Exploration spatiale

Illustration du vaisseau-obus décrit par Jules Verne.

Les rêves d'exploration de l'espace sont intimement liés à l'astronomie. En effet, l'observation et la compréhension du ciel fut primordial pour les premières civilisations humaines dans un but utilitaire, pour l'agriculture ou l'établissement de calendriers, mais aussi dans un but philosophique. Pour rechercher les réponses à des questions sur notre provenance, sur la raison de notre existence, et sur notre place dans l'univers, l'étude des astres et du cosmos est nécessaire. Deux solutions sont accessibles à l'humanité, la première étant d'observer les astres depuis la Terre et de comprendre leur mouvement par le biais d'outils mathématiques : c'est l'astronomie.

La deuxième solution est d'aller voir sur place et d'étudier les astres de près ; c'est ce qui deviendra plus tard l'exploration spatiale. Dès l'antiquité on retrouve des récits imaginant la présence de civilisations extraterrestres vivant sur la Lune. En l'an 125, Lucien de Samosate écrit Une histoire vraie dans laquelle il relate les aventures d'Ulysse qui voyage vers la Lune où il assiste à une guerre entre les habitants de la Lune et du Soleil. L'ouvrage est cependant destiné à dépeindre la société de l'époque[1].

C'est dans la Chine médiévale que l'on retrouve les premières fusées, dont les premiers écrits remontent à 1232. Maitres de la poudre à canon, les armées chinoises utilisaient ces petits tubes comme missiles lors des batailles. On y retrouve également trois siècles plus tard la légende de Wan Hu qui tenta de rejoindre la Lune sur une chaise propulsée par 47 fusées à poudre. Plus tard au XVIIe siècle, Savinien de Cyrano de Bergerac écrit des nouvelles dépeignant d'hypothétiques sociétés vivant sur la Lune et le Soleil. Là encore l'objectif est de proposer un regard sur la société humaine[2].

Il faut attendre le XIXe siècle pour voir apparaitre les premiers ouvrages plus techniques et anticipatifs. L'exemple le plus populaire est le roman De la Terre à la Lune où Jules Verne décrit le voyage spatial dans un vaisseau habité tiré comme un projectile par un grand canon de type Columbiad. L'auteur, par son approche scientifique, y décrit de manière inédite le phénomène d'impesanteur produit par l'inertie du vaisseau, phénomène qui sera vécu un siècle plus tard par Youri Gagarine en 1961. Le reste du siècle foisonne d'œuvres littéraires moins connues qui imaginent des enjeux et des techniques de voyage spatial qui deviendront réalité au siècle d'après.

Au début du XXe siècle, les connaissances en physique sont suffisantes pour élaborer sérieusement des techniques de voyage spatial. C'est ce que fait Constantin Tsiolkovski, un instituteur russe qui pose les bases des moteurs-fusées à réaction, de la mise en orbite, des fusées à étage, de la combustion d'ergols et des stations spatiales[1]^,[3]. Cependant il ne passera pas à la pratique. Ce sont d'autres pionniers comme Robert Goddard qui développeront les premières fusées à carburant liquide dans les années 20. Ces engins pouvaient décoller à plusieurs mètres de haut[4]. A cette époque, Tsiolkovski est tombé dans l'oubli, et Goddard est moqué dans son pays, les États-Unis.

Robert H. Goddard posant avec sa fusée à ergols liquides en 1926.

Les passionnés de technologie de l'époque se réunissent dans des sociétés astronautiques pour développer ces fusées, sur des financements privés grâce à des mécènes. Leur but est à terme d'atteindre l'espace, et leur fusées atteignent à l'époque plusieurs centaines de mètres d'altitude. En URSS de telles sociétés se forment mais peinent à perdurer en raison des dissensions, de plus certains de leurs membres sont victimes des purges staliniennes. Ainsi le jeune ingénieur Sergei Korolev est capturé et est envoyé dans la prison de Boutyrka jusqu'en 1944[5].

C'est en Allemagne que se poursuivront les recherches sur la propulsion. La Verein für Raumschiffahrt est une société astronautique fondée par Johannes Winkler à laquelle adhèrent entre autres Hermann Oberth et Wernher von Braun, alors que ce dernier n'est qu'étudiant. Hermann Oberth, comme Goddard, est un pionnier de l'astronautique. Il développe dans les années 20 des prototypes de fusée ainsi que des ouvrages théoriques sur le voyage spatial. Ses idées sont mieux reçues et vont jusqu'à être testées pour la propulsion des voitures[6]. Cependant, l'arrivé du régime nazi au pouvoir en 1933 interdit toute recherche civile sur les fusées. Afin de poursuivre leurs travaux, les membres de la société astronautique rejoignent l'armée allemande[7].

C'est au sein de cette armée allemande que les plus gros progrès ont lieu. L'armée perçoit le potentiel militaire de ces technologies. Contrairement aux obus qui son propulsés momentanément par une explosion, un missile est un engin auto-propulsé. Ainsi il peut devenir une arme avec une portée bien plus élevée que l'artillerie alors utilisée à l'époque. L'Allemagne développe la gamme de missile Aggregat avec comme objectif de pouvoir bombarder ses ennemis sans envoyer d'aviation et sans nécessité de concevoir des canons d'artillerie démesurément grands. Le projet démarre avec la conception de l'Aggregat 1 (A1) en 1933 par Wernher von Braun, fraichement sorti de sa société astronautique. Les projets iront jusqu'à l'A12, projet de fusée orbitale pouvant alors livrer une ogive n'importe où sur la planète[8].

Les nazis iront jusqu'au modèle A4, l'autre nom du missile V2 qui devient le premier missile balistique opérationnel lors de son premier usage pour le combat, le 8 septembre 1944. Le 20 juin 1944, il devient également le premier objet à franchir la ligne de Kármán, devenant le premier engin spatial de l'histoire, même si cette limite n'existe pas encore à l'époque[9].

Après la fin de la seconde guerre mondiale, les troupes alliées découvrent les technologies allemandes, alors bien en avance sur leur temps[10]. Parmi elles, les technologies du V2. Les grandes puissances veulent elles aussi à leur tour des missiles ballistiques, alors que la guerre froide débute. Les alliés récupèrent tout ce qui est possible : documentation, technologie et ingénieurs allemands, et se lancent dans l'étude des V2 et le développement de missiles et de technologies de propulsion. Ainsi Wernher von Braun est récupéré par l'armée américaine lors de l'opération Paperclip[11]. L'URSS de son coté libère les anciens ingénieurs des sociétés astronautiques, dont Sergeï Korolev.

Les américains délèguent la recherche aux différents corps d'armée et aux laboratoires de recherche comme le Jet Propulsion Laboratory. Sont développés les missiles Thor, Vanguard, Redstone ou encore Titan. Les chercheurs soviétiques reproduisent à leur manière la V2, et la renomme R-1, (pour Roquette 1). La R-1 évolue avec le temps grâce à Korolev jusqu'à la R-7, premier missile soviétique capable d'envoyer une charge utile en orbite, qui enverra Spoutnik 1 en 1957[12]. Le développement astronautique s'articulera pendant des années autour de la confrontation de la Guerre Froide.

