Ces courts textes vous expliqueront en détail de quelle façon les sondes "Viking", "Voyager" et plusieurs autres sondes similaires fonctionnent et comment elles se dirigent dans cet espace en trois dimensions où les points de références semblent toujours se déplacer.
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1.1 La mise en orbite d'une sonde
Il serait trop facile d'envoyer une sonde sur mars en la pointant vers sa direction et faire la mise à feu. Il faut mettre avant tout la sonde en orbite. Puisque la force de gravitation de la terre attire vers elle tous les objets, un lancement à angle ferait vite tomber la sonde au sol. C'est pour cette principale raison que l'on effectue les lancements à la verticale. Pour lancer la sonde à angle, il faudrait une accélération impossible à produire ou à y résister physiquement. Lorsque qu'une fusée portant une sonde s'élève dans le ciel, elle doit atteindre une vitesse telle que si la fusée est redressée pour se diriger tangentiellement à la surface de la terre, elle pourra maintenir son altitude constante. Cette vitesse est la vitesse de mise en orbite. À cette vitesse la force centripète est égale à la force de gravitation. De façon général, on ne met pas d'objet en orbite à moins de 150 Kilomètres d'altitude puisque l'on désire éviter le frottement avec l'atmosphère qui ralentie la sonde et surtout qui exige de maintenir les moteurs propulseurs en fonction. La sonde doit alors atteindre environ une vitesse voisine de 30,000 Kilomètre par heure pour atteindre son orbite hors de l'atmosphère. Une fois en orbite, les moteurs ne sont plus utiles sauf pour des ajustements occasionnels mineurs. Puisque la terre tourne sur elle-même, un site de lancement situé sur l'équateur peut en tirer grandement profit. La surface de la terre à cet endroit se déplace très rapidement; 44000 kilomètres en 24 heures, se qui correspond à 1600 Kilomètres à l'heure. On peut donc exiger moins d'énergie des moteurs à condition de faire la mise en orbite vers l'est puisque la terre tourne de l'ouest à l'est. Les satellites géostationnaires voyagent à la même vitesse angulaire que la terre par rapport au même axe, ils doivent alors tous se maintenir à la même altitude, c'est pour cette raison qu'ils forment un anneau autour de l'équateur. Une fois en orbite, si l'on décroît trop la vitesse, on verra notre sonde perdre de l'altitude jusqu'à ce qu'elle heurte la surface de la terre. On peut également accroître l'altitude de la sonde en augmentant sa vitesse. Si on l'augmente suffisamment, la sonde s'échappera de son orbite et quittera la planète. Cette vitesse est appelée la vitesse d'échappement de l'orbite. La vitesse d'échappement sur terre est d'environ 40,000 Km/h, sur Jupiter elle est d'environ 200,000 km/h.
Nous sommes tous sur terre en orbite, la terre entière est en orbite autour du soleil à une vitesse folle d'environ 100,000 km/h. (Cette vitesse varie puisque l'orbite des planètes n'est pas parfaitement circulaire). Supposons que l'orbite soit parfaitement circulaire, la distance terre soleil est alors de 1 AU (1 unité astronomique) qui correspond environ à 150 million de kilomètres. La distance entre venus et le soleil étant plus petite, elle est alors de 0.72 AU. Si l'on désire envoyer une sonde de la terre vers venus, on doit alors créer un transfère d'orbite de la planète mère à la planète adoptive. Ce transfère est appelé Hohmann du nom de celui qui a développé la technique à utiliser. Cette technique sera bientôt expliquée dans ce paragraphe...
Pour qu'une sonde comme Voyageur puisse garder une communication radio avec la terre, celle-ci doit constamment diriger son antenne en direction de la terre pour nous envoyer les données qu'elle a recueillies et pour que l'on puisse lui envoyer de nouvelles commandes. La sonde doit également diriger ses instruments en des points précis pour prendre des mesures quelconques. Cela implique que son altitude et son orientation dans l'espace doit être contrôlée et stabilisée, les instruments doivent être ajustés par rapport au mouvement relatif de la cible visée. L'orientation de la sonde est contrôlée par trois mouvements de base; le roulis, le lacet et le tangage. Ces trois mouvements sont effectués sur des axes traversant la sonde par son centre de gravité et sont orientés à 90 degrés les unes par rapport aux autres. Habituellement l'axe de roulis traverse la sonde dans sa partie allongée en passant par le centre de l'antenne parabolique. Donc un mouvement de roulis sur la sonde aurait pour effet de faire tourner l'antenne comme on fait tourner une assiette sur le bout du doit.
