Objectifs:
Pour lancer un vaisseau spatial vers une planète extérieure telle que Mars, en utilisant le moins d'énergie possible, en considerant d'abord que le vaisseau spatial est déjà dans l'orbite solaire pendant qu'il se repose sur le pas de tir. Son orbite solaire existante doit être ajustée pour le faire prendre le vaisseau spatial vers Mars. En d'autres termes, le perihelion du vaisseau spatial (l'approche la plus étroite au Soleil) sera l'orbite de la Terre, et l'aphelion (la distance la plus lointaine du Soleil) arrêtera l'orbite de Mars à un seul point. Ceci s'appelle une orbite de transfert de Hohmann. La partie de l'orbite solaire qui prend le vaisseau spatial de la Terre à Mars s'appelle la trajectoire.
Pour réaliser une telle trajectoire, le vaisseau spatial part du pas de tir, vole au-dessus de l'atmosphère Terrestre, et est accéléré dans la direction de la révolution de la Terre autour du Soleil dans la mesure où il devient exempt de l'attraction universelle de la Terre, et que sa nouvelle orbite aura un aphelion égal à l'orbite de Mars. Après une brève accélération loin de la Terre, le vaisseau spatial a terminé sa nouvelle orbite, et il réalise simplement le reste du parcours. Pour arriver à la planète Mars, plutôt que juste à son orbite, exige que le vaisseau spatial soit inséré dans la trajectoire interplanétaire à l'heure éxacte d'arriver à l'orbite Martienne quand Mars sera au point où le vaisseau spatial interceptera l'orbite de Mars. Cette tâche pourrait être comparée à jeter une fléchette vers une cible mobile. Vous devez donner à la fléchette juste la bonne quantité d'énergie pour frapper la cible. L'occasion de lancer un vaisseau spatial sur une orbite de transfert à Mars se produit environ tous les 25 mois.
Pour être capturé dans une orbite Martienne, le vaisseau spatial doit alors ralentir relativement à Mars (en utilisant une impulsion rétrograde de fusée ou quelques autres moyens). Pour débarquer sur Mars, le vaisseau spatial doit ralentir encore (en utilisant une impulsion rétrograde, ou la version de ressort d'un vaisseau mère) dans la mesure où le plus bas point de son orbite Martienne interceptera la surface de Mars. Puisque Mars a une atmosphère, la décélération finale peut être exécutée par un freinage aérodynamique, et/ou un parachute, et/ou encore des impulsions rétrogradent.
Pour lancer un vaisseau spatial vers une planète intérieure telle que Vénus en utilisant le moins de carburant possible, son orbite solaire existante doit être ajustée de sorte qu'elle la prenne à Vénus. En d'autres termes, l'aphelion du vaisseau spatial sera sur l'orbite de la Terre, et le perihelion sera sur l'orbite de Vénus. Comme dans pour le cas de Mars, la partie de cette orbite qui prend le vaisseau spatial de la Terre à Vénus s'appelle une trajectoire. Pour réaliser une trajectoire Terre-Vénus, le vaisseau spatial s'envole du pas de tir, s'envole au-dessus de l'atmosphère de la Terre, et est accéléré dans la direction opposée de la révolution de la Terre autour du Soleil (ralentissement) dans la mesure où sa nouvelle orbite aura un perihelion égal à l'orbite de Vénus. Naturellement le vaisseau spatial finira par aller dans la même direction que les orbites de la Terre, juste un peu plus lent. Pour arriver à Vénus, plutôt que juste à son orbite, exige encore que le vaisseau spatial soit inséré dans la trajectoire interplanétaire à l'heure correcte d'arriver à l'orbite Vénusienne quand Vénus sera au point où le vaisseau spatial interceptera l'orbite de Vénus. Les occasions de lancement vers Vénus se produisent environ tous les 19 mois.
