MÉCANIQUE SPATIALE

L'astrodynamique est la science qui s'attache à expliciter la dynamique des astres et des forces qui les font se mouvoir. Par extension, la dynamique des satellites artificiels lui a été, quelque peu abusivement, assimilée. On peut, de manière plus rigoureuse, définir la mécanique spatiale comme la branche de l'astronautique qui concerne la théorie mathématique et la commande des mouvements des satellites, sondes, vaisseaux et stations orbitales dans l'espace.

La mécanique spatiale trouve ses racines dans les travaux de mécanique céleste amorcés depuis plusieurs siècles et dans ceux, plus récents, qui sont liés à la conquête de l'espace, et qui ont par conséquent connu un essor extraordinaire à partir de la fin des années 1950.

Depuis Spoutnik-1, le premier satellite artificiel de la Terre (1957), jusqu'à la construction de la Station spatiale internationale (I.S.S.) ou à l'atterrissage de la sonde européenne Huygens sur le plus gros satellite de Saturne, Titan, le 14 janvier 2005, en passant par les premiers pas de l'homme sur la Lune (1969), des progrès considérables ont été accomplis, permettant l'évolution des premières expérimentations spatiales vers des systèmes opérationnels complexes. L'« espace utile », véritable enjeu national et international, met en exploitation des systèmes opérationnels d'observation de la Terre, de télécommunications, de télévision directe, de vie en orbite (station Mir, I.S.S.)...

Des évolutions sensibles ont accompagné ces applications : évolutions théoriques dans les techniques des mathématiques appliquées (optimisation, contrôle optimal, identification, calculs d'orbites), évolutions technologiques des diverses composantes embarquées dans les satellites ou au sol, évolutions humaines enfin, d'ordre psychologique (adaptation à des systèmes de plus en plus complexes) et d'ordres physique et physiologique (vie en impesanteur).

Ces évolutions, déjà extraordinaires, se sont encore intensifiées, les applications étant en effet toujours plus exigeantes ; elles ont donc largement contribué au développement des théories, des méthodes et des moyens utilisés. Parmi les mutations les plus importantes, citons :

– les méthodes de simulation (pour l'aide au dimensionnement des sous-systèmes spatiaux et pour la formation des opérateurs) ;

– les théories de l'optimisation et la robotique ;

– les techniques et technologies liées au contrôle d'attitude ;

– l'intelligence artificielle et les systèmes experts ;

– la détection automatique de pannes et la reconfiguration ;

– l'informatique embarquée ou au sol ;

– la qualité et la sécurité des systèmes opérationnels.

Nous nous intéresserons ici uniquement à la mécanique spatiale théorique, la dynamique des vols spatiaux étant abordée dans l'article propulsion spatiale.

Les mouvements concernés par la mécanique spatiale peuvent être scindés en deux groupes :

– le mouvement du centre de gravité (trajectoire ou orbite du satellite) ; le satellite est ici assimilé à une sphère homogène dont la masse est concentrée au centre de gravité ; notons que, dans les calculs précis, les modèles de force tiennent compte de modélisations géométriques et massiques du satellite ;

– le mouvement autour du centre de gravité, ou attitude du satellite, qui est défini, en premier lieu, par l'orientation d'un trièdre de référence (définition de trois angles) lié à l'engin par rapport à un repère fixe (souvent inertiel et matérialisé par des étoiles), en second lieu, par le mouvement angulaire des trois angles définis, ce qui constitue son évolution temporelle.

Les couplages entre les deux groupes de mouvements ne sont guère pris en compte en l'absence de milieu ambiant (du fait de la raréfaction de l'atmosphère), car[...]