1.3.1 La stabilité par la rotation
La façon la plus facile pour stabiliser une sonde est de la faire tourner sur elle même, ainsi sa masse en rotation agit comme un gyroscope. Son axe de roulis est donc stabilisé aux dépens des deux autres axes. On utilise normalement ce type de stabilisation lorsque les instruments doivent être constamment pointés vers la même direction comme pour les satellites géostationnaires.
1.3.2 La stabilité par le contrôle des trois axes
Plusieurs sondes ne tournent pas sur elles-mêmes comme Voyageur, elles doivent effectuer des manoeuvres qui exigent le contrôle sur les trois axes. Celles-ci ont trois petits réacteurs sur chacun des axes contrôlé par un ordinateur de bord. Chaque réacteur est activé seulement quelques millièmes de seconde donnant une poussée ne dépassant pas 1 Newton (similaire à la réaction sentie d'un vaporisateur, comme une canne de peinture). Pour savoir à quel moment un réacteur doit être activé, l'ordinateur interprète l'information obtenue de ses senseurs. Voyageur utilise un senseur de soleil qui mesure l'excursion apparente du soleil lorsque la sonde se déplace lentement sur ses axes tangage et lacet. Un autre type de senseur est utilisé pour le mouvement de roulis. Celui-ci maintient son oeil sur une étoile brillante comme Canopes. Ce type de système est dit de référence céleste. Une autre méthode de stabilisation sur trois axes utilise les réactions de trois roues maintenues électriquement en rotation, elles sont appelées roues à moment d'inertie montées sur axes orthogonales. Elles remplacent ainsi les réacteurs. On les utilises également pour manoeuvrer la sonde. Pour tourner la sonde dans une direction, on tourne la roue correspondante dans la direction opposée. Pour tourner la sonde à l'inverse, on ralentie la même roue.
Pour être bref, les étoiles et planêtes peuvent servir de repère à la sonde lorsque elle est munie d'un tel système de repérage.
La distance sonde-terre est obtenue par la même méthode que celle des radars. Un transmetteur sur terre transmet une impulsion (sur l'onde porteuse de la radio sonde) à interval régulier. Lorsque la sonde reçoi l'impulsion, elle la retransmet aussitôt vers la terre. Le temps est mesuré entre la transmission de l'impulsion de la terre et la réception sur terre de l'impulsion provenant de la sonde. On obtient alors le temps d'un aller-retour à la vitesse de la lumière (Les ondes radio se propage à la vitesse de la lumière).
Donc on sait que (V = d/t) et que la vitesse de la lumière égale C = 300,000 Km/sec On sait également que le temps mesuré correspond à deux fois la distance cherchée.
Alors (C = 2d/temps mesuré) et finalement: d = c.t/2
Avec la fréquence des ondes radio du système de communication de bord et grace au phénomème de l'effet Doppler, on peut déterminer sa vitesse et sa trajectoire à l'aide de deux radios terrestre situés de chaque coté de la terre. Il faut également faire des calculs vectoriels puisque les deux radios obtiennent chacun un vecteur et que le troisième vecteur correspond au diamètre de la terre. Note que les astronomes utilisent la même technique pour déterminer la distance des étoiles de la terre.
Lorsque la distance sonde-terre est très grande, le calcul vectoriel est moins précis puisque le triangle ainsi formé est très aplati et l'angle utilisé faible. Ils utilisent alors un point de référence supplémentaire, une étoile très brillante, un quasar ...
L'alimentation électrique est nécessaire dans une sonde pour alimenter les ordinateurs de bord, le système radio, les valves de contrôle du système de propulsion, les divers instruments et senseurs. Ce court texte expliquera comment on peut alimenter si longtemps une sonde et par quel moyen. Une sonde comme Voyageur consomme environ 1500 Watts (1.5 KW), comment peut-on alimenter une sonde pendant des années voir des décennies ? L'utilisation de batteries suffirait à peine quelques heures et on ne parle même pas de dimension où de poids de celles-ci. Il y a que deux solutions techniques réalistes pouvant rencontrer une demande électrique à long terme de cette envergure: Les piles photovoltaïques ou les générateurs thermoélectriques radio isotope.
