SATELLITES ARTIFICIELS: À QUOI SERVENT-ILS, COMMENT ILS FONCTIONNENT, TYPES, IMPORTANT - ARTE - 2025

Les satellites sont des véhicules ou des appareils construits spécifiquement pour être libérés dans l'espace sans équipage, afin de orbiter autour de la Terre ou d'un autre corps céleste.

Les premières idées sur la construction de satellites artificiels sont venues d'auteurs de science-fiction, par exemple Jules Verne et Arthur C. Clark. Ce dernier était officier radar dans la Royal Air Force et, à la fin de la Seconde Guerre mondiale, a conçu l'idée d'utiliser trois satellites en orbite autour de la Terre pour maintenir un réseau de télécommunications.

Figure 1. Satellite artificiel en orbite autour de la Terre. Source: Wikimedia Commons.

A cette époque, les moyens n'étaient pas encore disponibles pour placer un satellite en orbite. Il a fallu encore quelques années à l'armée américaine pour produire les premières communications par satellite au début des années 1950.

La course à l'espace entre les États-Unis et l'Union soviétique a stimulé l'industrie des satellites artificiels. Le premier mis en orbite avec succès fut le satellite soviétique Spoutnik en 1957 et il émettait des signaux dans la gamme 20-40 MHz.

Cela a été suivi par le lancement de l'Echo I par les États-Unis, à des fins de communication. Depuis lors, de nombreux lancements en orbite ont été suivis par les deux puissances et, par la suite, de nombreux pays ont rejoint la nouvelle technologie.

À quoi servent les satellites artificiels?

-Dans les télécommunications, pour la retransmission de messages radio, télévision et téléphone portable.

-Dans la recherche scientifique et météorologique, y compris la cartographie et les observations astronomiques.

-À des fins de renseignement militaire.

-Pour les utilisations de navigation et de localisation, étant le GPS (Global Positioning System) l'un des plus connus.

-Pour surveiller la surface du terrain.

-Dans des stations spatiales, conçues pour faire l'expérience de la vie en dehors de la Terre.

Comment travaillent-ils?

Dans ses Principia, Isaac Newton (1643-1727) a établi ce qui était nécessaire pour placer un satellite en orbite, bien qu'au lieu d'un satellite, il ait utilisé comme exemple un boulet de canon tiré du haut d'une colline.

Tirée avec une certaine vitesse horizontale, la balle suit la trajectoire parabolique habituelle. En augmentant la vitesse, la portée horizontale devient de plus en plus grande, ce qui était clair. Mais une certaine vitesse va-t-elle mettre la balle en orbite autour de la Terre?

La Terre courbe à partir d'une ligne tangente à la surface à la vitesse de 4,9 m tous les 8 km. Tout objet libéré du repos tombera de 4,9 m pendant la première seconde. Par conséquent, en tirant la balle horizontalement à partir d'un pic avec une vitesse de 8 km / s, elle tombera de 4,9 m pendant la première seconde.

Mais la Terre sera également descendue de 4,9 m pendant cette période, car elle se courbe sous le boulet de canon. Celui-ci continue à se déplacer horizontalement, couvrant les 8 km et resterait à la même hauteur par rapport à la Terre pendant cette seconde.

Naturellement la même chose se produit après la seconde suivante et dans toutes les secondes successives, transformant la balle en satellite artificiel, sans propulsion supplémentaire, tant qu'il n'y a pas de frottement.

Cependant, le frottement causé par la résistance de l'air est inévitable, c'est pourquoi une fusée d'appoint est nécessaire.

La fusée élève le satellite à une grande hauteur, là où l'atmosphère plus mince offre moins de résistance et lui fournit la vitesse horizontale nécessaire.

Cette vitesse doit être supérieure à 8 km / s et inférieure à 11 km / s. Cette dernière est la vitesse d'échappement. Projeté à cette vitesse, le satellite abandonnerait l'influence gravitationnelle de la Terre pour aller dans l'espace.

Structure satellite artificielle

Les satellites artificiels contiennent divers mécanismes complexes pour remplir leurs fonctions, qui impliquent la réception, le traitement et l'envoi de divers types de signaux. Ils doivent également être légers et avoir une autonomie de fonctionnement.

Les structures principales sont communes à tous les satellites artificiels, qui à leur tour ont plusieurs sous-systèmes selon le but. Ils sont montés dans un boîtier en métal ou en d'autres composés légers, qui sert de support et s'appelle un bus.

Dans le bus, vous pouvez trouver:

- Le module de contrôle central, qui contient l'ordinateur, avec lequel les données sont traitées.

- Des antennes de réception et d'émission pour la communication et la transmission de données par ondes radio, ainsi que des télescopes, des caméras et des radars.

- Un système de panneaux solaires sur les ailes, pour obtenir l'énergie nécessaire et les batteries rechargeables lorsque le satellite est à l'ombre. Selon l'orbite, les satellites ont besoin d'environ 60 minutes d'ensoleillement pour recharger leurs batteries, s'ils sont en orbite basse. Les satellites plus éloignés passent beaucoup plus de temps exposés au rayonnement solaire.

