Utilité orbite GTO

[Telog]

Bonjour,
je n'arrive pas a comprendre l'utilité de passer par une orbite géostationnaire de transfert pour mettre une fusée en orbite géostationnaire. J'ai vue que c'était plus économique et que de toute façon même des fusées comme Arianne 5 n'ont pas la capacité de placer directement le satellite à 35 786km. Mais je ne comprend pas pourquoi. En effet, si on suppose que nous somme placé pile sur l'équateur, l'énergie mécanique à apporter pour mettre le satellite sur l'orbite géostationnaire et la même nan?
Dans tout les cas, par rapport au centre de la terre on aura : ΔEm = ΔEc + ΔEpp avec les même valeur de vitesse et d'altitude au début et à la fin.

Donc voilà si vous pouvez m'aider
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[Anathorn]

Salut,

je n'arrive pas a comprendre l'utilité de passer par une orbite géostationnaire de transfert pour mettre une fusée en orbite géostationnaire.

Bon déjà, aucune fusée ne va en géostationnaire (sauf peut-être un jour le starship s'il finit par voler puis à être exploité), c'est seulement sa charge utile qui y va.
Une GTO (orbite de transfert géostationnaire), c'est exactement ce que ça dit : une transition entre soit le sol, soit une orbite basse, ET une orbite GEO (géostationnaire).
Donc une fusée GTO va s'occuper de créer un apogée a 36 000 km d'altitude, sans pouvoir élever le périgée, puisque la fusée s'y trouve au moment où elle crée l'apogée.
Il faut alors attendre d'atteindre l'apogée, les 36 000 km avant de procéder à une nouvelle injection qui va circulariser l'orbite à 36 000 km en rehaussant le périgée de l'autre côté de l'orbite.
Mais rehausser un périgée bas est considérablement moins couteux en impulsion que de créer l'apogée à partir d'une vitesse initiale nulle, c'est sans aucune comparaison.
Lors de la création de l'apogée d'une orbite GTO, on doit injecter ~10 km/s au total à partir du sol (à cause du frein atmosphérique et de la perte par gravité lors du lancement).
Lors de la circularisation, quelques centaines de m/s suffisent.
Donc les satellites peuvent se permettre de le faire par leurs propres moyens avec une motorisation dédiée, la même qui va ensuite lui permettre de faire des corrections régulières pour rester exactement à l'endroit où il doit être afin de couvrir toujours la même zone désirée.
Lors de la mise à poste, donc lors de la circularisation, un satellite GEO consomme ~1/3 des réserves de ses ergols.
On peut ainsi dire que la mise à poste lui coute 1/3 de sa durée de vie, car celle-ci prend fin justement lorsque le satellite n'a plus d'ergols et ne peut plus, en conséquence, rester là où il le doit : il devient un cadavre incontrôlable (sauf à venir ensuite le chercher avec un remorqueur, ce qui a déjà été fait).
Depuis un grand nombre d'années (ça doit remonter au tout début du siècle), les satellites GEO gardent une petite réserve pour qu'à la fin de leur vie, ils mettent une petite impulsion afin de sortir, vers l'extérieur, de cette orbite GEO (en augmentant l'altitude) pour ne pas l'encombrer avec des cadavres qui pourraient poser des problèmes aux futures générations de satellites GEO.

En résumé, quand tu es à Quimper (la base d'où part la fusée) et que tu veux aller à Strasbourg (la position précise, unique et parfaitement stable, dans un repère terrestre, du satellite GEO a poste final), tu es bien obligé de faire un trajet Quimper / Strasbourg.
C'est ça un tir GTO : le trajet Quimper / Strasbourg.
C'est le job de la fusée.
Le satellite se contente de mettre un coup de frein avant la sortie d'autoroute de Strasbourg alors que la fusée a assuré tout le reste du voyage.

[Telog]

Si j'ai bien compris c'est la fusée qui permet d'injecter environ 10km/s au satellite et lui donne une orbite elliptique ou l'apogée est situé à l'altitude géostationnaire voulue et le périgée qui correspond à une orbite basse choisis (supérieur à 200km pour pouvoir être en orbite). Mais si on laisse la fusée et le satellite attaché, comme dans le cas d'un objet en orbite (au delà de l'atmosphère, donc sans frottement) la masse n'influe pas, la trajectoire du système {fusée et satellite} serait la même que celle du satellite. Ainsi, on pourrait tout à fait monter la fusée sur l'orbite géostationnaire et il ne resterait plus qu'à circularisé l'orbite. Dans ce cas ca revient à faire monter la fusée sur l'orbite géostationnaire et après à libérer le satellite et ca ne change rien nan? Il doit y avoir une grosse erreur quelque part dans tout ca

[Anathorn]

Si j'ai bien compris c'est la fusée qui permet d'injecter environ 10km/s au satellite et lui donne une orbite elliptique ou l'apogée est situé à l'altitude géostationnaire voulue et le périgée qui correspond à une orbite basse choisis (supérieur à 200km pour pouvoir être en orbite).

