L'orbite est la trajectoire suivie par un engin autour d'un astre en passant toujours par son équateur. L'orbite d'un satellite est écrite de la manière suivante: périgée x apogée; inclinaison (durée). Le périgée est le point le plus proche de l'astre survolé et l'apogée est le point le plus éloigné. L'inclinaison est l'angle décrit par l'orbite par rapport à l'équateur, sachant que la ligne équatoriale est à une inclinaison de 0°.
Suivant la vitesse à imprimer à la fusée et l'angle choisi, une satellite décrira telle ou telle orbite.
Contrairement à ce qu'un profane pourrait penser, un satellite ne vole pas. Il tombe continuellement autour de la Terre. L'explication est toute simple. Si vous lancez une pierre dans votre jardin, elle suivra une parabole qui l'amènera irrémédiablement au sol ou plus précisément, vers le centre de la Terre. Quelque soit la vitesse à laquelle vous la lancerez, elle finira par retomber tôt ou tard. En cause, la gravité verticale. Pour placer un satellite sur orbite, il est nécessaire de lui imprimer une vitesse minimale pour qu'il puisse en faire le tour complet au moins une fois. C'est ce que l'on appelle la vitesse horizontale. Dans le cas présent, cette vitesse doit approcher 28 440 km/h (7,9 km/s). Pour que le satellite ne soit pas freiné dans sa course par le frottement atmosphérique, il est impératif qu'il soit positionné au-dessus de l'atmosphère, soit au minimum 100 km au-dessus de la Terre, altitude théorique où commence l'espace. Dans la pratique, ce sera pratique ce sera en général au-dessus de 150 km.
Si vous remplissez tous ces critères, vous avez atteint la première vitesse cosmique. Sur une orbite basse, un satellite mettra en moyenne 90 minutes pour faire le tour de la Terre. Plus l'orbite (au minimum l'apogée) sera haute et plus de temps il faudra pour achever une orbite. Par exemple, un satellite de télécommunications placé sur une orbite géostationnaire mettra 24 heures pour accomplir un tour complet de la Terre.
Si vous donnez une vitesse supérieure à 40 000 km/h (11,4 km/s), la gravité terrestre ne sera pas suffisante que pour maintenir votre satellite sous son influence. Il quittera la sphère gravitationnelle pour voyager dans le système solaire. Il s'agit là de la seconde vitesse cosmique. Dans ce cas, le satellite sera soumis à la force d'attraction d'un autre astre, autrement plus imposant, le Soleil. En se déplaçant dans le système solaire, votre satellite « chutera » continuellement vers le centre de notre étoile.
Pour quitter le système solaire, il faut quitter la sphère d'influence du Soleil. Et pour cela, il est nécessaire d'atteindre la vitesse de 42,1 km/s, soit 151 600 km/h.
LEO (Low Earth Orbit): L'orbite terrestre basse est une orbite relativement proche de la surface de la Terre, généralement située à moins de 1 000 km d'altitude mais au-dessus de 160 km afin d'éviter les effets néfastes du frottement atmosphérique qui précipiterait la rentrée des satellites. Contrairement aux satellites GEO, les satellites LEO peuvent circuler sur des orbites inclinées plutôt qu'obligatoirement équatoriales, offrant ainsi plus de possibilités. Cela en fait une option populaire pour les satellites d'observation de la Terre, de recherche, les constellations ou les missions habitées.
Orbite basse décrite par le télescope spatial Hubble à 600 km d'altitude - Crédit Eumetsat/NASA/P. Volvert
MEO (Medium Earth Orbit): La zone des orbites MEO est située entre l'orbite basse et l'orbite géostationnaire tout en offrant aux satellites la même souplesse d'inclinaison que l'orbite LEO. L'utilisation la plus répandue de l'orbite MEO est vouée à la navigation par satellites.
Orbite moyenne décrite par un satellite du réseau GPS à environ 22 000 km d'altitude - Crédit Eumetsat/Lockheed Martin/P. Volvert
L'orbite héliosynchrone est une orbite de type « orbite basse » mais avec la particularité de passer d'un pôle à l'autre plutôt que d'ouest en est. Les satellites circulant sur cette orbite sont synchronisés avec le Soleil, c'est-à-dire qu'ils maintiennent une position constante par rapport au Soleil, ce qui leur permet de toujours passer au-dessus d'un même point à la même heure locale. En maintenant des angles de lumière et d'ombre constants à chaque passage, les satellites en orbite héliosynchrone permettent d'observer les changements qui se sont produits dans les régions survolées. Ces satellites sont souvent positionnés de manière à être continuellement en phase avec le lever ou le coucher du soleil, évitant ainsi toute ombre portée causée par la Terre. Généralement situés entre 600 et 800 km d'altitude, ces satellites se déplacent à une vitesse d'environ 7,5 km/s à 800 km d'altitude.
