Faire voyager un engin dans l’espace – sonde, satellite, capsule habitée par des astronautes… – est un exercice complexe car tout y est constamment en mouvement : la Terre, la Lune (la nôtre et celles des autres planètes), les planètes... Il ne suffit donc pas seulement de tracer une route. Il faut aussi qu’elle soit empruntée au bon moment et avec la bonne vitesse. Et pour cela, on fait appel à des experts en dynamique du vol, capables de maîtriser le mouvement d’un engin dans l’espace, et notamment sa trajectoire dans le Système solaire.

Pour mieux comprendre la dynamique du vol, prenons l'exemple de la sonde BepiColombo : 8 ans pour rejoindre Mercure ! La sonde se serait-elle perdue en chemin ? Au contraire, elle a suivi une trajectoire bien précise, calculée par des ingénieurs en dynamique de vol. Explication.

Première étape, quitter la Terre

19 octobre 2018, Centre spatial guyanais, Kourou. La sonde européo-japonaise BepiColombo, chargée d’étudier la planète Mercure, quitte la Terre à bord d’une fusée Ariane 5. Le lanceur a pour mission de larguer sa passagère, la sonde, au bon moment et au bon endroit pour qu’elle puisse ensuite « tracer sa route » en solo. Ainsi, 26 minutes après le décollage, BepiColombo est larguée et insérée sur une orbite dite de libération, un peu comme une voiture qui emprunte une voie d’insertion sur l’autoroute. Elle se trouve alors à environ 1 000 km d’altitude et file à une vitesse de 39 500 km/h, vitesse qui lui permet à la fois de se libérer de l’attraction de notre planète (voir encadré), mais également de commencer son trajet autour du Soleil avec la bonne allure.

Ainsi commence le voyage de BepiColombo vers Mercure, planète la plus proche de notre Soleil. Un voyage qui, loin d’être en ligne droite, lui fait faire plusieurs fois le tour de notre étoile, avant que la sonde ne se mette en orbite autour de la petite planète fin 2026. Une longue croisière de huit ans et neuf milliards de kilomètres, alors que la distance entre la Terre et Mercure est a minima de 77 millions de km ! Et pourtant, c’était le « meilleur » scénario.

Scénarios et compromis

Dans l’espace, il existe une infinité de scénarios (et donc de trajectoires) pour voyager d’un point A à un point B. La dynamique de vol permet de déterminer le meilleur, c’est-à-dire celui qui répondra au maximum d’exigences, qui cochera le plus de conditions, de critères : quantité de carburant, coût, durée, objectifs scientifiques... Voire sécurité. Garantir la sécurité est même la condition indispensable lorsque la mission implique des astronautes.

Mais déterminer la meilleure trajectoire spatiale est une affaire de compromis, que ce soit pour celle de la fusée ou de son passager. C’est comme le fait de choisir sur son GPS « itinéraire le plus court » ou « le plus rapide » : prendre l’autoroute peut faire gagner du temps mais ne correspond pas forcément au trajet le plus court en termes de kilomètres. Cocher un critère peut signifier renoncer à un autre. Pour quitter la Terre par exemple, les fusées empruntent souvent la trajectoire qui permet d’emporter le plus de masse, c’est-à-dire des satellites plus gros, ou plusieurs satellites. Le voyage est ainsi plus rentable.

L’assistance gravitationnelle, coup de pouce planétaire

Pour déterminer la trajectoire de BepiColombo, les ingénieurs ont dû prendre en compte une très grosse contrainte : la destination. Car, étonnamment, il est plus simple de se diriger vers les confins de notre Système solaire que vers l’intérieur. En cause, le Soleil et son extraordinaire pouvoir d’attraction. BepiColombo devait s’en approcher (pour rejoindre Mercure, la planète la plus proche de notre astre) mais sans se faire happer. Ce qui se traduit physiquement par la nécessité de freiner suffisamment avant d’arriver dans la banlieue mercurienne. C’est pourquoi la sonde a suivi cette trajectoire tarabiscotée, lui faisant faire pas moins de 18 fois le tour du Soleil et ainsi survoler à neuf reprises des planètes pour bénéficier de l’assistance gravitationnelle.