Si au début des années 50, les soviétiques ne voient pas le potentiel scientifique de ces nouvelles technologies, les américains utilisent, en parallèle du développement militaire, des V2 et des fusées Viking comme fusée-sonde pour la recherche en haute atmosphère. James Van Allen est un chercheur en astrophysique spécialisé dans les rayons cosmiques. A cette époque il fait partie de ceux qui utilisent les missiles pour la recherche, en remplaçant la charge explosive par du matériel de mesure. Conscient du potentiel scientifique de ces engins, il réuni quelques uns de ses confrères pour proposer l'idée d'une Année Géophysique Internationale (AGI). L'idée est de créer un événement, basé sur le principe de l'année polaire internationale, où les pays participants coordonneraient leurs recherches sur les sciences de la Terre[13]^,[14]. En 1952 le projet est déposé au Conseil International des Unions Scientifiques[15]. L'AGI se déroulera sur la période 1957-1958, durant un maximum d'activité solaire, et verra entre autres la création de bases scientifiques en Antarctique.

66 pays acceptent la participation, dont les USA. Staline, lui, préfère focaliser la recherche soviétique sur les missiles ; cependant à sa mort, les dirigeants reviendront sur sa décision et accepteront la participation. En 1955, les États-Unis annoncent publiquement l'envoi d'un satellite artificiel dans le cadre de l'AGI, grâce à leur projet Vanguard, motivés par les répercussions médiatiques que cela pourrait apporter[16]. L'URSS réplique avec la même annonce le lendemain[1].

Spoutnik 1

Coté soviétique, Korolev commence à travailler sur un premier concept de satellite, nommé Objet-D[17]. Ce satellite de plus d'une tonne doit être capable de mesurer plusieurs propriétés physiques, comme les vents solaires, les radiations ou le champ magnétique. Mais le concept est trop ambitieux, il sera lancé plus tard sous le nom de Spoutnik-3. Le satellite PS-1 (pour Простейший Спутник-1), bien plus léger (83 kg), est conçu en remplacement. Nommé plus simplement Spoutnik 1, il servira de charge test pour le missile R-7. Il décolle le 4 octobre 1957 depuis ce qui deviendra le cosmodrome de Baïkonour. Spoutnik-1 devient le premier satellite artificiel à orbiter autour de la planète. Khrouchtchev prend conscience de l'influence médiatique d'un tel succès, et décide de retenter l'exploit un mois plus tard[18]. Le 3 novembre 1957, la chienne Laïka devient le premier être vivant en orbite pour la mission Spoutnik-2 (à la suite de précédentes missions ayant envoyé des êtres vivants dans l'espace, en vol sub-orbital). La course militaire à l'espace devient une course au soft-power.

Coté américain, le programme Vanguard essuie les échecs. Ce programme avait été choisi au détriment du projet Orbiter de l'US Army, car le président Eisenhower voulait un projet civil, financé en partie par la National Science Fundation[19]. Cependant le projet Orbiter, mené par Von Braun est choisi en hâte après les deux réussites soviétiques de fin 1957, et après l'échec de la première tentative de mise en orbite de Vanguard TV3 en décembre 1957, ne pesant pourtant que 1,5 kg contre les 500 kg de Spoutnik-2. L'armée de terre modifie son missile Redstone pour l'envoi d'une charge scientifique, et conçoit le lanceur Jupiter-C renommé en Juno-1. La charge utile est conçue par William Pickering. Nommée Explorer 1, elle vise le même objectif que Spoutnik-1 : mettre en évidence les ceintures de Van Allen. Le lancement réussi est confirmé le 1er février 1958. Néanmoins il faudra attendre Explorer 3, plus tard la même année, pour réellement mettre en évidence les ceintures de radiation[20].

La course à l'espace devenue une course médiatique, l'URSS et les USA lancent la course à la Lune dès 1958. L'objectif premier est d'envoyer une petite sonde vers le satellite naturel. L'enjeu n'est plus seulement d'atteindre une vitesse orbitale, mais de réussir la manœuvre de transfert entre l'orbite basse et l'altitude lunaire. L'armée américaine conçoit au printemps 1958 la sonde Able. Renommée Pioneer 0, elle explose au lancement le 17 Aout 1958[21].

Entre temps, le gouvernement américain décide de centraliser la recherche et le développement des technologies spatiales civiles, dans un soucis d'efficacité[22]. La National Aeronautics and Space Administration (NASA) est mise en place le 29 juillet 1958, et assure dès sa création le lancement de Able II pour la mission Pioneer 1. Le lancement se passe bien, la sonde monte à 114 000 km d'altitude, mais ne parvient pas a atteindre la Lune[21]. En parallèle, les soviétiques conçoivent également un programme lunaire, avec notamment la sonde Ye-1 qui doit s'écraser sur le sol sélène. Au cours de l'année 1958 les lancements et les échecs s'enchainent des deux cotés[21].

Ye-1 sera lancé avec succès vers la Lune le 2 janvier 1959 sous le nom de Luna 1. La sonde ne parvient pas à toucher la Lune, elle suit une trajectoire de survol à 7000 kilomètres au dessus du satellite, avant de quitter l'influence gravitationnelle terrestre vers une orbite héliocentrique[21]. Luna 1 devient alors la première sonde interplanétaire de l'histoire.

Les lancements scientifiques et militaires s'enchainèrent dans les années suivantes. Les jalons continuèrent d'être franchis en premier par les soviétiques, comme le premier objet à toucher le sol lunaire avec Luna 2, la première photo de la face cachée de la Lune avec Luna 3[21] ou encore le retour sain et sauf des chiennes Strelka et Belka depuis l'orbite pour Spoutnik 5 (qui est une mission de préparation pour le vol humain).

L'ambition générale est de réaliser le rêve centenaire d'envoyer un être humain sur la Lune, et cela commence par envoyer un humain en orbite. Pour cela l'URSS développe le programme de vol habité Vostok qui aboutira sur le vol de Youri Gagarine le 12 avril 1961 pour la mission Vostok 1.

John F. Kennedy, tout juste à la tête des États-Unis, annonce en retour le programme Apollo lors de son célèbre discours du 12 septembre 1962 à Houston[23] :

"We choose to go to the moon"

L'empreinte de Buzz Aldrin sur le sol lunaire lors d'Apollo 11.

La NASA a alors tout juste terminé de prendre en charge l'intégralité des recherches spatiales civiles du pays, lorsque l'armée de terre finit par céder ses recherches en 1960[24]. Le programme lunaire habité américain est lancé, en passant par toutes les étapes intermédiaires : vol habité avec le programme Mercury, vol en simultané et rendez-vous orbital (nécessaire pour l'envoi d'engins sur le sol lunaire) avec le programme Gemini, et puis le programme Apollo.

Au cours des années 60, soviétiques comme américains multiplient les lancements scientifiques. La cible est la Lune, avec l'apparition des premières sondes capables d'atterrir sur le sol lunaire, mais aussi les autres planètes avec la naissance des premiers programmes d'exploration planétaire. Les soviétiques emboitent le pas avec leur propre programme lunaire habité, qui n'aboutira pas.

En 1969, les américains sont fin prêts après 7 ans de développement de leur savoir-faire astronautique et envoient la mission Apollo 11 le 16 juillet 1969. 4 jours plus tard, le 20 juillet 1969 Neil Armstrong devient le premier être humain à marcher sur un sol extraterrestre.

L'exploration scientifique de l'espace démarre dans les années 60 avec les premiers gros programmes d'exploration lunaire comme Luna, Ranger ou encore Surveyor, qui enverront les premières sondes au sol et les premiers satellites lunaires[21].

