L'assistance gravitationnelle : emprunter de la vitesse aux planètes
Comment une sonde peut-elle accélérer, ou freiner, sans brûler de carburant ? En frôlant une planète au bon moment. Mariner 10, Voyager, Cassini, BepiColombo et Juice ont tous emprunté ce raccourci.
Il existe un moyen de changer la vitesse d'une sonde sans allumer son moteur : la faire passer tout près d'une planète, sur une trajectoire calculée au kilomètre près. En quelques heures, la sonde peut gagner ou perdre plusieurs kilomètres par seconde. Cette manœuvre, l'assistance gravitationnelle, a rendu possibles la plupart des grandes missions vers les planètes lointaines. Elle a pourtant l'air d'un tour de passe-passe : comment l'attraction d'une planète, qui attire la sonde à l'aller puis la retient au départ, pourrait-elle lui donner de la vitesse ?
Une affaire de référentiel
La clé est de changer de point de vue. Vue depuis la planète, la sonde arrive de loin, se courbe autour d'elle puis repart : elle ressort avec exactement la même vitesse qu'à l'arrivée. Seule sa direction a changé. L'attraction l'a accélérée à l'approche et ralentie à l'éloignement, et le bilan est nul.
Mais la planète elle-même se déplace autour du Soleil. Dans le référentiel du Soleil, il faut ajouter à la vitesse de la sonde celle de la planète, \vec V_p :
\vec v = \vec V_p + \vec u
où \vec u est la vitesse de la sonde vue depuis la planète. La norme de \vec u est la même à l'entrée et à la sortie, mais sa direction a tourné. Si la sonde ressort orientée dans le sens du mouvement de la planète, les deux vitesses s'ajoutent, et elle a gagné de la vitesse par rapport au Soleil. Dans le cas le plus favorable, le gain approche le double de la vitesse orbitale de la planète. Une balle de tennis lancée contre l'avant d'un train qui arrive repart plus vite qu'elle n'est venue : l'idée est la même, la gravité jouant le rôle du rebond.
Rien n'est gratuit : la planète perd exactement la quantité de mouvement gagnée par la sonde. Mais sa masse est si gigantesque que son ralentissement est imperceptible. À l'inverse, en passant devant la planète plutôt que derrière, la sonde perd de la vitesse : l'assistance sert aussi à freiner.
Mariner 10, la première
L'idée avait été entrevue par les pionniers de l'astronautique, comme Iouri Kondratiouk vers 1918-1919 et Friedrich Zander en 1925, puis formalisée par Michael Minovitch en 1961. Sa première démonstration revient à la sonde américaine Mariner 10, lancée le 3 novembre 1973. Le 5 février 1974, elle frôle Vénus, dont la gravité la dévie vers Mercure : c'est la première sonde à utiliser l'attraction d'une planète pour en atteindre une autre. Elle survole ensuite Mercure trois fois, en mars 1974, en septembre 1974 et en mars 1975.
Voyager et Cassini, le billard du Système solaire
En 1964, l'ingénieur Gary Flandro, du Jet Propulsion Laboratory, remarque qu'un alignement des planètes géantes, qui ne revient qu'environ tous les 175 ans, permettra à la fin des années 1970 de passer de l'une à l'autre. D'après ses calculs, la durée d'un tel périple tombait d'une quarantaine d'années à moins de dix. Voyager 2 profite de l'occasion : elle survole Jupiter en 1979, Saturne en 1981, Uranus en 1986 et Neptune en 1989, douze ans après son lancement.
Cassini, lancée le 15 octobre 1997 vers Saturne, a gagné son élan en enchaînant quatre survols : Vénus en 1998 et 1999, la Terre en 1999, puis Jupiter en 2000. Elle arrive à Saturne en 2004 et l'étudie jusqu'en 2017.
BepiColombo et Juice : freiner ou accélérer
Pour atteindre Mercure, il faut au contraire freiner, car une sonde qui tombe vers le Soleil prend de la vitesse. La mission européano-japonaise BepiColombo combine ses moteurs ioniques avec neuf survols planétaires, un de la Terre, deux de Vénus et six de Mercure, pour perdre assez d'énergie et se faire capturer par la planète, ce qui est prévu en novembre 2026.
La sonde européenne Juice, lancée le 14 avril 2023 vers Jupiter, a réalisé les 19 et 20 août 2024 un survol inédit de la Lune puis de la Terre, à un jour d'intervalle. Elle a survolé Vénus le 31 août 2025 ; un nouveau survol de la Terre était programmé fin septembre 2026, et un dernier en janvier 2029, avant l'arrivée à Jupiter prévue en juillet 2031.
Une cousine de cette technique est l'effet Oberth : une même poussée de moteur rapporte d'autant plus d'énergie qu'elle est donnée à grande vitesse, d'où l'intérêt d'allumer son moteur au plus près d'un astre massif.
Et sur Terre ?
Les survols de la Terre servent aussi à tester les instruments sur une cible parfaitement connue ; en 2024, Juice en a profité pour observer la Terre et son environnement. Surtout, chaque kilomètre par seconde gagné sans carburant permet d'utiliser un lanceur plus petit ou d'emporter davantage d'instruments.
Pour aller beaucoup plus vite, certains concepts misent sur l'effet Oberth au voisinage du Soleil : plonger très près de lui puis allumer un moteur au point le plus proche. Il faut alors des boucliers capables de résister à des températures extrêmes, faits de céramiques ultraréfractaires qui serviraient aussi les fours de la sidérurgie et de la verrerie (voir la marche C-MAT-03). Même ainsi, les planètes et le Soleil ne donnent que quelques dizaines de kilomètres par seconde : pour les étoiles, il faudra trouver d'autres élans.