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Comment les fusées V2 étaient-elles guidées au cours de leur déplacement ?

Le maintien de la fusée dans le plan de tir prévu incombait à un pilote automatique constitué de deux gyroscopes reliés aux gouvernes des ailerons et des blocs de graphite. 

L’axe de rotation d’un gyroscope, une fois lancé, tend à conserver son orientation initiale. Avec un gyroscope orienté au départ suivant l’axe de la fusée, les moindres écarts avec la direction de lancement sont détectés et corrigés. 

Plusieurs systèmes furent utilisés dans le cas de la fusée A4 : 

  • système radio-doppler : un signal radio était envoyé du sol et après avoir rencontré l’engin en vol, il revenait au sol. La différence des fréquences émises et reçues donnait la vitesse de la fusée. Une fois que la vitesse voulue était atteinte un signal radio permettait de couper les arrivées de propergols.
  • système radio transversal : pour augmenter la précision du vol, on ajouta un système dit « Leistrahl » ou « L.S. », c’est-à-dire à faisceaux directeurs. La trajectoire de la fusée était maintenue dans le plan de tir à l’aide de deux faisceaux radio émis par un émetteur et ses deux antennes situées à une dizaine de kilomètres en arrière du site de lancement. Dès que la fusée s’écartait de sa trajectoire le signal radio reçu la replaçait dans le faisceau.

 

 

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Principe de la propulsion par réaction?

Énoncé par Newton, le principe de l’égalité de l’action et de la réaction est la base de fonctionnement des moteurs de fusée.

Dans la fusée, l’action est l’éjection des gaz vers l’arrière provenant de la combustion des propergols (substance chimique destinée à servir d’agent de propulsion en dehors de l’atmosphère). La réaction des gaz sur les parois propulse la fusée vers l’avant.

Revenant sur ce principe en 1896, Tsiolkovski (instituteur russe puis savant, premier théoricien du fonctionnement des fusées) publie « Une fusée dans l’espace cosmique »,  texte dans lequel il développe un autre énoncé du principe de l’égalité de l’action et de la réaction sous la forme de la conservation de la quantité de mouvement.

En effet le mouvement d’une fusée est celui d’un objet dont la masse est en continuelle diminution lors de la phase propulsive.

La force de propulsion est donnée par la relation : Fp = dG x Ve

dG masse de gaz éjectés chaque seconde. ( en kg/s )

Ve : vitesse d’éjection du gaz. (en m/s )

Tsiolkovski a calculé la vitesse des fusées avec Fp = dG x Ve, d’après la relation fondamentale de la dynamique et Fp = M xa = M x dV/ dt comme dG = dM / dt  on peut écrire Fp = dM/dt x Ve = M x dV/dt

soit Ve x dM/M= dV/dt

ce qui permet d’obtenir la relation de Tsiolkovski :

( par intégration dM/ M donne Log M )

V -- Vo = Ve x Log ( Minitiale  ) si Vo= 0 

                                               Mactuelle

Quand tout le combustible est brûlé, la vitesse maximale est Vmax=Ve x Log ( Minitiale )                                                                                                                                                                                                                                                                                                   Mfinale

La masse finale étant la masse satellisée, plus le rapport de masse Minitiale    est élevé plus la vitesse atteinte augmente.                                                                                                                                              Mfinale

Cas de la fusée A4, Ve = 2 000 m/s ; Mi = 14 t ; Mf = 6,5 t

Donc V = 2000 x 2,3 x log 14/6,5 = 1500 m/s

Rapport de masse et fusée à étages : En reprenant la relation précédente, nous supposons que nous voulons satelliser une charge utile de 10 tonnes. Il faut dans ce cas que la fusée atteigne la vitesse de satellisation de 8 km/s (en prenant Ve= 2000 m/s) 

avec Vmax=Ve x Log Minitiale nous obtenons 8000 = 2000 x 2,3x log Mi / Mf

                                                  Mfinale

Soit log Mi/Mf = 1,73 et comme Mf= 10 t , on obtient Mi = 548 t

Une partie de cette masse importante est inutile sur l’orbite de satellisation. Tsiolkovski a proposé une solution simple : se débarrasser des masses devenues inutiles au fur et à mesure.

La fusée sera constituée de plusieurs étages ou plusieurs fusées installées l’une sur l’autre.

En reprenant notre fusée de 548 t, nous la divisons en 2 étages, un de 450 t et 50 t à vide, l’autre de 98 t et 10 t à vide, la fusée entière atteint la vitesse de 3,43 km/s Le deuxième étage de 98 t et 10 t de charge utile atteint la vitesse de 4,55 km/s, soit pour l’ensemble environ 8 km/s (en additionnant les deux vitesses atteintes par chaque partie ) alors que la fusée d’un seul tenant aurait atteint la vitesse de 4,41 km/s car il faut satelliser les 50 t + 10 t de charge.

 

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Qu'est-ce que la couche d'ozone?

Tout le monde connaît l'oxygène, le gaz le plus abondant dans l'atmosphère après l'azote. 

 

L’ozone est un gaz constitué de molécules contenant trois atomes d’oxygène. Il se répartit sur une altitude comprise entre 30 et 50 km. Si l’ensemble de l’ozone était regroupé en une seule couche, elle ne dépasserait pas 3 à 4 mm d’épaisseur. La principale propriété de cette couche d’ozone est de nous protéger des rayonnements ultraviolets du Soleil. Ces rayons UV responsables du bronzage et des
« coups de Soleil » peuvent être très dangereux pour la peau (cancers).

Les astronautes et cosmonautes voyagent au-dessus de la couche d’ozone dans les vaisseaux spatiaux. Leur seule protection contre les rayons UV est l’épaisseur des parois et des hublots des vaisseaux.

 

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Qu'est-ce que l'atmosphère terrestre?