Les années 60 marquent également l'entrée en jeu des premières autres puissances spatiales, comme le Canada qui envoie son premier satellite Alouette en 1962 sur un lanceur américain[25]. La France entre en jeu dès 1960 avec la création du CNES[26] et envoie son premier satellite Astérix en 1965 sur un lanceur Diamant[27]. Mais la France est très vite impliquée dans la collaboration européenne, qui abouti aux fusées Europa, à la fusée Ariane puis à la création de l'Agence Spatiale Européenne en 1975[28]. Durant la même décennie les premiers programmes d'exploration planétaire voient le jour avec les premières tentatives de sondes martiennes et vénusienne dès 1960[21], grâce aux programmes Mars, Venera et Mariner. L'exploration de Mars est dominée par les États-Unis, tandis que l'exploration de Vénus est dominée par l'URSS.

Le système solaire externe commencera a être exploré dans les années 70, exclusivement par des sondes américaines du programme Pioneer puis Voyager, alors que Mercure restera très peu explorée.

L'astronaute Owen Garriott lors d'une sortie extra-véhiculaire en dehors de Skylab.

En parallèle de l'exploration planétaire, l'astronomie spatiale se développe dans les années 70, d'abord à des fins militaires de renseignement sur les activités nucléaires. Les premiers observatoires scientifiques sont destinés à l'astronomie infrarouge et aux rayons X dans les années 80. Ces longueurs d'ondes sont privilégiées pour l'astronomie spatiale en raison de l'atmosphère terrestre qui leur est opaque. C'est la raison pour laquelle l'astronomie en lumière visible arrive sur le tard, car il y a peu de contraintes sur les télescopes déjà présents au sol.

Après l'arrêt du programme Apollo, le développement astronautique se focalise principalement sur les stations spatiales. Le but est d'accroître les connaissances sur le vol habité de longue durée, ainsi que de réaliser des expériences scientifiques en profitant de la micro-gravité. L'ère des stations spatiales voit aussi la création des programmes de navettes spatiales, les premiers systèmes de lancement entièrement réutilisables. Seul le programme STS américain aboutit, mais se révèle ne pas être rentable économiquement parlant[29] : il est arrêté en 2011 après 135 missions.

Il existe de nombreux moyens de se propulser. Les véhicules terrestres utilisent la friction du sol pour s'y appuyer et avancer. Les navires ou les avions utilisent des hélices pour propulser le fluide qui les entourent. Le point commun de ces méthodes de propulsion est le principe physique de l'action-réaction autrement appelé la troisième loi de Newton.

Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B.

Ce principe physique découle du Principe Fondamental de la Dynamique, qui énonce la conservation de la quantité de mouvement au sein d'un système physique fermé[30].

Dans le vide spatial, il n'y a pas de support sur lequel s'appuyer. Le principe de l'astronautique consiste a utiliser des engins qui emportent leur propre support d'appui : les véhicules spatiaux emportent avec eux de la matière à éjecter une fois dans l'espace, à la manière d'un avion qui éjecte l'air environnant grâce à ses hélices ou à ses réacteurs. Par conservation de la quantité de mouvement, l'éjection d'un gaz dans le vide spatial entraine le mouvement du véhicule à l'opposé.

En astronautique, le principe d'action réaction est traduit par l'équation de Tsiolkovski qui décrit la variation de vitesse d'un véhicule spatial par l'éjection d'une masse de gaz :

$${\displaystyle \Delta v=v_{e}\ln {\frac {m_{i}}{m_{f}}}}$$

où :

• ${\displaystyle v_{e}}$ est la vitesse d'éjection des gaz
• ${\displaystyle m_{i}}$ et ${\displaystyle m_{f}}$ sont respectivement la masse total de l'engin avant la poussée et la masse totale de l'engin après la poussée (avec les gaz éjectés en moins).

Cette équation traduit le principe du cercle vicieux selon lequel plus on veut aller vite, plus il faut de carburant, donc plus l'engin est lourd, donc moins l'engin accélérera vite, donc plus il faudra de carburant, et ainsi de suite. Cela implique une limite physique aux capacités de voyage d'un véhicule spatial, qui est résolue par le principe de l'étagement.

La propulsion par l'éjection de matière se caractérise par deux grandeurs physiques principales.

Comme toutes les forces physiques, elle s'exprime en Newton. La force d'un propulseur (également appelé par abus de langage sa puissance) traduit sa capacité à insuffler du mouvement au véhicule qui est propulsé. Au décollage depuis le sol, la force d'un propulseur est analogue à sa capacité à soulever une charge, car la force s'oppose à ce moment là à la pesanteur.

La force de pesanteur s'exprime :

$${\displaystyle {\overrightarrow {P}}=m{\overrightarrow {g}}}$$

où :

• ${\displaystyle P}$ est la force (en N)
• ${\displaystyle m}$ est la masse du véhicule (en kg)
• ${\displaystyle g}$ est l'intensité du champ de pesanteur (valant 9,81 m.s⁻² sur Terre).

Ainsi, si le propulseur fourni une poussée de force ${\displaystyle F}$, il fourni une poussée suffisante pour soulever une charge d'une valeur de ${\displaystyle m=F/g}$ exprimée en kilogrammes. Par exemple un moteur-fusée qui fourni une poussée de 10 000 N est capable de soulever une masse de 1019 kg. Pour pouvoir décoller, il faut que la force soit supérieur au poids total de l'engin, autrement dit que la charge qu'un propulseur est capable de soulever soit supérieure à la masse totale de l'engin (masse du propulseur lui-même y compris).

Plus un propulseur est puissant, plus l'accélération qu'il fourni à son engin est élevée, plus l'engin gagnera rapidement de la vitesse.

L'impulsion spécifique, notée généralement ${\displaystyle I_{SP}}$, traduit l'efficience ou l'efficacité d'un propulseur. Elle s'exprime en secondes, c'est donc une durée. C'est la durée pendant laquelle un propulseur peut fournir une force de 9,81 N.

Elle s'exprime comme suit :

$${\displaystyle I_{SP}={\frac {F}{qg_{0}}}}$$

où :

• ${\displaystyle F}$ est la force de poussée du propulseur (en N)
• ${\displaystyle q}$ est le débit massique du propulseur (en kg/s)
• ${\displaystyle g_{0}}$ est l'intensité du champ de pesanteur terrestre, valant 9,81 m.s⁻²

A force égale, un propulseur avec une ISP plus élevée sera capable de fournir une poussée pendant une durée plus longue qu'un propulseur avec une ISP moins élevée. L'ISP est donc analogue à l'autonomie ou à la consommation sur une voiture.

Généralement plus un propulseur est puissant, plus l'ISP est faible. Souvent donc, les fusées sont conçues avec des premiers étages propulsés par des moteurs puissants, pour privilégier la force face à la gravité terrestre, et les étages supérieurs sont propulsés par des moteurs avec une ISP élevée pour privilégier l'efficacité une fois que la gravité terrestre n'est plus une contrainte. En effet une ISP élevée implique une plus grande capacité pour un véhicule spatial à modifier sa vitesse : il possèdera plus de delta-v, pourra se placer sur des trajectoires plus énergétiques (qui demandent plus de vitesse) et aura une durée de vie plus longue, car il aura une plus grande capacité à effectuer des manœuvres orbitales dans le temps.

