L'essentiel à connaître
L'exploration spatiale commence le 4 octobre 1957 : l'URSS met en orbite Spoutnik 1, le premier satellite artificiel. Le 12 avril 1961, Youri Gagarine devient le premier humain dans l'espace, en faisant le tour de la Terre. En juillet 1969, Apollo 11 pose Neil Armstrong, puis Buzz Aldrin, sur la Lune ; Michael Collins reste en orbite lunaire (CNES).
L'ISS (Station spatiale internationale) est habitée en permanence depuis novembre 2000, à environ 400 km d'altitude. Par convention, l'espace commence à 100 km (ligne de Kármán), mais l'air se raréfie peu à peu, sans frontière nette. L'Europe lance ses fusées depuis Kourou, en Guyane, près de l'équateur, là où le sol tourne le plus vite avec la Terre.
Mars doit sa couleur rouge à une poussière riche en oxyde de fer, comme la rouille. Sa gravité vaut 38 % de celle de la Terre, soit $g \approx 3{,}7$ N/kg (CNES). Le 19 avril 2021, l'hélicoptère Ingenuity, venu avec le robot Perseverance, y réussit le premier vol motorisé et contrôlé sur une autre planète.
Une fusée avance en éjectant des gaz vers l'arrière : d'après le principe des actions réciproques, les gaz la poussent vers l'avant, même dans le vide. Un satellite est en chute libre : seule l'attraction de la Terre agit sur lui et courbe sa trajectoire. Les astronautes de l'ISS flottent parce qu'ils tombent avec la station. Le mouvement des satellites est au programme de terminale, en spécialité physique-chimie (Bulletin officiel).
Formule : en orbite circulaire à l'altitude $h$, le rayon de l'orbite vaut $r = R_T + h$ ($R_T$ : rayon de la Terre) et la vitesse $v = \sqrt{\dfrac{G\,M_T}{r}}$ ($G$ : constante de gravitation, $M_T$ : masse de la Terre). Troisième loi de Kepler : $\dfrac{T^2}{r^3}$ a la même valeur pour tous les satellites de la Terre ($T$ : période, la durée d'un tour). Poids : $P = m\,g$. Durée de trajet d'un signal : $t = \dfrac{d}{c}$, avec $c = 3{,}00 \times 10^{8}$ m/s.
Piège classique : ne confonds pas masse et poids. La masse, en kg, reste la même partout ; le poids, en N, change avec $g$. Et la masse du satellite n'apparaît pas dans $v$ : $M_T$ est celle de la Terre.
Quiz : teste tes connaissances
Les questions montent en difficulté ; les trois dernières sont les plus piégeuses.
Question 1 : Quel engin devient, le 4 octobre 1957, le premier satellite artificiel de la Terre ?
Réponse : C. Spoutnik 1 est lancé par l'URSS. Le piège, Explorer 1, est le premier satellite américain, lancé en 1958.
Question 2 : Qui devient le premier humain dans l'espace, le 12 avril 1961 ?
Réponse : A. Gagarine fait le tour de la Terre à bord de Vostok 1. Le piège, Alan Shepard, premier Américain dans l'espace le 5 mai 1961, ne fait pas le tour de la Terre.
Question 3 : En juillet 1969, Apollo 11 se pose sur la Lune. Qui y marche le premier ?
Réponse : D. Neil Armstrong descend le premier, Buzz Aldrin le suit peu après. Le piège, Michael Collins, ne s'est pas posé : il est resté en orbite autour de la Lune.
Question 4 : D'où vient la couleur rouge de Mars ?
Réponse : B. Le fer des roches martiennes s'est oxydé, comme de la rouille. Le piège A ne tient pas : son atmosphère est surtout faite de dioxyde de carbone, un gaz incolore.
Question 5 : À quelle altitude environ tourne l'ISS ?
Réponse : D. L'ISS vole vers 400 km et boucle un tour de la Terre en 90 minutes environ. Le piège, 36 000 km, est l'altitude des satellites géostationnaires, qui font un tour par jour.
Question 6 : Comment une fusée accélère-t-elle dans le vide, sans air sur lequel s'appuyer ?
Réponse : C. C'est le principe des actions réciproques : la fusée pousse les gaz vers l'arrière, les gaz la poussent vers l'avant. Le piège A suppose un appui extérieur, dont la fusée n'a pas besoin.