L'atmosphère est une mince couche de gaz qui entoure notre planète. On y distingue plusieurs couches: la troposphère, la stratosphère, la mésosphère, la thermosphère, et l'exosphère (la plus extérieure) qui s'étend au-delà de 1 500 km.

Sans l'atmosphère nous ne pourrions pas vivre à la surface de la Terre, car elle contient l'oxygène que nous respirons et elle joue à la fois le rôle d'un filtre protecteur et d'une couverture thermique. Les hautes couches de l'atmosphère absorbent la plus grande part du rayonnement ultraviolet dur et des rayons X, ne laissant parvenir à la surface qu'une dose supportable par les organismes vivants. Transparente au rayonnement visible provenant du Soleil, l'atmosphère absorbe et retient le rayonnement infrarouge (rayonnement de la chaleur) renvoyé par la Terre vers l'espace, c'est « l'effet de serre ». Cet effet permet de conserver la nuit la chaleur emmagasinée durant le jour. Sur Mercure, par exemple, où il n'existe pas d'atmosphère, l'amplitude thermique entre le jour et la nuit avoisine 600°C, puisque le jour la température atteint + 390°C et que la nuit elle peut descendre à -180 °C.

La troposphère est la première couche en partant du sol, c’est celle dans laquelle nous évoluons. La troposphère, siège des phénomènes météorologiques familiers, s'étale de 0 à 12 km environ. Elle est composée de 78 % d'azote, 21 % d'oxygène, 1 % d'argon, un peu de vapeur d'eau, de gaz carbonique et quelques traces de gaz inertes. Bien que présents en faibles quantités, la vapeur d'eau et le gaz carbonique jouent un rôle primordial : ce sont eux qui absorbent le rayonnement infrarouge et permettent l'effet de serre. Cette troposphère est très mince par rapport au reste de l'atmosphère mais 85 % de l'air s'y trouve.

Au-dessus de la troposphère se place la stratosphère.De 12 à 45 km d'altitude s'étend la stratosphère. La température y reste constante (- 50° à - 60°C) et l'air se fait de plus en plus rare. Ainsi 99 % de tout l'air atmosphérique se situe en dessous de 30 km d'altitude. C'est dans la stratosphère que se situe la couche d'ozone.

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De quelles bases sont lancées les fusées aujourd'hui?

Les fusées sont lancées dans l'espace à partir de bases de lancement choisies le plus près possible de l'équateur. En effet, la Terre étant en rotation, elle entraîne la fusée avec une certaine vitesse au décollage, d'autant plus importante que l'on se trouve près de l'équateur (un peu comme une fronde rotative qui accélère le caillou lancé). Ces bases doivent aussi être situées dans des lieux à faible population, en cas de problèmes au décollage, elles sont souvent près de la mer ou de déserts.

Les principales bases de lancement sont :

  • Cap Canaveral (en Floride) et White Sands (au Nouveau-Mexique) pour les Américains,
  • Baïkonour au Kazakhstan pour les Soviétiques et Kapustin Yar pour les Russes.
  • Kourou en Guyane Française pour les Européens.

Il existe aussi des bases de lancement en Inde (Sriharikota), en Chine (Xichang) et au Japon (Tanegashima).

Suivant la mission, la fusée peut être lancée pendant quelques heures au cours de la journée, ou à certaines périodes favorables. Cet intervalle de temps, appelé « la fenêtre de lancement », permet par exemple à une sonde spatiale d'atteindre une planète quand elle se trouve au plus près de la Terre. Ainsi les meilleures occasions se présentent tous les 19 mois pour la planète Vénus et tous les 26 mois pour Mars.

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Comment appelle-t-on les hommes et les femmes qui vont dans l'espace?

Suivant leur nationalité, les hommes et femmes qui voyagent dans l'espace sont nommés différemment :

  • « Cosmonaute » désigne les Soviétiques,
  • « Astronaute » est utilisé par les Américains,
  • « Spationaute » a été choisi par les Européens.
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Les caractéristiques de la Lune

La Lune a un rayon de 1 738 km (environ le quart du rayon terrestre) et sa masse est d'environ 1/80e de celle de la Terre. La Lune tourne autour de notre planète mais également sur elle-même et met exactement le même temps pour accomplir ces deux rotations, soit environ 27 jours. C'est pour cette raison qu'elle nous présente toujours la même face. Lorsqu'elle est à l'apogée, point le plus éloigné de son orbite, elle se trouve à 406 740 km, tandis qu'au périgée, point le plus rapproché, elle ne se trouve qu'à 356 410 km.

La force d’attraction à la surface de la Lune est six fois plus faible que celle de la Terre ; à titre d'exemple, un homme sautant de 1 mètre en hauteur sur la Terre pourrait, dans les mêmes conditions, s’élever de 6 mètres sur la Lune ! C’est pour cette raison que les astronautes pouvaient sautiller sur la Lune malgré le lourd scaphandre nécessaire à leur survie. C'est Newton qui découvrit cette force d’attraction exercée par la Lune car elle agit sur notre planète, elle est à l'origine du phénomène des marées.

Sur la Lune, il n’y a pratiquement pas d’atmosphère, c’est le vide. Ce qui explique les caractéristiques essentielles de notre satellite. Aucune vie ne peut exister, il n'y a pas d'air et donc pas de dioxygène pour respirer. Aucun bruit n'est perceptible à sa surface, puisqu'il n'existe pas d'atmosphère pour propager les ondes sonores.

Comme il n'y a pas d'air pour diffuser la lumière, les ombres projetées par le relief y sont absolument noires, avec des bords parfaitement nets. Pour la même raison, le crépuscule n'existe pas, la nuit succède au jour sans transition au coucher du Soleil.

Enfin la température varie énormément à cause de l'absence de toute atmosphère et d'eau qui pourraient, comme sur Terre, jouer le rôle de régulateurs thermiques. Cette température peut monter jusqu'à 120°C le jour et descendre jusqu'à -180 °C la nuit. Ces écarts de température s'expliquent également par la longueur des jours et des nuits lunaires, qui durent chacun l'équivalent de 14 jours terrestres.

