenir » en orbite.
Donc il chute et le phénomène s’emballe : chutant, il trouve
des couches plus denses qui le freine encore plus. Donc il chute plus vite et
ainsi de suite jusqu’à la terre. »
Pour être plus précis, le calcul veut que freinage initial fait à l’opposé
de la terre par rapport au point d’impact amène le vaisseau de 0 G à 0,04 G c’est-à-dire
que, comme l’accélération centrifuge est proportionnelle au carré de la
vitesse, cela représente un delta de vitesse de 2 % de la vitesse orbitale,
soit 160 m/s.
Or, une telle vitesse nécessite tout de même de brûler une quantité de
carburant égale à environ à 8 % de la masse du vaisseau.
L’idéal serait probablement un freinage plus puissant, donc très
consommateur, avant l’arrivée dans les couches de l’atmosphère. Mais pour l’instant
on ne sait pas faire et ça pourrait être trop violent pour les délicats organes
de l’équipage. Avec le ravitaillement en orbite, ça reste toutefois une
manœuvre à tenter, notamment en cas de retour en urgence.
Ce qui n’est pas entièrement irréaliste.
Et Paul de préciser qu’une mise en orbite n’est pas simplement une montée
verticale. C’est une combinaison de montée et d’accélération horizontale pour
atteindre la vitesse orbitale.
« Dans la phase ascensionnelle, notre démonstrateur gagne en
altitude comme d’un avion, mais gagne en vitesse au fil de la réduction de la
densité de l’atmosphère en grimpant en altitude. À raison de 2.000 pieds
minute, ce qui est une belle allure, il atteint l’altitude d’un jet commercial
en un quart d’heure et celle du Concorde en 25 minutes mais déjà à Mach 2.
Et puis les choses s’accélèrent, parce que l’air n’est pas
assez dense pour le faire voler et qu’il faut aller encore plus vite pour
compenser, la portance des ailes étant égale au carré de la vitesse, facteur de
la moitié de la densité de l’air rapportés à la surface de l’aile multipliée
par son coefficient de portance.
Là, on lance les moteurs-fusées et on grimpera plus
rapidement, pratiquement à la verticale. »
Au-delà de 30 à 40 km d’altitude, l’engin va commencer s’incliner
progressivement, le « pitch-over », pour que sa trajectoire devienne de
nouveau de plus en plus horizontale. C’est crucial pour commencer à accumuler
de la vitesse horizontale.
L’angle d’inclinaison est soigneusement calculé pour optimiser l’efficacité
du carburant et minimiser les contraintes structurelles. Et ce jusqu’à 100-150
km d’altitude.
Vue que l’accélération continue et progresse puisque la poussée des
moteurs reste constante mais s’applique sur un véhicule qui s’allège au fil des
consommations de carburant, la composante horizontale de la vitesse devient de
plus en plus dominante.
À ce stade, le Nivelle sera en grande partie en dehors des couches denses
de l’atmosphère. Avec une traînée minimale.
La majorité de la poussée est utilisée pour accélérer horizontalement afin
d’atteindre la vitesse orbitale. Et ce jusqu’à l’altitude typique de 150 km puis,
au-delà, à l’altitude cible, 300 km.
Une fois que l’altitude de 300 km est atteinte ou que l’apogée de l’orbite
elliptique initiale est proche de 300 km, des manœuvres de mise à feu finales
sont effectuées pour « circulariser » l’orbite ou pour ajuster
précisément l’inclinaison et l’altitude.
C’est à ce moment que la vitesse horizontale requise pour une orbite
stable est atteinte.
« Pour le premier vol, c’est un peu plus compliqué puisqu’il
s’agit de rattraper le bidon de SpaceX et ensuite de se caler sur sa
trajectoire pour effectuer ses manœuvres de stabilisations avant de pouvoir s’y
arrimer et « refaire les niveaux » en orbite. »
La vitesse est alors de 7,72 km/s soit 27.792 km/h ou Mach 28.