Étant donné que les satellites restent longtemps exposés à ce rayonnement, un système de protection est nécessaire pour éviter d'endommager d'autres systèmes.

Les parties exposées deviennent très chaudes, tandis qu'à l'ombre elles atteignent des températures extrêmement basses, car il n'y a pas assez d'atmosphère pour réguler les changements. Pour cette raison, les radiateurs sont nécessaires pour éliminer la chaleur et les couvercles en aluminium pour conserver la chaleur si nécessaire.

Types de satellites artificiels

En fonction de leur trajectoire, les satellites artificiels peuvent être elliptiques ou circulaires. Bien entendu, chaque satellite a une orbite assignée, qui est généralement dans le même sens que la Terre tourne, appelée orbite asynchrone. Si, pour une raison quelconque, le satellite se déplace dans le sens opposé, il a une orbite rétrograde.

Sous gravité, les objets se déplacent selon des trajectoires elliptiques selon les lois de Kepler. Les satellites artificiels n'échappent pas à cela, cependant, certaines orbites elliptiques ont une excentricité si petite qu'elles peuvent être considérées comme circulaires.

Les orbites peuvent également être inclinées par rapport à l'équateur terrestre. À une inclinaison de 0 °, ce sont des orbites équatoriales, si elles sont à 90 °, ce sont des orbites polaires.

L'altitude du satellite est également un paramètre important, car entre 1500 et 3000 km d'altitude se trouve la première ceinture de Van Allen, une région à éviter en raison de son taux de rayonnement élevé.

Figure 2. Orbites, altitudes et vitesses des satellites artificiels. Les satellites désaffectés passent dans l'orbite du cimetière, bien qu'il y ait des restes sur toutes les orbites. Source: Wikimedia Commons.

Orbites satellites

L'orbite du satellite est choisie en fonction de la mission qu'il a, car il existe des hauteurs plus ou moins favorables pour différentes opérations. Selon ce critère, les satellites sont classés comme:

- LEO (Low Earth Orbit), ils mesurent entre 500 et 900 km de hauteur et décrivent une trajectoire circulaire, avec des périodes d'environ 1 heure et demie et une inclinaison de 90º. Ils sont utilisés pour les téléphones portables, les télécopies, les téléavertisseurs personnels, les véhicules et les bateaux.

- MEO (Medium Earth Orbit), ils sont à une altitude comprise entre 5000-12000 km, une inclinaison de 50 ° et une période de 6 heures environ. Ils sont également employés dans les téléphones portables.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit), ou orbite géostationnaire, bien qu'il y ait une petite différence entre les deux termes. Les premiers peuvent être d'inclinaison variable, tandis que les seconds sont toujours à 0 °.

En tout cas, ils sont à une altitude élevée -36 000 km plus ou moins-. Ils parcourent des orbites circulaires par périodes de 1 jour. Grâce à eux, le fax, la téléphonie longue distance et la télévision par satellite sont disponibles, entre autres services.

Figure 3. Schéma des orbites des satellites artificiels. 1) Terre. 2) LEO. 3) MEO, 4) orbites géosynchrones. Source: Wikimedia Commons.

Satellites géostationnaires

Au début, les satellites de communication avaient des périodes différentes de la rotation de la Terre, mais cela a rendu difficile le positionnement des antennes et la communication a été perdue. La solution était de placer le satellite à une hauteur telle que sa période coïncide avec celle de la rotation de la Terre.

De cette manière, le satellite orbite avec la Terre et semble fixe par rapport à elle. La hauteur requise pour placer un satellite en orbite géosynchrone est de 35786,04 km et est connue sous le nom de ceinture de Clarke.

La hauteur de l'orbite peut être calculée en établissant la période, en utilisant l'expression suivante, dérivée de la loi de Newton de la gravitation universelle et des lois de Kepler:

Où P est la période, a est la longueur du demi-grand axe de l'orbite elliptique, G est la constante universelle de gravitation et M est la masse de la Terre.

Puisque de cette manière l'orientation du satellite par rapport à la Terre ne change pas, cela garantit qu'il sera toujours en contact avec elle.

Les satellites artificiels les plus importants de la Terre

Spoutnik

Figure 4. Réplique de Spoutnik, le premier satellite artificiel en orbite de l'histoire. Source: Wikimedia Commons.

Ce fut le premier satellite artificiel de l'histoire de l'humanité, mis en orbite par l'ex-Union soviétique en octobre 1957. Ce satellite fut suivi de 3 autres, dans le cadre du programme Spoutnik.

Le premier Spoutnik était assez petit et léger: 83 kg d'aluminium principalement. Il était capable d'émettre des fréquences comprises entre 20 et 40 MHz. Il était en orbite pendant trois semaines, après quoi il est tombé sur Terre.

Des répliques de Spoutnik peuvent être vues aujourd'hui dans de nombreux musées de la Fédération de Russie, d'Europe et même d'Amérique.

La navette spatiale

Une autre mission habitée bien connue était le système de transport spatial STS ou navette spatiale, qui a fonctionné de 1981 à 2011 et a participé, entre autres missions importantes, au lancement du télescope spatial Hubble et de la Station spatiale internationale, en plus des missions de réparation d'autres satellites.

