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Comment envoyer un satellite dans l’espace ?

Dans le domaine spatial, le terme fusée est souvent remplacé par lanceur. Son rôle est de transporter des charges utiles au-delà de l’atmosphère et de donner une vitesse suffisante pour le mettre en orbite autour de la Terre les satellites.

Dans l’espace, il n’existe pas de points d’appui extérieurs. Un moteur-fusée est capable de créer sa propre force motrice aussi bien dans l’atmosphère que dans le vide spatial. Son fonctionnement repose sur un phénomène naturel, celui de l’égalité de l’action et de la réaction, découvert par Isaac Newton.

Le rôle du moteur-fusée est de produire d’abondantes quantités de gaz qui sont éjectées, à très grande vitesse, dans une direction donnée. Par réaction, le véhicule dont il est solidaire se trouve propulsé dans la direction  opposée. Ces gaz sont obtenus en faisant réagir, l’une sur l’autre, deux substances appelées ergols : l’une est le combustible  (qui brûle ), l’autre le comburant  (qui fournit l’énergie nécessaire à la combustion ). Ces ergols sont contenus dans de volumineux réservoirs.

Lorsqu’un satellite est lâché dans l’espace par une fusée telle qu’Ariane, il est soumis à deux forces principales :
L’une est l’attraction terrestre qui attire tous les corps vers le centre du globe.
L’autre est la force centrifuge qui éloigne le satellite du sol, un peu comme si vous étiez « éjectés » d’un manège tournant à grande vitesse.

Si la force d’attraction terrestre est supérieure à la force centrifuge, le satellite retombe inévitablement. Mais lorsque ces deux forces sont égales, on dit qu’il y a satellisationAinsi plus l’orbite est basse, plus l’attraction est grande et plus la vitesse doit être importante. Cette vitesse de satellisation doit être comprise entre 7.8 km/s et 11 km/s : en deçà de 7.8 km/s, l’engin retombe sur terre et au-delà de 11 km/s il quitte le voisinage de la terre et devient une sonde spatiale. La masse qu’un lanceur peut placer sur orbite dépend de l’altitude qu’il doit atteindre : plus on vise haut, moins le lanceur peut transporter de charge.  Ariane 5 a ainsi une capacité de 6,9 T en orbite de transfert géostationnaire, de 10 T à 800 km et de 20 T tonnes à 300-400 km.

Ariane 4 (maquette à l’échelle 1/10) :

Depuis 1988, le lanceur Ariane4 était la référence absolue en termes de fiabilité et d’adaptabilité. Les diverses améliorations dont il a fait l’objet tout au long de sa carrière lui ont permis de conserver sa compétitivité. Le dernier lancement d’Ariane 4 a eu lieu le 15 février 2003.

Ariane 4
Ariane 4 est un lanceur à trois étages, doté de propulseurs d’appoints à poudre et à liquide. 
Les propulseurs sont les seuls éléments de la fusée, récupérés par des parachutes dans la mer ainsi que le 1er et le 2ème étage. Tout le reste de la fusée se désagrège dans l’atmosphère. Les moteurs Viking équipent plusieurs éléments d’Ariane 4, notamment, les propulseurs, les 1er et 2ème étages. Le lanceur dispose également d’un dispositif pour lancements multiples nommé SPELDA.

Ariane 4 en chiffres :
– Hauteur : 59 m
– Masse au décollage : 480 t
– Capacité de mise en orbite : 2 à 4,8 T

Ariane 5 (maquette à l’échelle 1/10) :

Ariane 5 le plus puissant lanceur commercial en service au monde. 
Ariane 5 est un lanceur composé de 2 étages (et non 3 étages comme Ariane 4) soit l’étage principal et l’étage supérieur ainsi que de 2 propulseurs ou étage d’accélération (et non plus de propulseurs d’appoints !)

Ariane 5

Ariane 5 dispose aussi d’un système à lancements multiples : la Speltra.

Ariane 5 en chiffres :
– Hauteur : de 47 m à 57 m
– Masse au décollage : 750 à 780 T
– Capacité de mise en orbite : 6.9 à 10 T
– 90% de la masse totale du lanceur au décollage sont représentés par les ergols, 9% par la structure et 1% seulement par les satellites !
– Coût total : environ 7 milliards d’euros
– Systèmes de lancement : Sylda = 2 satellites et Speltra > 2 satellites : lancements multiples

Schéma du lancement d'Ariane 5La société Arianespace ?
12 états participent au financement d’Ariane 5, la France à hauteur de 46,5 %.