« Cette vitesse tangentielle est nécessaire pour rester en orbite
sans retomber sur Terre ni s’échapper de son attraction. Elle compense
exactement la pesanteur à cette distance de la surface de la terre, en vous
rappelant que la pesanteur n’est pas la même au sol qu’en altitude et que le
temps, donc la vitesse, ne s’écoule pas de façon identique à cette altitude
qu’au niveau de la mer : les effets de la relativité générale… toutefois
assez insensible à ce moment-là. »
En fait il se sera passé un peu plus d’un quart d’heure depuis le passage
du mur du son autour des 30.000 pieds et les membres d’équipage et leur machine
subissent des accélérations importantes. Au décollage, elles peuvent être de l’ordre
de 1,2 à un maximum de 2 G au moment des « rotations ». De quoi faire
descendre l’estomac dans les talons, et vider d’une partie de son sang le
cerveau. « Lors de la phase de poussée maximale, par exemple, à la fin
de la combustion, l’accélération peut atteindre 3 à 4 G quelques minutes, voire
plus sur certains lanceurs, mais nous nous réduisons la puissance des moteurs
pour rester « confortable ». » Et puis là, le sang passe de
devant vers le dos… c’est moins embêtant.
En résumé, la mise en orbite est un processus complexe qui exige un
équilibre précis entre la vitesse verticale, pour s’échapper de l’atmosphère à
moindre coût énergétique en s’appuyant sur les ailes à basse altitude et la
vitesse horizontale pour atteindre l’orbite.
La vitesse finale à 300 km d’altitude doit être très élevée et les
réservoirs sont presque totalement vidés !
« C’est pourquoi il faut reprendre du carburant pour la
désorbitation. C’est le processus inverse et tout aussi complexe que la mise en
orbite. Là, il s’agit de réduire la vitesse horizontale de l’objet spatial pour
que l’attraction terrestre le ramène dans l’atmosphère, où il effectuera une
rentrée contrôlée.
À partir de 300 km d’altitude, où la vitesse est d’environ
7,72 km/s, l’engin allume ses moteurs, non pas pour accélérer, mais pour
ralentir sa vitesse horizontale. Une impulsion de poussée est appliquée dans le
sens inverse du mouvement orbital : c’est une rétro-poussée ».
Cette réduction de vitesse abaisse le périgée de l’orbite, le point le
plus bas de l’orbite, jusqu’à ce qu’il se situe à l’intérieur de l’atmosphère
terrestre, généralement bien en dessous de 100 km d’altitude, souvent autour de
80-90 km, prévu dans le plan de vol du Nivelle.
L’orbite devient alors une ellipse très allongée dont le point le plus bas
intercepte l’atmosphère.
Le changement de vitesse est typiquement de l’ordre de 100 à 200 m/s pour
une désorbitation depuis une orbite basse. Cette valeur est bien inférieure aux
7,7 km/s nécessaires pour atteindre l’orbite, car il ne s’agit pas d’annuler la
vitesse orbitale, mais de la réduire juste assez pour que l’atmosphère puisse
faire le reste du travail.
La poussée dure généralement quelques minutes, selon la puissance des
moteurs.
La vitesse horizontale est légèrement réduite, mais l’engin est toujours à
une vitesse très élevée, par exemple, 7,6 km/s au lieu de 7,7 km/s. Mais cette différence
est suffisante pour modifier la trajectoire.
L’engin va alors progressivement descendre le long de sa nouvelle
trajectoire elliptique. Au fur et à mesure qu’il perd de l’altitude, la densité
atmosphérique augmente.
La « limite » de l’espace est souvent fixée à 100 km : c’est
la ligne dite de « Kármán ». Mais c’est en dessous de cette altitude
que les effets aérodynamiques deviennent significatifs.