Autrement dit, un véhicule très puissant mais peu efficace pourra augmenter faiblement sa vitesse, mais rapidement ; alors qu'un véhicule très efficace mais peu puissant pourra grandement modifier sa vitesse, mais au bout d'une durée bien plus longue. C'est pourquoi les lanceurs les plus puissants ne sont pas forcément les plus capacitaires.

Dans le vide spatial, le simple fait de fournir une quantité de mouvement permet donc de se propulser. Le moyen le plus simple reste l'éjection d'un gaz, nommé souvent propergol, préalablement stocké dans un réservoir.

Pour améliorer l'efficacité de la propulsion, ce gaz peut être chauffé : l'agitation thermique des molécules ou atomes constituant le gaz contribue alors à la propulsion. Pour obtenir un gaz chaud en éjection, plusieurs moyens sont envisagés comme la combustion, l'utilisation de moyens électriques ou l'utilisation de la chaleur générée par des procédés nucléaires.

Outre chauffer le gaz, l'autre moyen pratiqué pour accélérer la vitesse d'éjection est d'utiliser un plasma et d'accélérer mécaniquement ce gaz ionisé à l'aide de champs électromagnétiques. Ces méthodes proposent les meilleures impulsions spécifiques, mais sont très peu puissantes, et sont donc réservées à de petites sondes spatiales.

Enfin en lieu et place d'un gaz propulsif, des méthodes en cours de développement utilisent les particules issues d'une désintégration radioactive comme matière propulsive, ou même la lumière étant donné qu'elle possède elle aussi une quantité de mouvement selon la dualité onde-corpuscule. Cette dernière méthode de propulsion est de loin la moins puissante, mais la plus efficiente car la propulsion serait théoriquement infinie, du moment que de l'énergie est présente pour générer l'onde lumineuse. En effet, si deux kilogrammes de gaz éjectés à 5 m/s correspondent à une impulsion égale à 10 kg.m.s⁻¹, un pointeur laser utilisé dans la vie de tous les jours ne fournit une impulsion que d'environ 10⁻²⁶ kg.m.s⁻¹, ce qui est ridiculement faible.

Lorsqu'un objet est lancé avec une vitesse horizontale suffisamment grande, appelée vitesse de satellisation, il atteint l'orbite. Cette trajectoire est décrite par tout objet dont la vitesse est suffisamment élevée pour ne plus retomber au sol. Un objet en orbite tourne alors autour de la Terre tant que son énergie est inchangée. En conditions réelles, la présence résiduelle de l'atmosphère ralentit les satellites par frottements, ils finissent alors par se désorbiter.

Classiquement, la trajectoire orbitale est décrite par la théorie de la gravitation universelle d'Isaac Newton. La trajectoire est courbe du fait de la force gravitationnelle qui attire deux objets entre eux (un satellite et la Terre par exemple).

Cette force s'écrit :

$${\displaystyle {\vec {F}}=G{\frac {m_{1}m_{2}}{d^{2}}}{\vec {u}}}$$

où :

• ${\displaystyle G}$ est la constante gravitationnelle
• ${\displaystyle m_{1}}$ et ${\displaystyle m_{2}}$ sont les masses des deux objets en interaction (en kg)
• ${\displaystyle d}$ est la distance séparant les deux objets (en m)
• ${\displaystyle {\vec {u}}}$ est le vecteur unitaire dirigé du premier corps vers le deuxième

L'équation du mouvement d'un objet de masse ${\displaystyle m}$ (satellite) attiré par un autre objet de masse ${\displaystyle M}$ (la Terre), séparés par une distance ${\displaystyle d}$ s'écrit :

$${\displaystyle {\frac {d(mv)}{dt}}=G{\frac {mM}{d(t)^{2}}}}$$

Dans la mécanique spatiale, la masse ${\displaystyle m}$, qui représente la masse d'un satellite, est en général négligeable devant la masse ${\displaystyle M}$ qui représente la masse de la planète ou du corps central. On se place dans le cas du mouvement képlérien : le corps central est considéré comme fixe dans l'espace. La résolution de cette équation conduit à une trajectoire elliptique. C'est la première loi de Kepler. Cette ellipse est caractérisée par des paramètres orbitaux, décrits plus bas.

La théorie de la relativité générale ne considère pas la gravitation comme une force, mais comme une manifestation de la courbure de l'espace-temps. Ainsi l'orbite ne décrit plus une courbe autour d'un astre, mais une ligne droite en chute libre dans un espace-temps courbé.

Elle permet de décrire des trajectoires spécifiques dans des conditions particulières, comme les trajectoires de corps autour d'astres massifs comme les trous noirs. Elle est cependant peu utilisée dans le cadre de l'exploration spatiale, car les vitesses et les champs gravitationnels en jeu sont trop faibles pour que l'usage de cette théorie soit nécessaire par rapport à la théorie classique.

Cependant elle est utile dans le cadre du géopositionnement car ces systèmes nécessitent une synchronisation des horloges, or la relativité générale permet de calculer la différence relative d'écoulement du temps entre les satellites et le sol. Sans cette théorie, les GPS seraient inutilisables[31].

Dans le cas d'une orbite képlérienne, on associe plusieurs paramètres à la trajectoire pour la caractériser :

• La période orbitale représente le temps que le satellite met pour revenir au même point sur son orbite. Elle est donnée par la troisième loi de Kepler :
  $${\displaystyle T^{2}={\frac {4\pi ^{2}a^{3}}{GM}}}$$

  
  où :
  • ${\displaystyle T}$ est la période en secondes
  • ${\displaystyle a}$ est le demi grand axe de l'orbite
  • ${\displaystyle G}$ est la constante gravitationnelle
  • ${\displaystyle M}$ est la masse de l'astre central
• Les apsides sont les extrema de la trajectoire. L'apoastre et le périastre désignent respectivement les points le plus éloigné et le plus proche de l'astre central. La ligne formée par ces deux points est apellée la ligne des apsides.
• Le demi grand axe est la moitié de la longueur de la ligne des apsides. Cette distance correspond au rayon, ou à la distance séparant le centre du corps central du satellite, dans le cas d'une orbite circulaire.
• L'excentricité décrit la forme de l'orbite. Notée ${\displaystyle e}$, c'est un nombre positif compris entre 0 et 1 pour les trajectoires fermées (orbite). Au delà de 1, l'excentricité décrit une trajectoire de survol.
  • e=0 : trajectoire circulaire
  • 0<e<1 : trajectoire elliptique
  • e=1 : trajectoire parabolique
  • e>1 : trajectoire hyperbolique
• L'inclinaison désigne l'angle entre le plan de la trajectoire et un plan de référence. Ce plan correspond au plan équatorial dans le cas d'une orbite autour de la Terre, ou l'écliptique dans le cas d'une orbite autour du Soleil.
• La ligne des nœuds est la ligne d'intersection entre le plan de l'orbite et le plan de référence. Les points d'intersection entre la trajectoire de l'orbite et cette ligne sont appelés les nœuds ascendant et descendant.
• La longitude du nœud ascendant est l'angle entre la direction d'un point de référence (souvent le point vernal) et la ligne des nœuds, dans le plan de référence.
• L'argument du périastre est l'angle entre la ligne des nœuds et la direction du périastre, dans le plan de l'orbite.

De plus pour caractériser la position du satellite sur son orbite on introduit l'anomalie vraie et l'anomalie moyenne. L'anomalie vraie est l'angle entre le périastre et la direction du satellite, par rapport au foyer de l'ellipse. L'anomalie moyenne est l'angle entre le périastre et la direction d'un satellite virtuelle suivant une orbite virtuelle circulaire de période égale à l'orbite réelle.

