Rentrée atmosphérique

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Vue d'artiste de la rentrée atmosphérique du Mars Exploration Rover.

La rentrée atmosphérique (aussi nommé improprement « entrée »), en aérodynamique, est la phase pendant laquelle un corps solide (naturel tel qu'une météorite ou artificiel tel qu'un satellite, une capsule spatiale, un fragment de fusée... ), dit « corps de rentrée », passe du vide spatial et entre très rapidement dans l'atmosphère à partir du vide spatial. Ce phénomène s'accompagnant d'un très fort échauffement dû principalement à la compression adiabatique de l'air devant le corps[1],[2], mais également aux frottements de l'air à des vitesses hypersoniques. Lorsque le « corps de rentrée » est naturel, on l'appelle météore s'il se consume dans l'atmosphère et météorite s'il touche le sol.

La rentrée est une étape délicate mais pourtant essentielle de tout voyage spatial. Elle peut être balistique, si le vaisseau n'est pas piloté mais tombe librement dans l'atmosphère (comme dans le cas des capsules américaines Mercury), ou contrôlée si le vaisseau utilise sa portance d'une manière ou d'une autre pour s'orienter pendant la descente (comme dans le cas de la navette spatiale ou, dans une certaine mesure, des capsules Gemini et Apollo). Dans tous les cas, l'objectif est de réduire la vitesse du vaisseau. Lorsqu'il est en orbite basse autour de la Terre, sa vitesse de rentrée est d'environ 7 500 mètres par seconde (environ 27 000 kilomètres par heure), qu'il doit réduire à moins de 100 mètres par seconde (soit 360 kilomètres par heure) pour la navette spatiale ou avant l'ouverture des parachutes pour une capsule spatiale. Pour y parvenir, l'énergie cinétique est convertie en énergie calorifique. La température extrême de près de 2 000 degrés Celsius sous le vaisseau ne devant pas atteindre les parties vitales de l'engin spatial, son ventre doit être protégé par un bouclier thermique.

Les principes de la rentrée atmosphérique d'un vaisseau spatial[modifier | modifier le code]

Un vaisseau spatial en orbite autour d'une planète (ou d'une lune) ou s'en approchant avance à une vitesse relative importante par rapport à celle-ci : environ 7 km/s (25 000 km/h) si le vaisseau circule sur une orbite basse autour de la Terre, au moins 6 km/s pour une sonde spatiale s'approchant de la planète Mars, 11 km/s pour un vaisseau de retour de la Lune et 56 km/s pour la sonde atmosphérique larguée par Galileo dans l'atmosphère de Jupiter . Pour se poser sur une planète (ou une lune) sans se désintégrer, cette vitesse doit être annulée et l'énergie cinétique correspondante doit être éliminée[N 1]. Lorsque la planète est dotée d'une atmosphère, celle-ci va freiner le vaisseau d'autant plus efficacement que sa densité est importante.

Le rôle de la trainée[modifier | modifier le code]

Forme et écoulement Coefficient
de trainée
Flow plate.svg 0%
Flow foil.svg ~10%
Flow sphere.svg ~90%
Flow plate perpendicular.svg 100%

La traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz. Mathématiquement c'est la composante des efforts exercés sur le vaisseau, dans le sens opposé à son déplacement. Cette force peut se calculer avec la formule

 F_x = \frac12 C_x \rho S V^2.

\rho est la densité de l'atmosphère, V la vitesse du véhicule, S la surface occupée par le véhicule dans l'axe de sa progression et C_x le coefficient de trainée qui dépend de la forme du vaisseau.

Aux vitesses hypersoniques atteintes par le vaisseau, la trainée est composée d'une trainée d'onde de choc due à la formation d'un matelas d'air ralenti entre la surface du véhicule et l'espace extérieur et d'une traînée de frottement qui provient du frottement de l'air sur les parois du vaisseau. Ces deux phénomènes entrainent une dissipation de l'énergie mécanique du vaisseau en chaleur. La majorité de l'énergie cinétique du véhicule spatial est ainsi transformée en chaleur jusqu'à ce que la vitesse du vaisseau ait suffisamment chuté. La quantité de chaleur dégagée engendre des températures de plusieurs milliers de degrés capable de désintégrer le véhicule ou de le rendre invivable pour ses occupants. Il faut donc que celui-ci soit conçu de manière à faire face à une grande quantité de chaleur[3].