Orbite héliosynchrone décrite par un satellite de télédétection Sentinel - Crédit Eumetsat/Airbus/P. Volvert
La Russie possède un territoire étendu qui s'étend jusqu'à des latitudes très élevées, ce qui rend difficile la couverture de ces régions par les satellites de télécommunications classiques. Pour y remédier, elle a opté pour l'utilisation de satellites Molniya, placés sur des orbites inclinées d'environ 63° et oscillant entre 600 et 40 000 km d'altitude. Contrairement aux satellites géostationnaires, ces satellites ne sont pas fixés par rapport aux zones à couvrir. Pour assurer une couverture 24h/24, plusieurs engins sont placés sur la même orbite, mais décalés les uns par rapport aux autres, de sorte qu'un satellite prenne le relais lorsque le précédent passe sous l'horizon.
Certains observatoires astronomiques sont placés sur une orbite avec une différence encore plus nette entre le périgée et l'apogée et avec une inclinaison différente en fonction de la mission à accomplir. En choisissant ce type d'orbite particulier, les satellites peuvent limiter leur temps d'exposition dans les zones de haute radiation telles que les ceintures de Van Allen et les deux ceintures toroïdales.
Orbite elliptique décrite par l'observatoire européen XMM Newton - Crédit Eumetsat/ESA/P. Volvert
GTO (Geostationnary Transfert Orbit): orbite intermédiaire dont le périgée se situe entre 200 et 400 km et l'apogée entre 30 000 et 40 000 km avec une inclinaison presque nulle par rapport à l'équateur. C'est sur cette orbite que la plupart des satellites de télécommunications sont lancés par les fusées avant de rejoindre l'orbite définitive en GEO.
Orbite GTO décrite par un satellite de télécommunications - Crédit Eumetsat/Lockheed Martin/P. Volvert
GEO (Geostationnary Earth Orbit): Les satellites en orbite géostationnaire tournent autour de la Terre au-dessus de l'équateur, d'ouest en est. Cette orbite permet aux satellites de se déplacer exactement à la même vitesse que la planète, ce qui les rend apparemment « stationnaires » au-dessus d'une position fixe. Pour être parfaitement synchronisés avec la rotation de la Terre, qui est de 23 heures 56 minutes et 4 secondes, les satellites GEO doivent se déplacer à environ 3 km par seconde à une altitude de 35 786 km. Cette orbite est privilégiée pour les satellites qui doivent rester constamment au-dessus d'une zone spécifique, notamment pour les télécommunications ou la météorologie.
Orbite décrite par un satellite de télécommunications - Crédit Eumetsat/Lockheed Martin/P. Volvert
Comprendre les orbites de Lagrange implique de comprendre le fonctionnement général d'une orbite. L'attraction terrestre et la vitesse de satellisation sont les deux éléments nécessaires pour décrire une orbite. Tout objet lancé retombe sur Terre sous l'effet de la force d'attraction terrestre (ou de tout autre astre). Si l'on projette un satellite avec une vitesse suffisante, telle que 28 000 km/h pour les satellites en orbite autour de la Terre, la force d'attraction est presque annulée. Cela s'applique également à tous les objets dans l'espace qui orbiteront autour de quelque chose. Par exemple, lorsqu'une sonde est envoyée en direction d'une planète, elle décrira une orbite autour du Soleil, qui croisera l'orbite de la planète cible.
Le fonctionnement des Points Lagrange diffère des orbites habituelles. Dans ce cas, le satellite est soumis à l'attraction de deux astres en même temps. L'attraction de l'un est compensée par celle de l'autre, créant ainsi des points d'équilibre appelés Points Lagrange. Il y en a cinq au total, avec les Points L1, L2 et L3 étant instables et les Points L4 et L5 stables. Les Points L4 et L5 sont situés à un angle de 60° par rapport à l'axe reliant les deux astres, et cette configuration est également observée pour les astéroïdes troyens près de Jupiter. Ces derniers sont en effet placés sur la même orbite que la planète, aux Points L4 et L5, qui se trouvent à 60° en avance ou en arrière.
Orbite sur le point Lagrange L2 du satellite WMAP - Dessin NASA
Le type d'orbite final est celui d'évasion, qui survient lorsque la charge utile d'une fusée est propulsée à une vitesse supérieure à 40 000 km/h, dépassant ainsi la force d'attraction de la Terre. L'engin continue ensuite sa trajectoire dans l'espace interplanétaire. Cette orbite est courbe en raison de l'attraction gravitationnelle du Soleil. Les missions robotiques envoyées vers Mars et d'autres planètes utilisent généralement cette orbite. Il s'agit d'une ligne droite entre le point de départ et le point d'arrivée qui est ensuite courbée par la gravité du Soleil.
La trajectoire de la Terre est représentée par une ligne bleue, celle de Mars par une ligne rouge et celle de la sonde par une ligne blanche. Les points TMC (Trajectory Correction Maneuvers) sur la trajectoire vers Mars indiquent les endroits où la sonde devait effectuer des corrections de trajectoire.
Orbite d'évasion décrite par la sonde INSIGHT entre mai 2018 et novembre 2018 - Crédit NASA
Sources