Lorsque Galilée observa le relief de la Lune à travers sa lunette astronomique, il découvrit des montagnes et des pics. Cette découverte lui fit admettre qu’il existait dans l’Univers des mondes comme la Terre et que celle-ci n’était pas forcément le centre de l’Univers. À l'œil nu, nous pouvons distinguer deux sortes de paysages lunaires :

  • Des zones sombres : les mers, comme l'océan des Tempêtes, la mer de la Tranquillité, la mer de la Sérénité, sont de vastes étendues planes à faibles dénivellations. Elles résultent de la collision d'astéroïdes géants ou de météorites avec le sol lunaire. 
  • Des zones brillantes : les montagnes se dressent en chaînes abruptes, coupées de vallées profondes et situées pour la plupart en bordure des mers. Ainsi les Alpes lunaires, les Apennins, les Carpathes entourent la mer des Pluies. Les cratères de toutes tailles sont extrêmement nombreux. Le plus grand, Clavius, mesure 227 km de diamètre et 3 650 m de profondeur. Ils sont dus à des impacts de météorites qui, en l'absence d'atmosphère, ne peuvent être ralenties et creusent des cratères plus ou moins profonds.
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Comment les deux puissances ont-elles mené la course à la Lune?

Pour atteindre la Lune la vitesse de lancement doit être de l’ordre 11,1 km par seconde. Les premiers engins n’atteignirent pas la Lune à cause des difficultés d’ordres différents :

  • Une erreur de pointage : la Lune se déplaçant dans l’espace, et la Terre tournant sur elle-même, il faut lancer la fusée vers la position prévue à atteindre.
  • Une erreur de vitesse : une vitesse insuffisante ne permettra pas à l’engin d’atteindre la Lune tandis qu’une vitesse excessive le fera partir bien au-delà. Un écart de 1 %  déplace l’apogée de 40 000 km !
  • Une erreur due aux difficultés des calculs de positions : le satellite, la Terre, la Lune ont des positions données à un instant donné, il est impossible de savoir exactement les positions qu’ils occuperont à un instant quelconque sauf par des moyens de calcul pas à pas. Le développement des calculateurs a permis d’améliorer les performances.

Quelques dates de la conquête de la Lune :

 

Dès 1958, la Lune devient une cible pour les deux puissances spatiales : Après 5 tentatives ratées, le 2 janvier 1959, les Soviétiques réussissent à expédier une sonde Lunik I qui passe à 6 500 km de la Lune et devient la première planète artificielle du Soleil. Les Américains réussissent à atteindre également l’orbite de la Lune après  5 essais infructueux, et la sonde Pioneer 4 passe à 59 500 km de la Lune le 3 mars 1959.


Le 12 septembre 1959, la sonde soviétique Lunik 2 s’écrase sur la Lune. Partie le 4 octobre 1959, la sonde Lunik 3 photographie la face cachée de la Lune. Il faut attendre ensuite le 28 juillet 1964 pour voir les Américains obtenir les premières photos de la Lune depuis la surface avec Ranger 7. Lunik 9 va enfin permettre d’envisager le voyage vers la Lune : le 3 février 1966, il réussit à se poser en douceur à la surface.

Les liaisons avec la Lune ont été difficiles, les Soviétiques ont pris l’avantage car dès les premiers lancements, ils ont utilisé une nouvelle technique : le lancement en deux temps. Le satellite est d’abord placé sur une orbite terrestre, les ingénieurs déterminent sa vitesse avec précision. Puis au moment où le satellite passe au périgée, le moteur de propulsion est remis en marche pour que la vitesse finale soit de 0,1 % de celle prévue.

La course à la Lune fut remportée par les États-Unis le 21 juillet 1969. Aujourd’hui, depuis la découverte de glace sur la Lune par la sonde « Clémentine », les scientifiques se plaisent à rêver du retour sur le sol lunaire.

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Qu'est-ce que la poudre noire?

En Chine, des recherches d'alchimie furent à l'origine de la découverte de la poudre noire (mélange de charbon, de soufre et de salpêtre). Assez rapidement celle-ci fut utilisée, dès 904-906, à des fins militaires, comme projectile explosif. La première roquette chinoise date de l'époque des Song (en 1132). Grâce aux Arabes, la découverte de la poudre noire fut transmise à l'Europe Occidentale. C'est en 1267 que l'Anglais Roger Bacon en signalera, pour la première fois, l'existence. Le feu grégeois (mot dérivé du grec) était un mélange de charbon de bois, de soufre, de sel, de poix et de térébenthine. Ce mélange, extrêmement inflammable, continuait à brûler sur l'eau. On le projetait, selon divers procédés, sur les navires ennemis. Il est possible que l'on ait utilisé son pouvoir fusant comme moyen de propulsion au Moyen-Âge. C'est William Congreve, qui inventa les premières roquettes britanniques, utilisées contre le camp de Boulogne en 1804. Détournés par le vent, les projectiles incendiaires mirent le feu à la ville.

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Qu'est-ce que le programme Apollo?

Pour gagner le formidable pari qu'avait formulé le président John Kennedy le 25 mai 1961 au cours d’un discours au Congrès américain « Notre pays doit se vouer tout entier à cette entreprise : faire atterrir  un homme sur la Lune et le ramener sain et sauf sur Terre avant la fin de cette décennie», la NASA (National Aeronautics and Space Administration) mit sur pied le projet Apollo. Les Américains l'acceptèrent malgré l'extraordinaire dépense qu'il entraînait (20 milliards de dollars).

En 1962, les grandes lignes du projet, proposées par Von Braun, sont définies : la cabine Apollo contenant les astronautes sera envoyée vers la Lune par une fusée géante, Saturn V. De cette cabine appelée aussi « module de commande », un véhicule plus petit, le module lunaire ou « LEM »,  descendra vers la Lune.