C'est ça, à la différence qu'on ne choisit pas le périgée, il s'impose : on n'a pas de moyen efficace (en termes de rendement énergétique, à cause de la loi des aires de Kepler) de le modifier avant d'être à son opposé : l'apogée.
Le périgée se situe donc peu ou prou à l'altitude d'où on a décollé (donc ~ sur la surface terrestre) pendant tout le vol GTO, même lorsqu'on atteint l'apogée et bien entendu avant de circulariser l'orbite à l'apogée.
Mais dans ce cadre de mission spatiale, "on s'en moque", pour parler court, du périgée, vu que le satellite n'y retournera jamais plus, car il va circulariser à l'apogée.
Donc, même si le périgée de l'orbite du satellite est sous la surface terrestre (ce qui est le cas le plus commun) une fois que la fusée a procédé et finalisé la poussée GTO, ça ne pose aucun problème.
De toute façon, il sera rehaussé en arrivant à l'apogée avec la poussée de circularisation opérée par le satellite, qui ne reverra jamais plus la surface terrestre, sauf dans quelques dizaines voir centaines de millions d'années éventuellement (a cette altitude très importante, 36 000 km, il n'y a plus d'atomes atmosphériques qui peuvent freiner).
C'est d'ailleurs un souci car, du coup, chaque objet supplémentaire posé sur cette orbite est un déchet de plus qui va définitivement, pour toute la durée d'existence de l'espèce humaine et même bien au delà (excuse du peu ^^) y rester, excepté si on vient nous même les enlever (ce qui commence à devenir d'actualité d'ailleurs, pour les plus vieux d'entre eux qui n'ont pas les moyens d'en sortir pour faire de la place aux nouveaux...).
Désormais (depuis pas loin de 20 ans, je crois), tous les satellites GEO gardent une réserve de coco pour sortir de cette précieuse orbite à la fin de leur vie, afin de ne pas l'encombrer avec un objet devenu inutile, en venant se placer sur une orbite "cimetière".

Mais si on laisse la fusée et le satellite attaché, comme dans le cas d'un objet en orbite (au-delà de l'atmosphère, donc sans frottement) la masse n'influe pas, la trajectoire du système {fusée et satellite} serait la même que celle du satellite. Ainsi, on pourrait tout à fait monter la fusée sur l'orbite géostationnaire et il ne resterait plus qu'à circularisé l'orbite.

Il y a un détail fondamental que tu ne cites pas : la fusée est à étage et 90% au minimum de sa masse (c'est souvent plus proche des 95%) est constituée d'ergols qui seront consumés à la fin de l'injection GTO et des réservoirs qui les contenaient.
Ce qui va partir vers l'orbite GEO, ce n'est donc qu'une infime et ridicule fraction de la masse de la fusée d'origine, car tout aura été brulé avant, et elle aura perdu ses étages au cours de son accélération.
Seul le dernier étage (vide) de la fusée va accompagner le satellite jusqu'à l'orbite GEO, simplement parce qu'il est parti avec elle, au moment de la coupure des moteurs d'injection GTO.
Mais lui, ce dernier étage, va ensuite redescendre jusqu'au périgée, car rien ne va le freiner lorsqu'il va arriver à l'apogée : le satellite va accélérer pour circulariser l'orbite, alors que l'étage de fusée va redescendre vers l'atmosphère terrestre pour y bruler plutôt que de rester à l'orbite GEO où il constituerait un débris de plus !

Je suppose que tu vois mieux la logique de cette procédure : ne pas laisser de déchets inutiles sur l'orbite si fine et si précieuse qu'est l'orbite géostationnaire.
C'est pour ça que le satellite assure seul la poussée de circularisation, pour que le reste qui ne sert à rien (le dernier étage de la fusée) retombe, lui, pour se faire détruire au périgée par l'atmosphère.
Sinon on aurait deux fois plus d'objet à l'orbite GEO pour rien.
Et c'est une orbite très prisée, mais très très fine, sur laquelle on va éviter de laisser trainer des débris inutiles dont on peut aisément se passer.