2.1.1 Les piles photovoltaïques
Comme son nom l'indique, son matériel photovoltaïque a la propriété de convertir la lumière en électricité. Le cristal de silicium ou le cristal d'arsenic de gallium sont les deux matériaux choisis pour l'application spatiale. Le silicium est le plus répandu puisqu'il est utilisé pour la fabrication des composantes électroniques, donc moins dispendieux. L'arsenic de gallium est plus robuste et plus efficace. Des lingots de cristaux sont tranchés en de fins petits cercles, on y dépose du métal sur chacune des surfaces: une fine grille métallique sur la face exposée au soleil et une feuille métallique sur la face arrière. En connectant un fil électrique sur chaque surface, on obtient une cellule photoélectrique. Une cellule a base de cristaux de silicium de 6 centimètres de diamètre peut délivrer environ 1 ampère à une tension de un quart de volt (Puissance de 0.25 Watt) lorsque exposée face au soleil d'une distance de 1 AU. Si l'on rapproche la cellule du soleil, elle créera plus de puissance. Plusieurs cellules sont donc regroupées en matrice et cimentées les unes aux autres puis reliées électriquement pour accroître la tension et la puissance pour qu'elles soient compatibles avec la tension utilisée par les sondes. Cet assemblage est appelé un Panneau solaire. Le matériel utilisé pour cimenter les cellules doit être thermiquement conducteur pour permettre à la chaleur absorbée par les cristaux d'être diffusée dans l'espace. Les cellules photovoltaïques sont utiles pour les sondes qui ont des croisières rapproché du soleil. Certaines sondes sont munies de panneaux dirigeables contrôlés par l'ordinateur de bord de façon à ce qu'ils soient constamment dirigés vers le soleil. Les sondes sont également équipées de batteries au Nickel-Cadium rechargeables pour prendre la relève lorsque le soleil est éclipsé de la sonde par une planète ou lorsque les panneaux solaires sont dirigés loin du soleil pour effectuer des manoeuvres.
2.1.2 Générateurs thermoélectriques radio isotope
Pour des orbites plus éloignées que celle de Mars, les panneaux solaires ne sont plus pratiques étant donné que l'intensité des rayons du soleil est faible. Les sondes sont donc munies de leur propre source d'énergie: Du Plutonium 238. La radio activité dégagée par le plutonium produit de la chaleur et celle-ci est convertie en électricité grâce à des thermocouples à jonction de germanium et de silicium. L'inconvénient des générateurs thermoélectriques, c'est qu'ils radient de la chaleur et que celle-ci peut interférer avec les instruments de mesures de la sonde, elle peut donc fausser les lectures. Ces générateurs sont donc localisés dans la sonde de façon à ce qu'ils minimisent leur impact sur les détecteurs de particules et les instruments fonctionnant à l'infrarouge . On les place à l'arrière d'un blindage qui garde les instruments à l'ombre des radiations.
2.1.3 La régularisation de l'électricité
Les sondes spatiales ne consomment pas de façon constante la puissance électrique disponible. Les divers appareils et instruments sont mis en fonction au moment de leur utilisation. Grâce à l'utilisation de relais ou de commutateurs électroniques commandés de la terre ou de l'ordinateur de bord, ces relais et commutateurs électroniques sont tous reliés à un circuit de distribution électrique commun. Parfois, pour ne pas dépasser la limite de puissance disponible, certains équipements sont éteints avant de pouvoir en mettre d'autres en fonction. Tous les points de distribution sont monitorés pour en connaître la tension et le courant d'opération. Ces informations peuvent servir à déterminer si une composante est défectueuse. On peut mettre ainsi hors fonction une composante défectueuse sans toutefois sacrifier le reste des composantes qui permet parfois à sauver une mission. Il est important pour tout circuit électronique d'être alimenté à partir d'une source de tension fixe et constante. Puisque les sondes spatiales sont armées d'instruments de mesure sophistiqués, celles-ci ont besoin d'une source d'alimentation constante pour obtenir des résultats fiables et précis. Puisque les panneaux solaires produisent une tension qui dépend de la lumière reçue, que les batteries de secoures peuvent être légèrement déchargées et que les générateurs thermoélectriques radio isotope voient leur Plutonium se dégrader, on ne peut alors se fier sur ceux-ci pour avoir une tension constante. Pour contrer ce problème, on conçoit ceux-ci pour qu'ils produisent une tension légèrement supérieure à ce que l'on a besoin et un régulateur électronique se charge de convertir l'excès de tension en chaleur qui est radiée dans l'espace par l'intermédiaire d'une plaque métallique dans l'espace. Ainsi la tension contrôlée par le régulateur est fournie au système de distribution électrique de la sonde. La tension typique qui est utilisée dans les sondes est de 28 volts.