Enfin la trace au sol désigne la position du satellite projetée sur la surface de la planète autour de laquelle il orbite.

• Paramètres de l'orbite d'un satellite autour de la Terre
• 
  Vue perpendiculaire au plan orbital : demi-grand axe a, argument du périgée ω, anomalie vraie ν.
• 
  Paramètres orbitaux d'un satellite artificiel : ascension droite du nœud ascendant ☊, inclinaison i, argument du périgée ω.

Une fois la sonde spatiale placée en orbite, elle n'a plus besoin de se propulser, elle suivra indéfiniment sa trajectoire. Pour changer cette trajectoire elle doit exécuter une manœuvre orbitale. Les manœuvres orbitales consistent à allumer son propulseur dans une direction donnée, à un instant donné. Physiquement parlant il s'agit de modifier le vecteur vitesse à un endroit donné de la trajectoire. Cela peut correspondre à une accélération ou une décélération (accélération dans le sens inverse du mouvement).

La direction de propulsion est indiquée par l'attitude de la sonde. Elle désigne l'orientation de la sonde dans l'espace. 6 directions particulières sont à distinguer :

• Les directions prograde et rétrograde. Elles correspondent à la direction du mouvement, dans le sens direct ou inverse de la vitesse.
• Les directions radiales et anti-radiales. Elles correspondent à la direction perpendiculaire au mouvement dans le plan de l'orbite.
• Les directions normales et anti-normales. Elles correspondent à la direction perpendiculaire au mouvement, dans le plan perpendiculaire à l'orbite.

De manière générale :

• la propulsion dans la direction prograde augmente ou diminue l'apside opposée. Une accélération au périastre dans le sens du mouvement augmente la valeur de l'apoastre, et inversement si c'est une décélération.
• la propulsion dans la direction radiale change l'orientation de la ligne des apsides. Une telle propulsion n'a pas d'effet si l'orbite est circulaire.
• la propulsion dans la direction normale change l'inclinaison de l'orbite et/ou la longitude du nœud ascendant.

Le transfert de Hohmann est la manœuvre de base pour changer d'orbite. Elle consiste à accélérer pour augmenter l'apoastre et se mettre sur une orbite de transfert elliptique, puis une demi-période plus loin au niveau de l'apoastre, à accélérer à nouveau pour augmenter le périastre à l'opposé et circulariser l'orbite. Cette manœuvre permet de passer d'une orbite basse à une orbite plus haute et inversement.

Elle est utilisée également pour rejoindre la Lune depuis une orbite basse terrestre. Dans ces cas-là, le formalisme utilise les coniques juxtaposées : la trajectoire n'est plus représentée dans le référentiel géocentrique, mais dans le référentiel sélénocentrique une fois la sonde entrée dans la sphère d'influence lunaire. Le mode d'action est le même pour rejoindre les autres planètes. Pour Mars par exemple, située à une altitude plus élevée que la Terre par rapport au Soleil, une sonde doit accélérer dans le référentiel du Soleil pour augmenter son aphélie, puis doit réaliser une autre accélération à l'approche de Mars, ce qui correspond à :

• la circularisation son orbite autour du Soleil dans le référentiel de celui-ci.
• une décélération dans le référentiel de Mars pour passer d'une trajectoire de survol (apoastre infini) à une orbite fermée. On parle de capture orbitale.

Un autre type de transfert, appelé transfert bi-elliptique est utilisé dans de rares cas où cette manœuvre est moins couteuse en carburant que le transfert de Hohmann.

Le rendez-vous dans l'espace consiste à rapprocher voir amarrer deux objets spatiaux entre eux. C'est un exercice primordial pour l'envoi d'astronautes à bord d'une station spatiale, ou pour l'envoi d'une sonde vers la Lune ou vers d'autres planètes.

L'approche peut être réalisée par un transfert de Hohmann de l'orbite de départ vers l'orbite où se trouve la cible, moyennant un timing précis, pour que les deux objets se retrouvent côte à côte une fois le transfert terminé. C'est le cas pour envoyer des sondes vers les planètes, on parle d'une fenêtre de transfert. Pour Mars par exemple, cette fenêtre de transfert intervient tous les 26 mois.

Une fois les deux objets sur la même orbite (un vaisseau et une station par exemple), il se peut qu'ils ne soient pas exactement au même endroit, à la même anomalie vraie. Le premier objet doit alors se rapprocher de l'objet cible en modifiant sont orbite par une accélération dans la direction prograde, s'il est en avance par rapport à l'objet cible, ou rétrograde s'il est en retard par rapport à l'objet cible. Cela aura pour conséquence d'augmenter l'apoastre (ou respectivement de diminuer le périastre) à l'opposé de sa position, le plaçant alors sur une orbite d'une période plus longue (ou plus courte). Ainsi l'objet reviendra a sa position initiale (l'altitude cible) plus lentement (ou plus rapidement) que l'objet cible, se rapprochant donc de celui-ci.

Une fois les deux objets suffisamment proches (pour la phase d'amarrage à une station par exemple) l'un de l'autre, le mouvement global peut être considéré comme rectiligne uniforme. L'approche finale lors d'un amarrage peut être décrite dans le référentiel de l'objet cible.

Pour réaliser des manœuvres orbitales, il faut fournir à l'engin spatial une différence de vitesse. Afin d'économiser du carburant, l'assistance gravitationnelle peut être utilisée lors d'une mission interplanétaire. Elle consiste à effectuer un survol d'une planète ou d'un astre pour utiliser son attraction gravitationnelle pour modifier la vitesse de l'engin. Cette technique est surtout utilisée pour les destinations coûteuses en delta-v, comme Mercure, ou le système solaire externe.

Par exemple la sonde Juno fut lancée sur une orbite héliocentrique qui lui a permit de revenir faire un survol de la Terre deux ans après son lancement. Ce survol lui a permit de gagner en vitesse pour augmenter son apoastre et ainsi atteindre Jupiter, sans consommer plus de carburant.

De nombreuses techniques de propulsion ont été imaginées pour propulser un engin spatial. Chaque technologie a ses avantages et ses inconvénients.

La propulsion par gaz froids est la méthode de propulsion la moins complexe. Elle consiste à laisser s'échapper un gaz depuis un réservoir pressurisé. L'éjection du gaz se produit naturellement du fait de la pression. Un propulseur à gaz froid est simple de conception, il nécessite uniquement un système de valve pour contrôler l'ouverture.

Cette méthode ne fournit pas une grande poussée et n'est pas très efficiente. On l'utilise pour le contrôle d'attitude des sondes (SCAO) sous forme de petits propulseurs. Elle n'est pas utilisée comme moyen de propulsion primaire.

Décollage d'une Ariane 5. Les flammes des EAP illuminent l'environnement nocturne. On distingue également la légère lueur bleutée du moteur Vulcain fonctionnant à l'hydrogène liquide.

Cette méthode consiste à faire entrer en combustion un mélange de réactifs chimiques sous forme solide. C'est la méthode de propulsion la plus ancienne, puisque les premières fusées fonctionnaient à la poudre à canon, cependant contrairement à cette dernière, les poudres (qui sont plutôt des sortes de pâtes) comportent à la fois le carburant et le comburant, ainsi les moteurs à ergols solides peuvent fonctionner dans le vide spatial.