Cette manœuvre consiste à utiliser la force d’attraction d’une planète (Mercure, la Terre, Vénus…) pour modifier la vitesse et la trajectoire d’une sonde. En clair : la planète attire l’engin, selon le principe de la gravitation, et lui communique en plus une partie de son énergie, la planète étant elle-même en mouvement. On parle d’effet de fronde. Ainsi, selon que l’engin passe devant ou derrière la planète, il est ralenti ou accéléré sans avoir à rallumer ses moteurs. Les ingénieurs ont ainsi utilisé cette manœuvre neuf fois avec BepiColombo : une fois avec la Terre, deux fois avec Vénus et six fois avec Mercure. Des « petits » coups de pouce planétaires qui ont permis à BepiColombo de freiner suffisamment, ce qui aurait été technologiquement impossible en utilisant seulement ses propulseurs.

La dynamique de vol tire ainsi souvent profit de l’environnement naturel : 

• La rotation des planètes autour du Soleil (assistance gravitationnelle)
• Le vent expulsé par le Soleil pour freiner ou faire pivoter un engin, à l’aide d’une voile solaire
• Le champ magnétique de la Terre pour contrôler l’attitude (l’orientation) d’un satellite
• L’atmosphère planétaire pour freiner un atterrisseur

Du monde à la manœuvre

Si la trajectoire est calculée par les ingénieurs avant même la fabrication du satellite, le voyage est ensuite rigoureusement suivi par des équipes, dès sa mise en orbite, et notamment pendant les manœuvres d’assistance gravitationnelle où le survol planétaire requiert un calcul des positions et des vitesses d’une extrême précision... Car une petite erreur, et c’est la sortie de route !

Ainsi, pour chaque mission, des équipes au sol suivent les opérations depuis des centres de contrôle. Des ingénieurs sont en charge notamment de la navigation, c’est-à-dire de déterminer l’endroit précis où se trouve la sonde, à chaque instant, et l’endroit vers lequel elle regarde. C’est mieux, en effet, de savoir où l’on se trouve pour être sûr d’aller dans la bonne direction : l’équipe de navigation de BepiColombo maîtrise ainsi la position de la sonde à 500 mètres près, et sa vitesse au millième de seconde près !

Ces calculs et re-calculs exigent parfois que des opérateurs commandent au satellite ou au vaisseau des petits changements de direction ou de vitesse.

Maîtriser la fin du voyage

Le sixième survol de Mercure, en janvier 2025, a permis à BepiColombo d’arriver au voisinage de Mercure avec une vitesse suffisamment faible pour s’insérer en douceur en orbite autour de la planète. Mais cette ultime phase du voyage reste une étape délicate, là encore prévue et contrôlée par les experts en dynamique de vol. Elle va durer trois mois au cours desquels les moteurs de la sonde seront utilisés pour rapprocher finement BepiColombo de la planète, dans sa rotation autour de celle-ci. C’est seulement après cette étape cruciale que la sonde pourra commencer sa mission scientifique.

Au final, la dynamique de vol recouvre des expertises très diverses, permettant de répondre aux différents types de missions menées dans l’espace : 

• Envoyer des sondes autour d’autres planètes, comme BepiColombo ou JUICE
• Faire atterrir des engins sur d’autres astres (Idefix® sur Phobos, une lune de Mars, dans le cadre de la mission MMX ; Philae sur l’astéroïde Tchoury avec la mission Rosetta ; RAMSES sur Apophis…)
• Amarrer un cargo ravitailleur (ATV) ou une capsule habitée à la Station spatiale internationale à 400 km d’altitude
• Faire s’envoler un ballon stratosphérique
• Déployer des satellites autour de la Terre, avec là encore une grande diversité de profils de mission, selon qu’il s’agisse d’un satellite géostationnaire ou d’une constellation en orbite basse…

Les opérations de désorbitation des satellites en fin de vie nécessitent également l’intervention d’ingénieurs en dynamique de vol.