En mai 1964, les premiers essais de la fusée Saturn et de la cabine Apollo sont concluants et pendant le même temps, l'élaboration de Saturn V avance progressivement.

Le 9 novembre 1967, les Américains envoient leur première fusée Saturn V, accompagnée d'un véhicule Apollo inhabité : la mission est un succès. En janvier 1968, les Américains testent le module lunaire sans astronaute (la fusée et sa charge sont entièrement commandées automatiquement). Tout se déroule parfaitement.

Le 21 juillet 1969, date historique pour l'astronautique, Neil Armstrong et Edwin Aldrin posent le pied sur la Lune, dans la mer de la Tranquillité, tandis que Michael Collins les attend en orbite, à bord d'Apollo 11.

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Que signifie l'expression « rendez-vous spatial » ?

Il s'agit de la rencontre en orbite de deux vaisseaux spatiaux. Elle consiste en différentes manœuvres successives : l'approche automatique des deux véhicules, l'approche pilotée manuellement et l'amarrage.

De nombreux rendez-vous spatiaux ont eu lieu lors des missions Apollo d'explorations de la Lune. Après avoir quitté le sol de la Lune à bord du module (LEM), les astronautes devaient rejoindre le module de commande de la cabine Apollo resté en orbite. Une fois amarrés, ils regagnaient la cabine grâce à un sas et retournaient ensuite vers la Terre. Mais le plus célèbre « rendez-vous spatial » est certainement la rencontre, en pleine guerre froide, entre Soviétiques et Américains, dans Apollo -Soyouz, le 17 juillet 1975.

Les Soviétiques sont également spécialistes du rendez-vous spatial car ils ont effectué de nombreuses liaisons entre les lanceurs Soyouz et les stations orbitales Saliout et ensuite MIR. Aujourd’hui, les rendez-vous spatiaux sont importants pour le ravitaillement et l’occupation de la station spatiale internationale ISS.

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Qu'est-ce que la vitesse de libération ?

On définit la vitesse de libération d'un astre comme la vitesse minimale qu'il faut communiquer à un objet pour qu'il s'éloigne indéfiniment de cet astre. La vitesse de libération dépendant essentiellement de l'attraction de l'astre, donc de sa masse, elle peut prendre des valeurs très variables :

  • Pour la Terre : 11,2 km/s
  • Pour la Lune : 2,4 km/s
  • Pour Mars : 5 km/s
  • Pour le Soleil : 618,7 km/s

Ces vitesses toujours élevées expliquent la construction des fusées géantes lors de la conquête de l'espace.

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Qu'est-ce que l'apesanteur?

Un objet se satellise autour de la Terre parce qu'il tombe; il n'a plus besoin de moteur car le moteur c'est la Terre (voir vitesse de satellisation). Ainsi des spationautes dans la navette américaine, par exemple, tombent sans arrêt vers le sol, la navette aussi, les hommes se mettent à flotter à l'intérieur puisque le plancher de la navette se dérobe sous leurs pieds, c'est l'apesanteur.

Apesanteur ne signifie pas absence de pesanteur. Les astronautes bien qu'un peu éloignés du sol, subissent toujours l'attraction terrestre, environ 90 % de leur poids (en Newtons) au sol. Pour avoir un poids très faible, il faut s'éloigner très loin d'un astre, c'est l'impesanteur.

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Qu'est-ce que la vitesse de satellisation?

Une balle qu'on lâche d'une certaine hauteur retombe vers le sol. La Terre attire tous les corps vers son centre. Aussi, un objet situé au sol ou dans l'atmosphère doit-il vaincre cette attraction avant de quitter la planète.

Imaginons qu’un objet soit lancé avec une vitesse de direction parallèle à l’horizontale. La Terre l’attire vers le sol de manière à ce qu’il parcourt verticalement 4,9 mètres chaque seconde. 

Mais la Terre s’incline de 4,9 mètres tous les 7900 mètres (car elle est ronde), donc si on lance un objet avec une vitesse horizontale de 7900 m/s, il va descendre de 4,9 mètres en une seconde, mais la surface terrestre va aussi s’être éloignée de 4,9 mètres. Donc l’objet ne peut atteindre le sol qui se dérobe sous lui, il tombe sans rencontrer la Terre, il va se satelliser. 

En conclusion, un objet se satellise autour de la Terre parce qu'il tombe, et il n'a plus besoin de moteur car le moteur c'est la Terre. Ainsi des spationautes dans la navette américaine, par exemple, tombent sans arrêt vers le sol, la navette aussi, les hommes se mettent donc à flotter à l'intérieur puisque le plancher de la navette se dérobe sous leur pieds : c'est l'apesanteur. 

La vitesse nécessaire pour satelliser un objet autour de la Terre sera donc de 7,9 km par seconde. Cette vitesse varie suivant la planète. En réalité, autour de la Terre, à cause des frottements de l’atmosphère, le satellite ne peut être satellisé près du sol. La fusée transporte donc le satellite jusqu’à une altitude d’un minimum de 200 km où elle l’injecte sur sa trajectoire avec une vitesse horizontale. Plus le satellite est près de la Terre plus il va vite : à une altitude de 200 km, il fait le tour de la Terre en une heure, à 36 000 km il met 24 h (c'est l'orbite géostationnaire).

À une distance donnée, sur une trajectoire donnée, tous les satellites se déplacent à la même vitesse. Ainsi sur la trajectoire à 36 000 km, les satellites ne peuvent pas se rencontrer car ils avancent tous à la même vitesse.

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Quels furent les premiers satellites artificiels ?