C'est également la méthode de propulsion la plus puissante, les moteurs à poudre peuvent aller jusqu'à 12 méganewtons de poussée, comme sur les boosters de la navette spatiale américaine. Cependant l'ISP est assez faible et la combustion ne peut pas être arrêtée une fois enclenchée.

Pour contrôler cette combustion la poudre peut être agencée de différentes manières à l'intérieur de son réservoir. Selon l'évolution de la surface de combustion, le propulseur peut adopter différents profils de poussée.

Enfin les propulseurs à poudre sont simples de conception : un réservoir, une tuyère pour guider l'échappement du gaz, et un système d'allumage pour initier la combustion.

La combustion a ergols liquides est la méthode de propulsion la plus commune. Elle consiste à faire entrer en combustion un carburant et un comburant sous forme liquide. Pour se faire l'engin dispose d'un réservoir pour chaque réactif chimique, souvent pressurisé et cryogénique. Différents types d'ergols sont utilisés, comme le RP-1, le méthane ou l'hydrogène ou encore de l'éthanol qui brulent avec de l'oxygène liquide, ou de l'hydrazine qui brule avec du peroxide d'azote. Le kérosène a l'avantage de proposer la meilleure puissance, alors que l'hydrogène a l'avantage de proposer la meilleure efficacité au prix d'une complexité de manipulation accrue.

Les meilleurs moteurs à ergols liquides sont le RD-170 qui est le plus puissant avec 7,9 méganewtons de poussée[34], et le RL-10 qui est le plus efficient avec 433 secondes d'ISP.

D'autres types de combustion utilisent des monergols, des espèces chimiques qui entrent spontanément en combustion avec elles-mêmes, c'est néanmoins peu puissant et utilisé pour le SCAO. La fusée française LEX utilisait une combustion hybride entre un ergol solide et un ergol liquide, on parle de propulsion au lithergol[35].

Pour guider la sortie des gaz, les moteurs utilisent une tuyère. Il s'agit d'une cloche qui peut être simplement fabriquée dans un matériau spécifique, avec éventuellement des revêtements, ou d'une série de tubes enroulés les uns sur les autres en forme de cloche dans lesquels va circuler un ergol cryogénique. Cette architecture est aussi appelée la tuyère de Laval.

Moteur à tuyère aerospike destiné au Lockheed Martin X-33 testé en 2001.

Son rôle est d'optimiser la poussée du gaz, et éventuellement de s'orienter pour orienter la poussée (capacité permise par le cardan d'un moteur, appelée gimbal en anglais). Sa géométrie doit permettre d'adapter la pression du gaz à la pression de l'environnement extérieur. Plus la cloche est longue, plus la pression des gaz en sortie de tuyère sera faible.

Par exemple la Falcon 9 n'utilise d'un seul modèle de propulseur, le moteur Merlin, mais la version utilisée pour l'étage supérieur possède une tuyère allongée, et donc plus optimisée pour la propulsion dans le vide par rapport au moteurs utilisés pour le décollage.

Il est impossible d'obtenir une poussée optimale tout le long d'un lancement, du fait de la variation de pression atmosphérique au cours de l'ascension. De la même manière il est impossible d'obtenir une poussée optimale dans le vide spatial, car cela nécessiterait une tuyère de taille infinie pour abaisser la pression des gaz à zéro. Des compromis doivent alors être faits lors de la conception d'un lanceur spatial.

Pour palier à cela, une autre architecture de tuyère est possible : la tuyère aerospike. Le concept est d'avoir une tuyère qui adapte automatiquement la pression des gaz à la pression atmosphérique, ce qui fournirait une poussée optimale à toute altitude. Cette architecture a été testée sous forme de prototypes, mais n'a pas été utilisée opérationnellement en 2021, le principal problème étant la contrainte du refroidissement du système[36].

Les ergols doivent se déverser dans la chambre de combustion du moteur. Au décollage, la gravité permet aux liquides de couler naturellement dans le système hydraulique, cependant en apesanteur, les liquides flottent dans le réservoir et n'atteignent pas la sortie de celui-ci. Pour maintenir le liquide vers la sortie des réservoirs, des moteurs de tassement sont utilisés : ce sont des propulseurs de faible puissance, qui fournissent une poussée au véhicule spatial afin de rompre temporairement l'inertie et l'impesanteur. Une autre méthode est d'utiliser un gaz inerte pour maintenir la pression dans réservoirs et forcer le déversement des ergols dans le moteur.

Pour améliorer l'alimentation en carburant dans la chambre de combustion, la plupart des moteurs utilisent une pompe. Cette pompe peut être soit électrique (comme sur la fusée Electron), soit alimentée par les ergols eux-mêmes, on parle alors de turbopompe. Différentes méthodes sont utilisées pour alimenter la turbopompe, on parle de cycles.

• Le cycle à expandeur utilise un ergol cryogénique pour réfrigérer la chambre de combustion et la tuyère. En se réchauffant, l'ergol devient un gaz et remonte en alimentant la turbine de la pompe. C'est une méthode couteuse car elle est complexe à réaliser mécaniquement : la tuyère n'est pas juste une cloche, elle est constituée d'un enroulement de tubes dans lesquels passe l'ergol. L'utilisation de l'ergol cryogénique pour refroidir ainsi la tuyère peut aussi être utilisé dans les autres cycles.
• Le cycle tap-off utilise la pression du gaz généré dans la chambre de combustion pour alimenter la turbine de la pompe.
• Le cycle générateur de gaz est similaire au cycle tap-off, mais les ergols sont injectés en partie dans une chambre de combustion secondaire spécifique pour générer le gaz qui alimente la turbopompe. Certains moteurs utilisent un troisième ergols exclusivement utilisé pour la génération de gaz. Le gaz qui a servit a alimenté la pompe est rejeté en dehors du système, et n'entre pas dans la chambre de combustion principale: c'est le cycle ouvert. Certains moteurs comme le F1 réinjectent ce gaz dans la tuyère, ce qui permet de former une couche de gaz froid pour isoler la tuyère de la chaleur du gaz principal d'éjection.
• Le cycle à combustion étagée fait d'abord entrer les ergols dans une préchambre de combustion, dans des proportions non-stœchiométriques, soit trop riche en carburant (fuel-rich), soit trop riche en comburant (oxidizer-rich). De la même manière que le cycle générateur de gaz, le gaz généré dans cette préchambre alimente la turbopompe, mais il est réinjecté dans la chambre de combustion principale pour achever la combustion. C'est un cycle fermé.
  • Le cycle full-flow est un cycle à combustion étagée dans lequel il y a une turbo-pompe dédiée à chaque ergol, chacune alimentée par une préchambre de combustion alimentée respectivement par un mélange riche en carburant pour la pompe du réservoir de carburant, et riche en comburant pour la pompe du réservoir de comburant.

Dans la chambre de combustion principale, pour la combustion se fasse, les ergols doivent être mis en contact. Des injecteurs sont utilisés pour acheminer ainsi les ergols, et optimiser le mélange et donc la combustion. Plusieurs architectures d'injecteurs sont utilisées, leur rôle est de générer des jets d'ergols qui entrent en collision en des points précis de l'espace au sein de la chambre de combustion.

Enfin un dernier enjeu des moteurs à ergols liquides est l'allumage. Contrairement à un propulseur à ergols solide, ces moteurs sont constitués d'un système hydraulique complexe, un mauvais allumage peut entrainer une surpression, et endommager ou détruire le moteur. Les ergols dits hypergoliques n'ont pas besoin d'allumage, la combustion démarre dès la mise en contact des liquides.