Finesse aérodynamique[modifier | modifier le code]

Trajectoire de rentrée[modifier | modifier le code]

Déport et précision d'atterrissage[modifier | modifier le code]

On demande généralement au vaisseau spatial d'effectuer un atterrissage relativement précis ce qui impose de pouvoir modifier en partie la trajectoire durant la phase de fort ralentissement

Les différentes phases d'une rentrée astronautique[modifier | modifier le code]

Désorbitation[modifier | modifier le code]

Cette phase s'effectue généralement en orbite stable autour de l'astre. Lors de missions interplanétaires, cette orbite stable n'est pas nécessaire (comme pour MSL par exemple). La manœuvre est particulièrement délicate, car elle doit amener le vaisseau à rentrer dans l'atmosphère selon un angle précis, afin d'éviter la désintégration ou le rebond dans l'espace.

Phase hypersonique[modifier | modifier le code]

Phase d'approche et d'atterrissage[modifier | modifier le code]

Quelques exemples de rentrée atmosphérique[modifier | modifier le code]

Terre[modifier | modifier le code]

Mars[modifier | modifier le code]

La rentrée dans l'atmosphère est particulièrement complexe et délicate. Les sondes arrivent à proximité de Mars avec une vitesse relative supérieure à 5,5 km/s (près de 20 000 km/h). Mais la densité très faible de l'atmosphère martienne, environ cent fois inférieure à celle de la Terre, réduit fortement l'efficacité du freinage atmosphérique : le ralentissement ne devient efficace qu'à une altitude relativement basse ce qui jusqu'à présent interdit l'accès aux régions de Mars situées en altitude et impose de déployer le parachute alors que la vitesse de la sonde est encore hypersonique.

Jupiter[modifier | modifier le code]

Titan[modifier | modifier le code]

À ce jour, seule la sonde européenne Huygens s'est posée sur Titan, le 14 janvier 2005. Peu d'énergie thermique due à la friction furent générées, ainsi le bouclier thermique fut largué très haut (160 km), et l'atterrisseur utilisa un parachute pour finir la descente.

Rentrée atmosphérique d'un corps céleste[modifier | modifier le code]

Liste des puissances maîtrisant la rentrée atmosphérique[modifier | modifier le code]

Échecs notables[modifier | modifier le code]

  • 1er février 2003 : Accident de la navette Columbia dû à la perforation du bouclier thermique au décollage (seule mission à perdre un équipage en phase de rentrée)

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Lorsque la planète ou la lune est dépourvue d'atmosphère est d'utiliser les moteurs pour freiner le vaisseau mais celui-ci doit consommer énormément de carburant pour y parvenir : les deux tiers de la masse de la sonde lunaire Surveyor sont utilisés pour annuler un peu moins de 3 km/s afin d'effectuer un atterrissage en douceur sur le sol de la Lune. Cette technique n'est pas envisageable pour un vaisseau devant se poser sur Terre ou sur Mars car il devrait emporter une masse d'ergols excessive.

Références[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Document utilisé pour la rédaction de l’article : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

  • Philippe Couillard, Lanceurs et satellites, Cépaduès,‎ 2005 (ISBN 2-8542-8662-6)
    Fonctionnement des lanceurs et des vaisseaux spatiaux
  • (en) Andrew J. Ball, James R.C. Garry, Ralph D. Lorenz et Viktor V. Kerzhanovichl, Planetary Landers and entry Probes, Cambridge University Press,‎ 2007 (ISBN 978-0-521-12958-9)
    Les différents types d'atterrisseurs et leurs caractéristiques
  • (en) Michael D Griffin et James R French, Space Vehicle Design 2ème édition, AIAA Education series,‎ 2001 (ISBN 978-1-56347-539-1[à vérifier : ISBN invalide])
  • (en) Roger D. Launius et Dennis R. Jenkins, Coming Home: Reentry and Recovery from Space (NASA SP-2011-593, NASA,‎ 2001 (ISBN 978-0-16-091064-7, lire en ligne)
    Historique des méthodes étudiées et développées pour faire atterrir un engin spatial sur Terre (centré autour des réalisations américaines)
  • (en) R. Braun et R Manning, Mars Exploration Entry, Descent and Landing Challenges,‎ 2009 (lire en ligne)
    Description technique du problème soulevé par l'atterrissage sur Mars (EDL) et des solutions par 2 spécialistes

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]