La vitesse à l’entrée atmosphérique, donc vers 100-120 km, est toujours
très élevée, de l’ordre de 7 à 7,5 km/s.
À cette allure, la compression et la friction de l’air génèrent une
chaleur intense sur la surface de l’engin, formant un plasma lumineux autour de
lui. C’est pourquoi les rentrées atmosphériques sont toujours spectaculaires à
observer.
Ensuite la majeure partie de la vitesse est dissipée par la traînée
aérodynamique. L’engin agit comme un frein géant à partir de l’altitude de 80-90
km et jusqu’à quelques dizaines de kilomètres où il redevient un avion
pilotable.
C’est là que la décélération, la charge en G, est la plus fortement
ressentie. L’équipage et la structure de l’engin subissent des décélérations
très importantes, pouvant atteindre 4 à 8 G, voire plus pour des rentrées non
contrôlées ou des angles d’entrée plus raides. C’est la phase de forte
contrainte thermique et mécanique, à moins que le Nivelle « n’arrondisse »
sa trajectoire en ralentissant plus fortement et plus longuement dans les
premières minutes de la désorbitation, pour allonger sa trajectoire et finir en
chute libre entre 250 et 150 km, avant d’être ralenti, moins rudement, dans les
dernières dizaines de kilomètres d’altitude.
« C’est ce que nous essayerons à l’occasion des différents tirs,
pour déterminer la trajectoire la plus confortable pour les passagers… »
promet Paul à son auditoire dès le lendemain de cette réunion improvisée.
Naturellement, les boucliers thermiques en céramiques et le « Gel
Birgit » feront leurs offices pour protéger l’intérieur de l’engin. Car la
température de surface peut atteindre plusieurs milliers de degrés Celsius.
C’est pendant le pic d’échauffement, souvent appelé « blackout » de
communication, que le plasma chaud autour de l’engin peut bloquer les ondes
radio pendant plusieurs minutes. Et une fois la vitesse suffisamment réduite, généralement
en dessous de la vitesse du son, vers 1-2 km d’altitude, le Nivelle peut se
piloter comme un avion, et faire son approche classique, en réduisant sa
vitesse de descente à quelques dizaines de mètres par seconde pour un amerrissage
en douceur.
L’avantage du Nivelle, puisqu’il flotte et a le design d’un catamaran,
c’est justement qu’il peut amerrir sur n’importe quelle « flaque
d’eau » (pour reprendre une expression ancienne accolée à
« Charlotte » du temps où il faisait aussi des extractions en milieu
hostile) et être remorqué ou ravitaillé pour rentrer à domicile, comme il avait
été fait par le sous-marin volé (puis racheté) aux mercenaires russes[1]
il y a quelques années de ça, pour empêcher les bombardement de Vladivostok
avec une munition thermobarique[2]
lâchée depuis un ballon stratosphérique.
De la manœuvre de désorbitation à l’entrée atmosphérique la durée de la
manœuvre est variable, de dizaines de minutes à quelques heures, selon la
précision de la manœuvre et la trajectoire suivie.
De l’entrée atmosphérique 100 km à l’atterrissage, il peut de passer entre
15 et 30 minutes ou plusieurs heures si l’appareil allonge sa trajectoire en
vol aérobique. Quant à la phase de freinage intense, si tel est le cas, elle ne
dure que quelques minutes, mais peut être violente.
Cela dit, un angle trop peu profond, trop horizontal, peut faire « rebondir »
l’engin sur l’atmosphère comme un ricochet par phénomène d’aéro-freinage ou « skip
entry », ou prolonger la rentrée et l’exposition thermique.
Un angle trop raide, trop vertical, en revanche entraînerait des
décélérations insupportables et un échauffement excessif, pouvant détruire l’engin
malgré ses protections thermiques, dynamiques et passives.
L’angle optimal est très précis et est calculé en fonction du type d’engin
et de la charge G maximale supportable.