Les systèmes d'allumage peuvent être :

• pyrotechniques : une petite charge explosive fourni la chaleur nécessaire pour démarrer la combustion. C'est utilisé sur Soyouz où des batons en bois avec une charge pyrotechnique au bout sont introduits dans les tuyères avant l'allumage[37].
• électrique : la chaleur est fournie par une résistance électrique ou un jet d'étincelles.
• chimique : une autre combustion est utilisée pour apporter la chaleur à la combustion principale, souvent des carburants pyrophoriques (dans le cas d'un moteur allumé dans l'atmosphère terrestre). Le moteur Merlin utilise du tryéthylborane qui produit une flamme verte qui déclenche la combustion principale[38]^,[39]. Cette méthode peut-être utilisée également, non pas pour déclencher la combustion, mais pour initier le mouvement de la turbopompe.

Les propulsions électriques utilisent plusieurs principes physiques. La plupart de ces technologies sont expérimentales. Les propulsions électriques ne fournissent qu'une poussée minime et sont donc inadaptées aux charges lourdes ou aux décollages. Cependant elles proposent des efficiences redoutables, permettant aux sondes spatiales d'effectuer de longues manœuvres pour voyager loin, ou d'avoir une durée de vie très longue comme GOCE qui utilise un moteur ionique en permanence pour compenser les frottements de l'atmosphère.

La propulsion électrique se décline en trois types de propulsions :

• La propulsion électrothermique utilise des résistances (résistojets) ou des arcs électriques (arcjets) pour chauffer un gaz, à la place de la combustion. Le gaz chauffé est alors éjecté de la même manière par une tuyère. Cette technologie n'est pas très puissante (poussée inférieur au newton), mais propose de bonnes valeurs d'ISP.
  • Utilisé sur les satellites Vela, Iridium ou Intelsat V. La firme ARCA compte par ailleurs utiliser une telle technologie pour ses lanceurs à vapeur d'eau.
• 

  Moteur ionique à effet Hall en test au Jet Propulsion Laboratory.
  La propulsion électrostatique ou ionique consiste à ioniser un gaz. Ce gaz alors chargé positivement peut être accéléré par un champ électrique. En sortie du propulseur, un canon a électrons est placé pour rétablir la neutralité électrique. Ces propulseurs ne sont pas très puissant mais proposent des ISP de plusieurs milliers de secondes.
  • Les moteurs ioniques à grille utilisent deux électrodes pour générée un champ électrique. Ces électrodes sont percées ou sous forme de grille pour laisser s'échapper le gaz. C'est utilisé sur Deep Space 1 ou sur Hayabusa.
  • Les moteurs ioniques à effet Hall, utilisent comme leur nom l'indique l'effet Hall qui génère un champ électrique par le passage d'un courant électrique dans un matériau soumis à un champ magnétique. Ce champ électrique permet d'accéléré le gaz ionisé. Les moteurs à effet Hall permettent la miniaturisation sans perdre d'efficacité contrairement aux moteurs ioniques à grille. C'est utilisé sur la sonde européenne Smart 1.
• La propulsion électromagnétique utilise des champs magnétiques pour accélérer un plasma. Ils ont l'avantage de fournir une ISP de plusieurs milliers de seconde, tout en proposant une poussée non négligeable de plusieurs newtons jusqu'à plusieurs centaines de newtons.
  • Le Pulsed Plasma Thruster (PPT) envoie un plasma entre deux électrodes. Le champ électrique généré par ces électrodes créée un courant électrique au sein du plasma, ce qui représente un circuit fermé. Du fait de la vitesse initiale du plasma, il est accéléré à haute vitesse par les forces de Laplace, jusqu'à 70 km/s. C'est utilisé sur les sondes soviétiques Zond 2 et 3 dans les années 60.
  • Les propulseurs magnétohydrodynamiques (MHD) utilisent les variations d'intensité de champs électromagnétiques pour accélérer un plasma, à la manière du champ magnétique terrestre dont les variations accélèrent ou ralentissent les particules chargées du vent solaire, ce qui produit les aurores boréales. Cette technologie très prometteuse a été testée pour la seule fois sur la sonde japonaise Space Flyer Unit en 1995.

L'utilisation de la physique nucléaire dans la propulsion spatiale n'a jamais dépassé le stade de la recherche en 2021. Elle consiste soit à utiliser la chaleur de réactions nucléaires pour chauffer un gaz, c'est la propulsion nucléaire thermique ; soit à utiliser directement les produits de réactions nucléaires comme élément de propulsion. Cette dernière méthode n'a jamais été étudiée autrement que théoriquement, en effet il s'agit de propulser un engin spatial par l'impulsion de particules subatomiques ; l'ISP se compte en millions de secondes, mais la poussée serait négligeable.

La propulsion nucléaire thermique utilise soit la chaleur de la radioactivité d'un matériau, c'est la propulsion radioisotopique, soit la chaleur générée par une réaction de fission ou de fusion. Les seuls prototypes de moteur à propulsion nucléaire étaient à fission. Le RD-0410 était le projet soviétique. Les américains eux ont lancé le projet NERVA entre 1960 et 1972. Une telle propulsion implique une chaleur difficile à contenir et à endurer pour les matériaux, contrairement à la chaleur d'un plasma qui peut être contenue par confinement magnétique. Ainsi pour obtenir un propulseur viable, il se doit d'être suffisamment isolant et donc d'être lourd, ce qui est un désavantage.

La propulsion nucléaire offrirait un bon compromis entre une ISP élevée de plusieurs centaines de secondes jusqu'à plusieurs dizaines de milliers de secondes pour la propulsion par la fusion, et une puissance de quelques centaines de newtons, ce qui suffit à propulser une sonde moyenne dans l'espace. De tel systèmes aussi efficients pourraient ouvrir la voie à de nouvelles trajectoires interplanétaires et ainsi réduire le temps de voyage vers les autres planètes à quelques semaines.

Les États-Unis ont aussi envisagé un autre type de propulsion : la propulsion nucléaire pulsée. Le projet Orion consistait en un véhicule larguant. de petites bombes nucléaires derrière lui et se propulsant grâce au souffle de leur explosions. Le projet a été abandonné en 1963[40].

Un dernier moyen de se propulser dans l'espace est l'utilisation de la lumière comme propulsion. En effet la dualité onde-corpuscule indique que la lumière possède également une quantité de mouvement[41]. Théoriquement un laser tiré vers l'arrière d'une sonde ferait office de propulseur, avec une puissance considérablement faible, mais avec une efficience infinie : la propulsion durerai tant que de l'énergie électrique est présente pour alimenter le dispositif.

Si cette méthode n'a pas été imaginée jusqu'à présent, la voile solaire a été testée à quatre reprises dans l'espace grâces aux missions IKAROS, NanoSail-D2 et les missions Lightsail 1 et 2. Le principe est d'utiliser une grande voile sur laquelle la lumière et les particules du vent solaire vont rebondir et fournir une quantité de mouvement à l'engin. La puissance mesurée est de l'ordre du millinewton.

Des projets comme Breakthrough Starshot envisagent d'utiliser cette propulsion théoriquement infinie pour accélérer de petites sondes de quelques grammes à une fraction de la vitesse de la lumière. Atteindre une telle vitesse permettrait d'explorer le système planétaire le plus proche de nous en quelques dizaines d'années : Alpha du Centaure.