La navette spatiale avait une orbite asynchrone et était réutilisable, car elle pouvait aller et venir sur Terre. Sur les cinq ferries, deux ont été accidentellement détruits avec leurs équipages: le Challenger et le Columbia.

Satellites GPS

Le système de positionnement global est largement connu pour localiser avec précision les personnes et les objets partout dans le monde. Le réseau GPS est composé d'au moins 24 satellites de haute altitude, dont 4 satellites toujours visibles depuis la Terre.

Ils sont en orbite à une altitude de 20 000 km et leur période est de 12 heures. Le GPS utilise une méthode mathématique similaire à la triangulation pour évaluer la position des objets, appelée trilatération.

Le GPS ne se limite pas à la localisation de personnes ou de véhicules, il est également utile pour la cartographie, l'arpentage, la géodésie, les opérations de sauvetage et les pratiques sportives, entre autres applications importantes.

Le télescope spatial Hubble

C'est un satellite artificiel qui offre des images inédites incomparables du système solaire, des étoiles, des galaxies et de l'univers lointain, sans que l'atmosphère terrestre ou la pollution lumineuse ne bloque ou déforme la lumière lointaine.

Figure 5. Vue du télescope spatial Hubble. Source: NASA via Wikimedia Commons.

Par conséquent, son lancement en 1990 a été l'avancée la plus remarquable de l'astronomie ces derniers temps. L'énorme cylindre de 11 tonnes de Hubble se trouve à une altitude de 548 km en orbite autour de la Terre dans un mouvement circulaire, avec une période de 96 minutes.

Il devrait être désactivé entre 2020 et 2025, remplacé par le télescope spatial James Webb.

Station spatiale internationale

Connu sous le nom d'ISS (Station spatiale internationale), il s'agit d'un laboratoire de recherche en orbite, géré par cinq agences spatiales à travers le monde. Jusqu'à présent, il s'agit du plus grand satellite artificiel existant.

Contrairement au reste des satellites, dans la Station spatiale, il y a des êtres humains à bord. Outre l'équipage fixe d'au moins deux astronautes, la station a même été visitée par des touristes.

Le but de la station est principalement scientifique. Il dispose de 4 laboratoires dans lesquels les effets de l'apesanteur sont étudiés et des observations astronomiques, cosmologiques et climatiques sont effectuées, ainsi que diverses expériences de biologie, de chimie et de l'influence des rayonnements sur divers systèmes.

Chandra

Ce satellite artificiel est un observatoire pour détecter les rayons X, qui sont absorbés par l'atmosphère terrestre et ne peuvent donc pas être étudiés depuis la surface. La NASA l'a mis en orbite en 1999 via la navette spatiale Columbia.

Satellites de communication Iridium

Ils constituent un réseau de 66 satellites à une altitude de 780 km sur des orbites de type LEO, avec une durée de 100 minutes. Ils ont été conçus par la compagnie de téléphone Motorola pour assurer la communication téléphonique dans des endroits inaccessibles. Cependant, c'est un service très coûteux.

Système satellite Galileo

C'est le système de positionnement développé par l'Union européenne, équivalent au GPS et à usage civil. Il compte actuellement 22 satellites en service, mais il est toujours en construction. Il est capable de localiser une personne ou un objet avec une précision de 1 mètre dans la version ouverte et il est interopérable avec les satellites du système GPS.

Série Landsat

Ce sont des satellites spécialement conçus pour observer la surface de la terre. Ils ont commencé leurs travaux en 1972. Ils sont notamment chargés de cartographier le terrain, d'enregistrer des informations sur le mouvement de la glace aux pôles et l'étendue des forêts, ainsi que de la prospection minière.

Système Glonass

C'est le système de géolocalisation de la Fédération de Russie, équivalent au GPS et au réseau Galileo.

Observation de satellites artificiels

Les satellites artificiels peuvent être vus de la Terre par les amateurs car ils réfléchissent la lumière du soleil et peuvent être vus comme des points de lumière, même si le Soleil s'est couché.

Pour les localiser, il est conseillé d'installer l'une des applications de recherche par satellite sur le téléphone ou de consulter les sites Internet de suivi des satellites.

Par exemple, le télescope spatial Hubble peut être visible à l'œil nu, ou mieux encore, avec de bonnes jumelles, si vous savez où regarder.

Les préparatifs pour l'observation des satellites sont les mêmes que pour l'observation des pluies de météores. Les meilleurs résultats sont obtenus lors de nuits très sombres et claires, sans nuages ​​et sans lune, ou avec la lune basse à l'horizon. Plus vous vous éloignez de la pollution lumineuse, mieux c'est, vous devez également apporter des vêtements chauds et des boissons chaudes.

Références

1. Agence spatiale européenne. Satellites. Récupéré de: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Maran, S. Astronomie pour les nuls.
4. POT. À propos du télescope spatial Hubble. Récupéré de: nasa.gov.
5. Que sont les satellites artificiels et comment fonctionnent-ils? Récupéré de: youbioit.com
6. Wikiversité. Satellites artificiels. Récupéré de: es.wikiversity.org.