Un satellite artificiel est un objet lancé par une fusée spatiale qui tourne autour de la Terre à une altitude de plus de 300 km. L'astronautique naquit le 4 octobre 1957, à Baikonour, lorsque les Soviétiques lancèrent une petite sphère de 58 cm de diamètre et pesant 83,4 kg : Spoutnik 1. Pourvu d'un appareil radio, Spoutnik 1 envoya à la Terre de mystérieux - Bip... Bip... - jusqu'à la fin du mois. Peu d'hommes, en fait, imaginaient à l'époque toutes les perspectives que leur ouvraient les satellites.

Un mois plus tard, le 3 novembre 1957, Spoutnik Il s'élançait dans le ciel avec, à son bord, la petite chienne Laïka, prouvant ainsi que la vie pouvait résister à un lancement et aux conditions difficiles de l'espace (notamment l'apesanteur). Malheureusement, il était encore techniquement impossible de faire revenir Laïka.

Le 31 janvier 1958, les Américains prirent part à l'aventure en lançant leur premier satellite Explorer 1, très petit (8,3 kg), mais qui fit une découverte importante : la première ceinture de radiations de Van Allen.

À partir de cet instant, la course pour la conquête de l'espace était engagée.

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Qu'est-ce qu'un satellite artificiel?

Un satellite artificiel est un objet lancé par l’Homme, qui tourne autour de la planète selon une orbite calculée en fonction de la mission qu'il doit remplir. Petit à petit le satellite retombe vers la Terre après une période variable, de quelques jours à quelques milliers d'années, suivant son orbite initiale. Il se désagrége alors dans l'atmosphère. Plusieurs milliers de satellites tournent actuellement autour de la Terre.

On distingue quatre utilisations principales :

  • Les satellites scientifiques qui étudient l'atmosphère, le sol de la planète, le Soleil, les étoiles, etc.
  • Les satellites météorologiques, qui donnent de la Terre une vue d'ensemble des nuages, de leur vitesse, de leur direction et permettent aux météorologues de prévoir les phénomènes atmosphériques (notamment les cyclones).
  • Les satellites de télécommunications : ceux-ci paraissent fixes dans le ciel car ils sont sur une orbite géostationnaire (orbite située à 36 000 km d'altitude) telle que la vitesse de rotation du satellite est égale à celle de la Terre sur elle-même. Le satellite fait donc le tour de la Terre en 24 heures, mais comme celle-ci tourne sur elle-même en 24 heures, il survole toujours les mêmes régions et permet ainsi de relayer des conversations téléphoniques, des programmes radio ou la télévision.
  • Les satellites militaires qui surveillent, grâce à des instruments précis et puissants, d'éventuels lancements de missiles depuis le sol ou la mer.

Les astres, comme la Lune, qui tournent autour d'une planète sont appelés « satellites naturels ».

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Que sont les véhicules de l'espace?

On distingue quatre catégories de véhicules spatiaux :

  • Les satellites artificiels : objets lancés par une fusée et qui tournent autour d'un astre (Terre, planètes, Soleil,etc.)
  • Les sondes spatiales : véhicules automatiques non-habités, destinés à étudier les planètes. Il y a eu les sondes Luna qui ont étudié la Lune, les sondes Mariner et Vénus pour étudier la planète Vénus, les sondes Mars et Viking ont servi à étudier la planète Mars, et les sondes Pioneer et Voyager qui ont survolé Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.
  • Les vaisseaux spatiaux : véhicules habités, destinés à étudier le comportement de l'Homme dans l'espace.  Il y a eu les cabines Apollo qui ont envoyé des Américains vers la Lune, les Saliout soviétiques, le Skylab américain, la station MIR soviétique, la navette spatiale américaine et enfin la station spatiale internationale ISS.
  • Les fusées : véhicules automatiques chargés de transporter le satellite jusqu'à sa position d'utilisation. Les fusées retombent sur la Terre (ou en mer), alors que les autres véhicules restent en orbite autour de l'astre, c'est-à-dire qu'ils tournent autour. 
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Comment débuta la conquête de l'espace?

L'astronautique naquit le 4 octobre 1957 à Baikonour : les Soviétiques lancèrent une petite sphère de 58 cm de diamètre et pesant 83,4 kg : Spoutnik 1. Pourvu d'un appareil radio, Spoutnik 1 émettait vers la Terre d'extraordinaires - Bip... Bip...- pendant près d'un mois.

Un mois plus tard, le 3 novembre 1957, Spoutnik II décollait à son tour vers l'espace avec à son bord, la petite chienne Laïka, prouvant ainsi que la vie pouvait résister à un lancement et aux conditions difficiles de l'espace (notamment l'apesanteur). Malheureusement, il était encore techniquement impossible de faire revenir Laïka.

Une compétition entre Soviétiques et Américains s'engagea alors, au début de 1958, avec le premier satellite américain, Explorer 1. Le 13 septembre 1959, les Soviétiques envoient Luna II qui percute la Lune et trois semaines plus tard, Luna III transmet à la Terre les premières photographies de la face cachée de l'astre.

Le 12 avril 1961, le Soviétique Youri Gagarine, premier cosmonaute de l'Histoire, fait le tour de la Terre dans la cabine Vostok 1. Le vol dure 108 minutes. L'homme a atteint l'espace. Kennedy, le président américain, lassé des exploits soviétiques, lance la conquête de la Lune.

En juin 1963, sur Vostok VI, Valentina Terechkova devient la première femme dans l’Espace pour un vol de 70 h 41 min.

Les Russes et les Américains essaient également des techniques de rendez-vous spatiaux (automatiques ou pilotés). Le premier a lieu en décembre 1965 entre les capsules Gemini 7 (Stafford, Schirra) et Gemini 6 (Borman, Lovell).

Mais l'événement le plus attendu approchait. Le 21 juillet 1969, seconde date historique pour l'astronautique, Neil Armstrong et Edwin Aldrin posent le pied sur la Lune, dans la mer de la Tranquillité, tandis que Michael Collins les attend en orbite à bord d'Apollo 11.

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Qui était Korolev ?