Parcours d'une sonde dans le cas d'une trajectoire directe (à gauche) et dans le cas d'une trajectoire avec assistance gravitationnelle de vénus (à droite). Cette dernière avait été calcumée de telle manière que les deux tangentent à 69 106 km du Soleil. Mariner 10 a été la première sonde à utiliser le principe de la "fronde gravitationnelle"
Les planètes maintiennent la grande majorité des moments angulaire du système solaire. C'est cet élan qui est utilisé afin d'accélèrer le vaisseau spatial. Il est généralement dit dans les journaux que les vaisseaus spatiaux tel que Voyager et Galileo utilisent la pesanteur d'une planète pendant un survol pour aller plus loin dans l'espace (comme une fronde). Comment cela fonctionne t'il ? Dans une trajectoire utilisant la gravité, le moment angulaire est transféré à partir de l'orbite de la planète vers le vaisseau spatial s'approchant par derrière. L'utilisation de la gravité seraient plus exactement décrites comme une utilisation du moment angulaire.
Considérez Voyager 2, qui a fait le tour des planètes jupitériennes. 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, celui-ci serait tombé en arrière vers le Soleil, et serait resté dans l'orbite elliptique aussi longtemps qu'une autre force n'aurai pas agi sur elle. le perihelion aurait été à 1 UA, et l'aphelion aurait été à environ 5 UA de Jupiter .
Cependant, l'arrivée du vaisseau spatial a été soigneusement chronométrée de sorte qu'elle passe derrière Jupiter dans son orbite autour du Soleil. Pendant que le vaisseau spatial arrivait sous l'influence de la gravité de Jupiter, il est tombé en direction de Jupiter, augmentant sa vitesse au maximum lors de l'approche la plus étroite vers Jupiter. Puisque toutes les masses dans l'univers s'attirent, Jupiter a accéléré le vaisseau spatial sensiblement, et le vaisseau spatial a ralenti Jupiter dans son orbite par une quantité minuscule, puisque le vaisseau spatial s'est approché par derrière. Comme le vaisseau spatial passait par Jupiter (sa vitesse était plus grande que la vitesse de libération de Jupiter), naturellement il a ralenti encore relativement à Jupiter, s'élevant hors de la zone de la gravité de Jupiter. Sa vitesse relative à Jupiter lors de son dépat était identique à sa vitesse d'arrivée. Mais relativement au Soleil, elle n'a jamais ralenti par rapport à sa vitesse initiale d'approche . Elle a laissé les environs jupitériens portant une augmentation du moment angulaire volé à Jupiter. La pesanteur de Jupiter a servi à relier le vaisseau spatial à la réserve énorme de moment angulaire de la planète . Cette technique a été répétée chez Saturne et Uranus.
On peut dire la même chose à propos de l'accélération d'une balle de baseball une fois frappé par une batte: le moment angulaire est transféré à partir de la batte vers la balle ayant un mouvement ralenti. La batte est ralentie dans son " orbite " par rapport au batteur, accélérant la balle considérablement. La batte se lie à la boule non pas avec la force gravitationnelle comme cela était le cas pour un vaisseau spatial, mais avec la force mécanique directe (force électrique, sur l'échelle moléculaire, si vous préférez) à l'avant de la batte dans son voyage par rapport au batteur, traduisant le moment angulaire de la batte en vitesse élevée pour la balle.
L'utilisation de la gravité peut également être employées pour ralentir un vaisseau spatial, en volant devant un corps dans son orbite, donnant une partie du moment angulaire du vaisseau spatial au corps. Quand le vaisseau spatial de Galileo est arrivé sur Jupiter, passant étroitement devant Io dans son orbite, la décélération expérimentée par Galileo , l'aida à finir de s'insérer dans l'orbite de Jupiter.
La technique dutilisationde la pesanteur a été découverte par Michael Minovitch au début des années 60. C'était un étudiant diplomé de l'UCLA qui travaillait l'étés au JPL.
Recapitulation :