Assistance gravitationnelle

L'assistance gravitationnelle, dans le domaine de l'astronautique, est l'utilisation de l'effet du champ gravitationnel d'un corps céleste sur le vecteur vitesse d'un engin spatial, quand la trajectoire a été prévue pour en tirer profit. Le terme correspondant en anglais est gravity assistance. On utilise néanmoins plus fréquemment le terme anglais swing-by (difficilement traduisible en français, swing désignant le fait de virevolter ou de se balancer et by signifiant, dans ce contexte, "autour").

Explication

Tout d'abord, l'engin spatial s'approche de la planète et finit par rentrer dans sa zone d'influence (il entre dans sa sphère de Hill). Le champ gravitationnel attire de plus en plus l'engin spatial qui voit sa vitesse augmenter : il «tombe» vers la planète et par conséquent accélère. La trajectoire de l'engin a été établie de façon à éviter une collision avec la planète choisie. Il dépasse par conséquent la planète sain et sauf et sort progressivement du champ gravitationnel de celle-ci, en perdant progressivement de la vitesse. À la fin du survol (quand il sort de la sphère de Hill), l'engin spatial a perdu tout autant de vitesse au cours de la phase de sortie qu'il en a gagné au cours de la phase d'entrée. Vous vous demandez probablement l'intérêt d'une telle manœuvre qui n'a apparemment servi à rien. Néenmoins sa vitesse a énormément changé, en grandeur et en direction.

Du point de vue de la planète, l'engin suit une trajectoire hyperbolique, tracée de son point d'entrée dans la sphère de Hill de la planète jusqu'à sa sortie. À ces points, la vitesse de l'engin est la même, mais son orientation est différente. Du point de vue du Soleil, l'orientation et la magnitude de la vitesse de l'engin ont changé. Ceci permet soit d'envoyer l'engin plus loin du Soleil (il emprunte alors de l'énergie et du moment angulaire à la planète), ou au contraire de diminuer son orbite (l'engin donne énergie et moment angulaire à la planète). C'est exactement par ce mécanisme que les planètes peuvent capturer des comètes ou éjecter des astéroïdes du dispositif solaire.

Exemple

Prenons comme exemple Voyager 2, qui a fait le tour des planètes géantes. Le vaisseau spatial a été lancé sur une orbite standard de transfert de Hohmann vers Jupiter. Si Jupiter n'avait pas été là au moment de l'arrivée du vaisseau spatial, ce dernier aurait continué sur son orbite et serait revenu vers la Terre.

Cependant, l'arrivée de la sonde spatiale a été soigneusement calculée de sorte qu'elle passe derrière Jupiter dans son orbite autour du Soleil. Lorsque la sonde est arrivée, elle est "tombée" vers Jupiter, sous l'influence de son champ de gravité. L'orbite était néanmoins faite pour que la sonde passe près de Jupiter mais ne s'écrase pas dessus. Après s'être approché particulièrement près de Jupiter la sonde s'est alors éloignée de la planète. Pendant cette phase d'éloignement, elle a ralenti comparé à Jupiter. En effet elle "s'élevait" comparé à Jupiter, et par conséquent ralentissait comme elle avait accéléré lorsqu'elle était tombée vers lui. Dans le cas des trajectoires dans l'espace, il y a conservation de l'énergie : la sonde a par conséquent quitté Jupiter (on entend par là quitter la zone d'influence gravitationnelle de Jupiter) avec la même énergie que lorsqu'elle y était arrivée. Pour le moment on ne comprend pas bien ce qu'on a gagné, car il n'y a pas eu de changement d'énergie pour la sonde.

Cependant, dans le référentiel héliocentrique, l'énergie de la sonde a bien changé ! En effet son vecteur vitesse a tourné dans le référentiel de Jupiter, grâce la gravitation. Et le fait qu'il ait tourné, fait qu'à la sortie de la sphère d'influence de Jupiter, la somme entre le vecteur vitesse de la sonde dans le référentiel de Jupiter et le vecteur vitesse de Jupiter autour du soleil (somme qui est par conséquent le vecteur vitesse de la sonde autour du soleil) est plus importante qu'avant car l'angle entre les deux vecteurs est plus faible.

Remarquons aussi que la force de gravité est réciproque : si la sonde a bien été accélérée par Jupiter, alors Jupiter a aussi été ralentie par la sonde. Néanmoins, ce ralentissement de Jupiter est particulièrement infime puisque dépendant du rapport entre la masse de la sonde (moins d'une tonne, soit 1×10³ kg) et la masse de Jupiter (environ 2×10²⁷ kg). On pourrait envoyer des milliers et des milliers de sondes de cette façon que Jupiter ne serait nullement perturbée dans sa course autour du Soleil...

Cette technique a été répétée ensuite à l'approche de Saturne et Uranus.

Référence

Arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales.

Voir aussi

• Appui gravitationnel
• Liste des articles relatifs à l'astronautique

Liens externes

• Transferts d'orbite et assistance gravitationnelle
• Simulation paramétrable de l'assistance gravitationnelle (animation Flash)

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