Durant les années 1920, le jeune Sergueï Pavlovitch Korolev passe son baptême de l'air. Dès lors sa décision est prise, il travaillera dans l'aviation. Le fils d’instituteur, qui allait devenir le « principal constructeur des fusées et des vaisseaux spatiaux soviétiques » est né le 30 décembre à Jitomir (Ukraine). Il entreprend à 18 ans de construire son premier planeur. Il achève ses études secondaires à Odessa puis fréquente en 1924 l'institut polytechnique de Kiev et obtient un diplôme d'ingénieur en aéronautique de l'école supérieure de Bauman de Moscou. Dès 1931, il s'intéresse à la réalisation d'appareils volants propulsés par des moteurs- fusées. Après sa rencontre avec le physicien Fridlich Arturovich Tsanden, il devient l'un des principaux animateurs du Mosgird (groupe pour l'étude de la propulsion par réaction de Moscou). 

En août 1933, la première fusée soviétique à propulsion liquide atteint 1 500 m d'altitude et 300 km/h. Le Mosgird fusionne à la fin de cette même année avec le laboratoire de dynamique des gaz où domine le motoriste Valentin Glouchko. Le nouvel organisme RNII (Institut de recherches sur la propulsion par réaction) est créé, Serguéï Korolev devient à 26 ans le directeur de la section fusée. Mais la fulgurante ascension du grand constructeur va être brutalement interrompue le 27 juin 1938. Korolev, accusé de sabotage, est envoyé au Goulag de la mine d'or de la Kolyma en Sibérie, loin de sa jeune épouse et de sa fille Natacha. Condamné à « 10 années de camps », son épreuve durera six longues années.

La guerre éclate, les premiers V2 de Von Braun sont mis au point, Staline prend alors conscience de l'importance des fusées. Tous les spécialistes en aéronautique et fusées sont réhabilités. Une course à la récupération des terribles missiles V2 s'engage avec les Américains. Quand l'Armée rouge investit Peenemünde en mai 1945, le centre de recherches est déjà vide, les scientifiques allemands sont partis. Furieux, Staline charge Korolev de constituer une équipe pour récupérer le savoir allemand. À l'aide de l'expérience passée et avec la collaboration du savant allemand Helmut Gröttrup, un premier V2 est reconstitué. Baptisé R1, il est lancé d'un ancien terrain militaire Kapustin Yar près de Stalingrad. Deux ans plus tard apparaît le premier missile de l'Armée rouge « Pobeda » (Victoire) avec un rayon d'action de près de 6 000 km. 

Mais Staline exige une fusée capable de parcourir 12 000 km. Korolev releve le défi et imagine de regrouper des moteurs de V2 autour d'une même fusée.  Ainsi Glouchko conçoit des moteurs à quatre chambres alimentées par la même turbopompe. La fusée Semiorka voit le jour, constituée de 32 tuyères (copiées sur le moteur du V2) dont on a augmenté le rendement. Ce missile intercontinental aussi appelé R7 est lancé avec succès le 3 août 1957 de la base de Baïkonour. Fusée remarquable, à l'origine des premiers succès spatiaux soviétiques, elle sera lancée plus de 700 fois.

En 1956, les Américains annoncent le lancement d'un satellite artificiel dans le cadre de l'année géophysique internationale. Nikita Krouchtchev demande à l'équipe de Korolev de devancer les États-Unis. Par manque de temps, il faut se contenter d'un objet rudimentaire, une simple sphère de 84 kg renfermant une radio et des batteries. Le 4 octobre 1957, les Bip-Bip de Spoutnik apprennent au monde entier que l'ère de la conquête spatiale est ouverte. Korolev reste dans l'anonymat aux yeux du monde, le Kremlin est obsédé par le secret même lorsque le comité Nobel se rendra en URSS afin de décerner son prix pour cette grande première mondiale. Il sera discrètement récompensé par le prix Lénine et est élu en 1958 à l'Académie des Sciences de Moscou. Entre-temps, les Soviétiques annoncent qu'ils sont les premiers à avoir envoyé un être vivant dans l'espace: il s'agit de la chienne Laïka, le 3 novembre 1957. Le 15 mai 1960 le premier Vostok décolle de Baïkonour, emportant le 12 avril 1961 le premier homme de l'espace : Youri Gagarine.

En réaction à l'humiliation ressentie lors du vol de Gagarine, le président américain John Kennedy lance un formidable défi : la course à la lune s'engage.

Korolev et Glouchko s'opposent sur le programme lunaire. En janvier 1966 Korolev entre à l'hôpital pour une intervention que l'on pense bénigne, mais il meurt le 14 janvier sur la table d'opération. Le monde entier découvre alors le nom du mystérieux « constructeur en chef ». Ses cendres sont placées dans une urne installée dans le mur du Kremlin sur la Place Rouge à Moscou.

« Son ambition de conquérir l'espace était ce qui le motivait le plus, elle ne le poussait pas à gravir les échelons ou à gagner des médailles, il voulait faire quelque chose de grand de sa vie ». Konstantin Féoksitov

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Qui était Von Braun ?

La jeunesse 

Wernher von Braun, né le 23 mars 1912 à Wirsitz en Posmanie, appartient à une vieille famille de la noblesse prussienne. Wernher von Braun se passionne dès le plus jeune âge pour la propulsion des fusées. Adolescent, il lit l’ouvrage d’Oberth « La fusée vers les espaces interplanétaires ».

En 1931, sur le Raketenflugplatz, terrain d'envol des fusées, la fusée Mirak 2 grimpe à une altitude de 1 600 mètres. À l’origine de cette expérience, le célèbre metteur en scène Fritz Lang pour son film « Une femme dans la Lune ». Fritz Lang a engagé le professeur de lycée Hermann Oberth, qui vient de recevoir le prix international d'astronautique Esnault-Pelterie. Il est entouré par un groupe de jeunes hommes enthousiastes, parmi lesquels figure Wernher von Braun. 