Question 7 : Pourquoi l'Europe lance-t-elle ses fusées depuis Kourou, près de l'équateur ?
Réponse : A. À l'équateur, le sol parcourt le plus grand cercle en un jour, donc va le plus vite, et la fusée garde cet élan. Le piège B est faux : l'attraction terrestre ne s'arrête à aucune altitude.
Question 8 : Le 19 avril 2021, l'hélicoptère Ingenuity réussit sur Mars une première. Laquelle ?
Réponse : B. Ingenuity est le premier engin à voler avec un moteur, de façon contrôlée, sur une autre planète. Le piège A est faux : Viking 1 s'y était déjà posé en 1976.
Question 9 : Que désigne la ligne de Kármán, à 100 km d'altitude ?
Réponse : C. C'est une convention : l'air se raréfie peu à peu, sans bord net. Le piège A imagine donc une frontière qui n'existe pas.
Question 10 : L'ISS tourne à l'altitude $h = 400$ km. Données : $G = 6{,}67 \times 10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2\cdot\text{kg}^{-2}$, $M_T = 5{,}97 \times 10^{24}$ kg, $R_T = 6\,371$ km. Quelle est sa vitesse ?
Réponse : D. $r = R_T + h = 6{,}771 \times 10^{6}$ m, donc $v = \sqrt{\dfrac{6{,}67 \times 10^{-11} \times 5{,}97 \times 10^{24}}{6{,}771 \times 10^{6}}} \approx 7{,}67 \times 10^{3}$ m/s, soit environ 27 600 km/h. Le piège A oublie l'altitude ; B prend $r = h$ ; C laisse $r$ en kilomètres.
Question 11 : Mars est en moyenne à $2{,}25 \times 10^{8}$ km de la Terre. Combien de temps met alors un signal radio pour l'atteindre ? On prend $c = 3{,}00 \times 10^{8}$ m/s.
Réponse : B. On convertit : $d = 2{,}25 \times 10^{11}$ m. Donc $t = \dfrac{d}{c} = \dfrac{2{,}25 \times 10^{11}}{3{,}00 \times 10^{8}} = 750$ s, soit $12{,}5$ min. Le piège A oublie de convertir les kilomètres en mètres ; C confond 750 s avec 7 min 50 s.
Question 12 : Deux satellites $S_1$ et $S_2$ tournent autour de la Terre sur des orbites circulaires. Le rayon de l'orbite de $S_2$ vaut 4 fois celui de $S_1$. Combien de fois sa période est-elle plus grande ?
Réponse : A. D'après la troisième loi de Kepler, $T_2^2 = 4^3 \times T_1^2 = 64\,T_1^2$, donc $T_2 = 8\,T_1$. Le piège C oublie la racine carrée ; B croit la période proportionnelle au rayon.
Question 13 : Pourquoi les astronautes flottent-ils dans l'ISS, à 400 km d'altitude ?
Réponse : D. Ils sont en chute libre, comme la station : rien ne les plaque au plancher. Le piège A est faux : à 400 km, l'attraction terrestre vaut encore environ $8{,}7$ N/kg, près de 90 % de sa valeur au sol.
Question 14 : Un astronaute a une masse de 80 kg. Sur Mars, où $g = 3{,}7$ N/kg, que valent sa masse et son poids ?
Réponse : A. La masse ne change pas : 80 kg partout. Le poids vaut $P = m\,g = 80 \times 3{,}7 = 296$ N. Le piège B fait baisser la masse : c'est ce qu'afficherait un pèse-personne réglé pour la Terre.
Question 15 : Deux satellites de 500 kg et de 5 000 kg tournent sur la même orbite circulaire. Que dire de leurs vitesses ?
Réponse : C. Dans $v = \sqrt{\dfrac{G\,M_T}{r}}$, $M_T$ est la masse de la Terre : celle du satellite n'y figure pas. Même orbite, même $r$, donc même vitesse. Le piège D met la masse du satellite à la place de $M_T$, d'où $\sqrt{10} \approx 3{,}2$.
Sources
CNES, « Les missions habitées qui ont marqué l'histoire » et « La planète Mars » ; ministère de l'Éducation nationale, « Programme de physique-chimie de terminale générale », Bulletin officiel.