Les missions confiées aux lanceurs ne cessent d’évoluer et de se diversifier :
Ariane 5 ME – Ariane 6 : l’ESA a donné son feu vert au démarrage des premières études du programme Ariane 6 (vol prévu pour 2021) et confirmé le développement de la fusée Ariane 5 ME (vol prévu pour 2018). Ariane 5 ME pourra transporter 12 tonnes de charge utile, gagnera 20% en puissance et son étage supérieur sera doté d’un autre réacteur qui permet de propulser l’étage sur une autre orbite pour envoyer deux satellites d’orbites différentes en un même lancement (un satellite en orbite basse + un satellite en orbite géostationnaire). Ariane 6 : lanceur à plusieurs étages, l’abandon du lancement double, abandon de la case à équipement. etc.
– Les besoins pour le transport des petits satellites se développent également. La fusée Vega, a été lancé le 12 février 2012 depuis Kourou. Véga mesure 30 mètres, pèse 136 tonnes au décollage et comprend 4 étages. Il permet de placer en orbite basse une charge utile pouvant aller de 300 kg à 2,3 tonnes et 1,5 tonnes sur une orbite polaire de 700 km.
– Dans le cadre d’accords commerciaux avec Arianespace, le lanceur Soyouz peut être lancé depuis fin 2011 au centre de lancement de Kourou où des installations d’assemblage et de lancement servies par des équipes russes ont été construites. La fusée Soyouz est un lanceur russe dont la conception remonte aux années 1960. Cette fusée d’un peu plus de 310 tonnes et 46 mètres de haut peut placer une charge utile de plus de 7 tonnes en orbite basse. Il est utilisé aujourd’hui, entre autres, pour mettre en orbite les équipages de la Station Spatiale Internationale, lancer les capsules Progress qui ravitaillent la Station Spatiale Internationale et pour mettre sur orbite des satellites commerciaux. 

Le Centre Spatial Guyanais (CSG), installé à Kourou (Guyane Française), présente les meilleures conditions d’implantation géographique, avec une position à 5°3’ au Nord de l’équateur et une large ouverture vers l’Est sur l’océan Atlantique.
La large ouverture sur l’océan permet des lancements aussi bien vers le Nord (pour les satellites polaires) que vers l’Est (pour des satellites en orbite géostationnaire) qui représentent la moitié du marché des satellites civils.

Les sites choisis correspondent à des impératifs technologiques :
– Conditions de sécurité pour les populations voisines. Au cours d’un lancement, il y a une émission de grandes quantités de gaz, chutes successives de certains éléments du lanceur, risque de destruction de l’appareil, etc.
– La situation en latitude : plus la base est proche de l’équateur, plus le lanceur bénéficie de la vitesse de rotation de la Terre.

La fusée Ariane est lancée de Kourou en Guyane Française. (film)
Si la fabrication d’un lanceur est géographiquement dispersée, les opérations finales sont centralisées au sein de la base de lancement. La base de lancement comprend des sites d’assemblage, des centres techniques, des moyens de transfert, d’un pas de tir et des salles de contrôle.
Il faut 3 ans de fabrication pour une fusée Ariane (depuis la matière première jusqu’au lancement). 550 entreprises participent à Ariane 5. Les pièces sont acheminées par bateau à Kourou.
Une campagne de lancement d’Ariane 5 dure d’habitude environ 5 semaines. Au début, les équipes préparent et vérifient la fusée et les satellites. 12 jours avant le lancement, on commence à intégrer les satellites en haut du lanceur. Un jour avant le décollage, la fusée Ariane 5 est conduite sur des rails jusqu’au pas de tir.

Exemple d’une mise à poste : satellite Arabsat 2B  (transmission des programmes TV des pays de la Ligue Arabe) lancé en 1996.

satellite Arabsat 2B

 – 13 novembre/H O : compte à rebours, 3, 2, 1, décollage !
13 novembre/H0+20min et 30  s : altitude 200km : injection du satellite sur son orbite de transfert (GTO).
13 novembre/H0+25min : 1ère  télémesure captée par une station de contrôle en Afrique du Sud. Durant toute la mise à poste (pouvant durer de 3 semaines à 1 mois), différentes stations réparties dans le monde se relaient pour surveiller le satellite. L’ensemble des mesures est retransmis au centre principal à Toulouse.
17 novembre/J+4 : l’orbite de transfert est parcourue plusieurs fois (à 36 000 km) le temps de déterminer sa position précise dans l’espace. Mise à feu du moteur d’apogée (afin d’annuler l’inclinaison du plan orbital pour passer sur le plan équatorial dans lequel se trouve l’orbite géostationnaire)
18 novembre/J+5 : le satellite est amené sur son orbite définitive.
28 novembre/J+15 : Arabsat est opérationnel et peut commencer sa mission !

– Telstar
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