Bientôt les lancements de fusées attirent la convoitise des militaires.

La période nazie

Jeune diplômé de l’Institut de Technologie de Berlin, Von Braun est engagé pour mener des recherches sur un moteur de fusée capable d’une poussée de 300 kg, testé pour la première fois en décembre 1932 à Kummersdorf.

En 1933, Von Braun, qui avait commencé depuis plus d’un an à étudier les propergols, ne tarde pas à être remarqué par le général Dornberger, qui le fait nommer à la tête d’une équipe chargée d’étudier les applications militaires des fusées.

En 1934, Von Braun est chargé de construire des fusées puissantes de la série « A » (pour Aggregate). Von Braun fait installer une importante base d’expérimentation, richement dotée en crédits, en matériaux et en hommes (douze mille hommes) à Peenemünde sur la Baltique. Sa mission consiste bientôt à diriger les recherches sur les « engins de représailles », recherches qui aboutissent à la mise au point des V2, dont le premier exemplaire sera lancé le 3 octobre 1942, et qui deviendra opérationnel en 1944.

En 1942, Von Braun devient un officier haut placé de la SS. Il travaille sur les fusées V2. Elles sont construites à Dora-Mittelbau, un camp de concentration construit près de Nordhausen, en Allemagne. Cette production fut menée au prix de terribles souffrances et de milliers de morts parmi les prisonniers du camp. Les premiers V2 sont lancés sur la Grande-Bretagne en septembre 1944. Le 2 mai 1945, Von Braun se rend de son propre chef aux troupes américaines malgré son travail sur le A9, un missile longue portée pouvant atteindre New York.

Dès la fin de l’année 1945 il travaille pour l’armée américaine à Fort Bliss au Texas avec 120 membres de son équipe.

La période américaine

Au moment de l’avance des troupes soviétiques en 1945, Von Braun, accompagné de son équipe, se replie en direction des troupes américaines, auxquelles il se rend avec une centaine de ses collaborateurs et quelques exemplaires de V2. Transféré aux États-Unis, il est affecté par l’armée américaine à la remise en état des V2 provenant de Peenemünde, puis à la mise au point de fusées dérivant du V2 telles que la fusée Viking, l’Aerobee, la Redstone, etc.

En 1953, il publie son ouvrage Conquest of the Moon (La conquête de la Lune) et devient citoyen américain en 1955. Il se voit confier la construction d’un missile à courte portée, le Redstone qui doit être utilisé dans la guerre de Corée. Ce n’est qu’une version modernisée de la V2, mais elle aura quand même son nom dans l’histoire de la conquête spatiale. En effet, sous la dénomination « Jupiter C », c’est elle qui mit en orbite le satellite Explorer-1 le 31 janvier 1958 assurant enfin la présence des États-Unis dans l’espace, après le lamentable échec de la fusée Vanguard qui devait contrer le Spoutnik soviétique.

Le 1er juillet 1960, le groupe de Von Braun fait partie de la NASA nouvellement créée. Il fait admettre l’idée d’une fusée à hydrogène liquide qui sera capable de propulser des hommes jusqu'à la Lune et commence le développement de la Saturn V pour le programme Apollo.

Le 9 novembre1967, la première fusée Saturn est lancée (les versions postérieures emmèneront le vaisseau Apollo sur la Lune). Von Braun publie son ouvrage Space Frontier (Frontière de l’espace)

Le 16 juillet 1969, la dernière création de Von Braun, la fusée Saturn V,  envoie Armstrong et Aldrin sur la Lune.

Von Braun prend sa retraite le 31 décembre1976 et meurt d’un cancer le 16 juin 1977.

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Qu'est-ce qu'un radar?

Le radar, découvert aux environs de 1910, est un appareil qui émet des impulsions d'ondes radio très brèves à partir d'une antenne qui reçoit en retour ces impulsions quand elles sont renvoyées par un obstacle. Un radar utilise des ondes de grande fréquence, que l'on appelle micro-ondes.  C’est d’ailleurs en observant que la végétation était cuite autour de la station radar que l'on a eu l'idée de construire les fours à micro-ondes. La mesure de distance entre le radar et l'obstacle s'effectue en mesurant avec précision, au moyen de dispositifs électroniques, le temps d'aller-retour du faisceau d'ondes. La distance correspond à la moitié de ce temps multiplié par la vitesse de la lumière, qui est aussi celle des ondes radio (300 000 km/s). Ainsi, l'écho sur un objet situé à 30 km revient-il après 1/5000e de seconde ; les temps d'aller-retour doivent être mesurés avec une très grande précision.

En astronomie, le radar permet également des mesures inaccessibles par d'autres moyens, sur la distance, le relief et la vitesse de rotation des planètes les plus proches. C’est ainsi que l'on a pu mesurer avec une grande précision le relief de Vénus, perpétuellement masquée sous une épaisse couche de nuages.

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Comment les fusées V2 étaient-elles guidées en vol?

Il existe deux techniques pour résoudre ce problème : le téléguidage et l'autoguidage.

Dans le premier cas, la fusée est suivie depuis la Terre. En fonction de la direction, la vitesse, etc. un calculateur au sol définit une trajectoire théorique et renvoie les ordres de corrections indispensables à la poursuite du vol le plus près possible de cette trajectoire. Ce principe nécessite un contact constant entre le sol et la fusée.

Aussi lui a-t-on préféré l'autoguidage ou guidage par inertie. Le déplacement de la fusée est commandé par trois gyroscopes (toupies en rotation qui indiquent les directions de déplacement) qui enregistrent, dans trois directions perpendiculaires, les éventuelles déviations de la fusée par rapport à la trajectoire désirée. Ils commandent alors les manœuvres nécessaires pour ramener le véhicule dans le bon chemin.

Aujourd'hui, la fusée Ariane V est  indépendante dès qu’elle décolle, les ordinateurs de bord étant chargés de calculer et rectifier la trajectoire. Seule la commande de destruction peut être exécutée du sol.