Sinon, pour circulariser l'orbite du satellite, c'est quand même plus que les "quelques" centaines de m/s que je cite au-dessus. Je viens de vérifier et c'est 1.6 km/s (donc "16 centaines" quand même...) que doit injecter le satellite (avec son moteur perso) pour circulariser l'orbite GEO.

Il doit y avoir une grosse erreur quelque part dans tout ca

Pas d'erreurs non, simplement un petit besoin d'un éclairage supplémentaire pour remettre en place toutes les pièces de ce puzzle assez compliqué, mais d'une logique imparable quand on dispose de toutes les pièces.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Telog]

Désolé pour cette absence. Merci beaucoup pour ces réponses, j'y vois plus clair. Il me reste deux petites questions:

-premièrement pourrait t-on imaginer une trajectoire GTO parfaitement verticale (on part et on retombe au même endroit) pour mettre un satellite en orbite. J'imagine que la vitesse initiale que l'on a à l'équateur qui n'est pas vertical empêche ca, mais peut-être au niveau des pôle. De plus, j'imagine qu'une fois sur l'orbite voulue (du coup pas géostationnaire si on a du partir des pôles) il sera nécessaire de s'arrêter totalement et d'injecter toute la vitesse dont on a besoin pour l'orbite à partir de la. Ce n'est donc absolument pas rentable niveau économique.

-Ensuite les satellites géostationnaires sont en général mis en orbite par une orbite GTO directement ou passe t-il généralement par une orbite basse?

[Dakitess]

Pour le premier point, une grimpette à la verticale devrait être globalement possible depuis n'importe quel point si le lancement prend le parti de compenser la fronde naturelle de rotation de la terre sur elle même, mais comme tu le dis, j'ai beaucoup de mal à voir l'application que cela pourrait avoir, il faudrait ensuite effectivement donner toute l'impulsion de vitesse latérale, celle qui te permet de former l'orbite et d'y rester, et c'est de loin elle qui est la plus grande consommatrice, bien davantage que le vecteur vertical. Et procédant ainsi, ce serait globalement la pire trajectoire possible, maximisant notamment les pertes pas gravité que l'on souhaite réduire au maximum, et qui s'exprime pour chaque seconde de poussée ne se conservant pas.

A l'inverse, le Gravity Turn que l'on peut voir sur les très belles photos de lancement en exposition longue, correspond à la trajectoire idéale moyennant les contraintes évidentes d'un lancement, en réduisant autant que possible les pertes par gravité, les pertes par frottement, et les pertes par désaxe du vecteur cinétique.

Pour ta deuxième question, je pense que oui, mais je ne serais pas surpris qu'il en aille autrement pour certains cas spécifiques. La perte énergétique à le faire en 2 fois est plutôt minime, même si généralement on fait clairement la chasse à ce genre de perte. Cela dit, le principal bémol de cette injection en deux temps avec d'abord une orbite de Parking, puis une GTO, puis une circularisation, c'est que cela implique un démarrage moteur en plus, et ça, c'est soit techniquement très contraint avec un nombre de réallumage non compatible pour le moteur en cours, soit peu souhaitable avec le risque non négligeable d'un non allumage mettant fin à la mission.

[Anathorn]

-premièrement pourrait t-on imaginer une trajectoire GTO parfaitement verticale (on part et on retombe au même endroit) pour mettre un satellite en orbite.

La réponse est simple : non.
Sans la moindre nuance, un non clair et définitif.
La gravitation, ça ne fonctionne pas comme ça.
La ligne droite est une invention humaine pour décrire des phénomènes a son échelle, mais la ligne droite ne peut pas exister en matière de trajectoire spatiale.
Le problème, c'est que si j'ai a te préciser ça, ça signifie qu'il te manque un bagage considérable sur ce qu'est la gravitation, sur ce que sont des géodésiques.
Mais la ligne droite, ça n'existe pas.
Si on voulait "forcer" la ligne droite, ça demanderait une énergie absolument considérable pour corriger en permanence la trajectoire, une énergie qui correspondrait à des milliers de fois, voir plus, de ce qu'il faut pour se rendre sur une orbite géostationnaire.
Donc on oublie la ligne droite.

-Ensuite les satellites géostationnaires sont en général mis en orbite par une orbite GTO directement ou passe t-il généralement par une orbite basse?

l'injection est directe entre autre parce que c'est moins cher en Delta-v.
Sans parler de la plus grande complexité technique.
Donc inutile de passer par une orbite de parking pour tirer une charge en GTO.
C'est aussi utile que de faire le tour de ta maison en voiture avant d'aller faire tes courses