Du coup, pour les rentrées contrôlées des vaisseaux habités, ou des cargos
réutilisables, d’une façon générale, la zone de retombée est calculée avec une
grande précision et se situe généralement dans des zones désertes, océans pour
les capsules, déserts ou pistes pour les navettes alors que le Nivelle
cherchera des étendues d’eau à proximité d’un port ou carrément une piste
d’aviation civile.
On notera que pour les débris spatiaux non contrôlés, la zone de retombée
est beaucoup plus incertaine. C’est pourquoi on préfère les désorbiter de
manière contrôlée vers des « cimetières spatiaux » de type
« point Nemo », la zone déserte de l’océan Pacifique Sud, devenue un
cimetière de satellite pour être le point du globe le plus éloigné d’une côte
habitée.
« En résumé, la désorbitation est une manœuvre délicate qui vise à
transformer l’énergie cinétique de l’orbite en chaleur et en décélération via
le frottement atmosphérique. Elle est caractérisée par une poussée rétrograde
suivie d’une rentrée atmosphérique rapide et intense, nécessitant une
protection thermique robuste et un contrôle précis de la trajectoire.
Mais on peut aussi faire durer le plaisir en décélérant plus
longuement.
Tout est question de calculs. »
Ainsi, le Nivelle met globalement un quart d’heure pour se satelliser à
300 km d’altitude et aura parcouru plus de 3.000 km vers l’Est, alors qu’il va
mettre, dans la procédure d’urgence – une rentrée rapide – environ 30
minutes pour parvenir à l’altitude de 8.000 mètres et Mach 1, depuis son orbite
originelle de 300 km, en ayant parcouru 4.000 km le long de l’équateur…
« On peut théoriquement faire une trajectoire jusqu’à 15.000 km,
si on prend son temps… » indiquera Paul à ses visiteuses…
Comme il a été précisé, l’engin suit en effet une trajectoire elliptique
en « tombant » vers la Terre. La distance parcourue ici est très
importante car l’engin parcourt une partie de son orbite avant de toucher l’atmosphère
dense. Et il faut parfois, sur certaine trajectoire, 30 à 60 minutes voire 45/75
minutes pour atteindre le sol.
C’est la phase de décélération majeure. La distance horizontale peut être
très longue pour les véhicules avec de la portance qui « planent »
dans l’atmosphère pour contrôler leur descente et atteindre leur cible.
De la manœuvre de désorbitation à l’atterrissage, cela peut prendre entre
1 heure et 1 heure et demie. La phase la plus « active », le freinage
atmosphérique intense, ne dure que 15 à 30 minutes.
Du coup, la distance horizontale totale parcourue peut donc être très
variable, mais généralement se compte entre plusieurs milliers de kilomètres, souvent
entre 5.000 km et 15.000 km, voire plus pour les rentrées à longue portée,
depuis le point de manœuvre jusqu’à l’atterrissage.
Pour mémoire (n’en
déplaise à « Poux-tine ») : « LE PRÉSENT BILLET A ENCORE ÉTÉ RÉDIGÉ PAR UNE
PERSONNE « NON RUSSE » ET MIS EN LIGNE PAR UN MÉDIA DE MASSE « NON RUSSE »,
REMPLISSANT DONC LES FONCTIONS D’UN AGENT « NON RUSSE » !
Post-scriptum : Alexeï
Navalny est mort en détention pour ses opinions politiques. Les Russes se
condamnent à perpétuité à en supporter toute la honte !
Постскриптум: Алексей
Навальный умер в заключении за свои политические взгляды. Россияне обрекают
себя на всю жизнь нести весь позор!
[1] Cf.
l’épisode « Dans
le sillage de Charlotte », dans la série « les enquêtes de
Charlotte », aux
éditions I3.
[2] Cf.
l’épisode « Menaces
de chaos », dans la série « les enquêtes de Charlotte », aux
éditions I3.
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