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Qu'appelle-t-on « propergol » ?

Un propergol est formé de deux ou de plusieurs corps chimiques, appelés ergols, capables de donner naissance à une importante quantité de gaz de combustion ainsi qu'à une grande énergie. Ces propergols sont utilisés pour des fusées destinées à la haute atmosphère ou au vide interplanétaire car l'un d'entre-eux est souvent de l'oxygène (dioxygène) et ils n'ont donc pas besoin du dioxygène de l'air. On distingue deux sortes de propergols :

  • Les propergols liquides, constitués entièrement d'ergols liquides (comme le kérosène, ou le dihydrogène associés au dioxygène). Ils procurent aux fusées les poussées les plus importantes.
  • Les propergols solides, constitués d'un mélange de poudres aujourd'hui incorporées dans une substance caoutchouteuse. Les engins équipés de tels propergols sont appelés « fusées à poudre ». De performances plus modestes que les fusées à liquide, elles ont l'avantage de pouvoir être stockées beaucoup plus facilement d’où leur grand intérêt militaire (ce sont les missiles).
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Qu'est-ce qu'une chambre de combustion et une tuyère?

Une expérience illustre bien le principe d'un moteur-fusée. Gonflez un ballon et fermez-le hermétiquement. Maintenant laissez le gaz sortir de l'enveloppe. Le gaz, comprimé à l'intérieur s'échappe par cette ouverture, d'autant plus vite que la pression interne est grande, et le ballon est propulsé dans la direction opposée en vertu du principe de l’action et de la réaction de Newton.

Le principe d'un moteur-fusée est très voisin. Des gaz sont créés en grande quantité dans une chambre, la chambre de combustion. L'énergie ainsi dégagée chauffera les gaz au fur et à mesure de leur formation. Mais il est impossible de dépasser certaines températures dans la chambre de combustion car les parois en acier peuvent fondre. Aussi les techniciens ont-ils imaginé un autre moyen d'augmenter la vitesse des gaz. Ils emboîtèrent à la sortie de la chambre une pièce de tuyauterie de forme évasée, appelée tuyère, à l'intérieur de laquelle les gaz sont détendus et accélérés. Ils ne peuvent s'échapper que par la sortie de la tuyère qui les pousse vers le bas, les gaz réagissent en poussant, de la même façon, la fusée vers le haut. Les tuyères sont également importantes pour le guidage de la fusée. En effet des tuyères orientables permettent de modifier à volonté la direction de l'engin.

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Qu'est-ce que la poussée d'un moteur?

Lors de la propulsion par réaction, on parle de poussée d'un moteur. Il s'agit de la force développée par ce propulseur qui soulève puis accélère la fusée. Il existe deux types de propulsion par réaction :

  • Avec utilisation de l'oxygène (dioxygène) de l'air ambiant, le terme employé est réacteur (comme c’est le cas sur les avions).
  • Sans utilisation de l'oxygène (dioxygène) de l’air ambiant, c’est le moteur-fusée (les fusées qui sortent de l’atmosphère). Dans ce cas la fusée emporte avec elle le dioxygène dans les propergols. La forme de la tuyère modifie aussi cette poussée.

 

La poussée se calcule par la formule : Poussée F, dG : débit des gaz de combustion, V vitesse d’éjection de ces gaz

F = dGxV

F en Newtons, V en m/s, et dG en kg/s

La forme de la tuyère et la pression à l'extérieur de la fusée (qui peut être nulle si le véhicule a quitté l'atmosphère et se trouve dans le vide) modifient quelque peu cette équation.

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Les V1 étaient-ils des fusées?

Le V1 n'était pas une fusée mais un petit avion à réaction (environ 8 m de long) sans pilote, une bombe volante munie d'un système d’autoguidage. Le moteur brûlait de l'essence dans l'oxygène de l'air. Volant à des altitudes accessibles (600 m) et à des vitesses relativement basses, de l’ordre de 600 km/h, les V1 pouvaient être interceptés par les avions britanniques dotés de moteurs classiques à hélice. Mis au point par les Allemands durant la Seconde Guerre mondiale, il emportait une forte charge explosive en direction de l'Angleterre. 24 000 de ces engins furent lancés, dont beaucoup s'écrasèrent sur Londres.

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Qu'est-ce qu'un V2?

C'est à Peenemünde, sur la mer baltique, dans un centre de recherches secret, qu'une équipe allemande dirigée par Wernher von Braun a mis au point la fusée V2 (abréviation de Vergeltungswaffe,
« arme de représailles  n°2 ») Cette fusée de 14 m de haut était propulsée par un moteur donnant une poussée de 27,2 tonnes. Elle avait une portée de 300 km, emportant près d'une tonne d'explosifs.

Le V2 était une fusée à propergols liquides. Son fonctionnement ne nécessitait aucune admission d'air, la fusée emportait de l’oxygène liquide comme comburant et de l’alcool à brûler comme combustible, c'est pourquoi elle pouvait atteindre les hautes régions de la stratosphère (100-120 km d'altitude). Puis elle retombait en chute libre vers son objectif suivant une trajectoire balistique à la vitesse de
3 500 km/h ! 3 200 V2 furent lancés pendant la Seconde Guerre mondiale par l’armée nazie, les villes les plus touchées furent Londres et Anvers. Le V2 est l’ancêtre de tous les missiles. En 1945, le centre de recherches de Peenemünde fut détruit par les militaires allemands. C'est dans le secret de ce centre et la souffrance du camp de concentration de Dora, qu'est né le premier vaisseau de l'aventure spatiale. Von Braun se rendit aux Américains à la fin de la guerre. Il quitta l'Allemagne pour les États-Unis, emportant une centaine de V2. Il poursuivit ses recherches qui lui permirent la construction de la fusée lunaire SaturnV.

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