D'autres idées envisagent des propulsions spatiales sans gaz, mais elles impliquent l'utilisation d'une nouvelle physique hypothétique. C'est le cas des systèmes imaginés par les auteurs de science-fiction comme le warp-drive utilisant la métrique d'Alcubierre, ou encore l'utilisation des trous de ver.

L'EM-Drive est le seul prototype de ce genre à avoir existé et a avoir été testé, en vain. Il utilise une cavité fermée à l'intérieur de laquelle se réfléchit en permanence une onde électromagnétique. Comme aucune particule, massive ou non, ne s'échappe du dispositif, aucune quantité de mouvement n'est théoriquement fournie avec ce système, sinon ce serait une violation du principe fondamental de la dynamique.

Pour envoyer un engin en orbite, il faut un système de lancement, qui doit lui fournir l'atlitude et la vitesse horizontale nécessaire.

Du fait de l'équation de Tsiolkovsky il est très difficile d'atteindre l'orbite à l'aide d'un véhicule depuis le sol terrestre. Un seul véhicule propulsé par un seul moteur implique le fait d'emporter une grande quantité de carburant, donc de larges réservoirs, qui alourdissent le véhicule, qui nécessite alors d'autant plus de carburant. Ce cercle vicieux peut être résolut en utilisant plusieurs étages de propulsion, Tsiolkovsky lui-même préconisait le principe de l'étagement.

En effet, une fois un réservoir vide, il représente un poids mort qui nuit à l'efficacité de la propulsion. L'étagement consiste à non pas assurer la propulsion par un seul système de réservoirs et de propulsion mais par plusieurs étages de propulsion successifs. Ainsi lorsque le premier étage est vide, il se détache du reste du lanceur pour ne pas être un poids mort. Le deuxième étage prend le relais de la propulsion et ainsi de suite.

En plus d'optimiser la masse du véhicule au cours du temps, l'étagement permet d'utiliser différents type de propulseurs selon l'étage. Ainsi les premiers étages qui ont pour but de s'arracher de la pesanteur terrestre et de gagner de l'altitude utilisent des moteurs optimisés pour la puissance, alors que les étages supérieurs qui n'intervienent qu'une fois dans la haute atmosphère ou dans l'espace sont optimisés pour l'efficience et pour les basses pressions.

Par exemple l'Atlas V utilise des propulseurs à poudre et à kérosène avec des tuyères courtes pour décoller du sol, puis un moteur RL-10 à hydrogène, moins puissant mais plus efficient, avec une tuyère plus longue pour finaliser l'orbite. La Delta IV Heavy utilise de même un RL-10 pour son étage supérieur, mais dans une version capable de déployer une extension de tuyère, qui accroit l'optimisation de la poussée dans le vide spatial.

Les fusées sont des lanceurs utilisant des moteurs-fusée. Les moteurs-fusée à poudre ou a ergols liquides permettent de fournir la puissance nécessaire pour obtenir rapidement de la vitesse. Les fusées ont une forme aérodynamique et décollent verticalement. Leur structure est définie par l'agencement des différents étages, composés des réservoirs, des moteurs et des cases à équipement.

La fusée est aussi composée par une batterie d'équipements situés dans la case a équipement ou ailleurs sur la fusée : l'ordinateur de bord, les gyromètres et les accéléromètres, les antennes radio pour la transmission de télémesure et éventuellement d'images, les microphones pour attester du niveau de vibration, les système de mesure de température, le système électrique, les systèmes de séparation des étages et de la coiffe ainsi qu'un système d'autodestruction en cas de trajectoire dangereuse.

L'ensemble des capteurs sur la fusée constitue la télémesure et témoignent ou non du bon fonctionnement et de la bonne trajectoire de la fusée. Au total c'est plusieurs milliers de paramètres qui sont mesurés et transmis en permanence lors d'un lancement.

La trajectoire de la fusée doit permettre de gagner à la fois de l'altitude et de la vitesse horizontale de manière optimale. En général, la fusée reste droite au décollage pour gagner rapidement de l'altitude et sortir des couches les plus denses de l'atmosphère, puis s'oriente progressivement jusqu'à l'horizontale au fur et à mesure de l'ascension. Pour s'incliner une fusée peu utiliser le couple généré par les appuis aérodynamiques et la gravité, qui ramène naturellement le véhicule en position horizontale, c'est la manœuvre du virage gravitationnel (ou gravity turn en anglais).

La trajectoire varie selon la stabilité d'une fusée, qui est donnée par son aérodynamisme, son rapport poids-puissance, la répartition de sa masse, etc. Un lanceur comme la fusée Minotaur V avec un gros rapport poids-puissance aura tendance à être sur-stable, et peinera à s'orienter une fois qu'elle aura acquis de la vitesse. Elle s'oriente alors brusquement dès son décollage pour ne pas trop gaspiller sa puissance en vitesse verticale.

Lancement de Pegasus en 2006.

Si l'utilisation d'un moteur-fusée est nécessaire dans le vide spatial, ce n'est pas le seul moyen de gagner de la vitesse et de l'altitude dans l'atmosphère. Un ballon-sonde par exemple peut être utilisé pour atteindre de hautes altitudes, mais aucune vitesse horizontale. Une fusée portée par un ballon sonde devra alors dédier toute sa propulsion au gain de vitesse horizontale avant de retomber dans les couches plus denses de l'atmosphère.

Un autre moyen plus communément étudié est l'utilisation d'un avion porteur pour larguer une fusée, qui profite alors d'une vitesse initiale et d'une altitude de départ moins contraignante au niveau des frottements et des variations de pression. Cette technique de lancement a été étudiée très tôt pour envoyer des avions spatiaux comme le X-15 en vol suborbital ; et est étudiée de nos jours par plusieurs entreprises privées pour le lancement orbital comme Stratolaunch ou le Launcher One de Virgin Orbit, ou pour le vol touristique comme la firme Virgin Galactic, qui propose d'emmener des touristes en vol suborbital à bord d'un avion spatial.

Deux systèmes de lancement de ce type est opérationnel en 2021 depuis 1990, le Pegasus, et le LauncherOne. Pegasus permet de lancer une charge utile de 450 kg en orbite.

Lancement de la navette spatiale Discovery pour la mission STS-120.

Les navettes spatiales sont des programmes de lanceurs réutilisables lancés par l'URSS et les États-Unis après la fin de la course à la Lune. L'objectif des navettes spatiales et de proposer un service de lancement orbital réutilisable. En effet chaque fusée est construite à usage unique et un client d'un lancement doit payer l'intégralité de la construction de la fusée à chaque lancement. Par analogie c'est comme si à chaque trajet automobile, la voiture devait partir à la casse, et l'automobiliste serait obligé d'acheter une voiture neuve à chaque fois. L'idée d'un lanceur orbital réutilisable, par opposition aux lanceurs consommables, est de ne pas reconstruire une fusée pour chaque lancement.

L'enjeu d'un lanceur réutilisable est alors d'être plus rentable économiquement parlant qu'un lanceur consommable, c'est-à-dire que les coûts d'entretien et de réhabilitation du lanceur doivent être moindres que le coût de fabrication du lanceur lui-même. En 2021, aucun lanceur réutilisable ne s'est révélé rentable, soit parce que les lanceurs ne sont pas rentables (comme la navette spatiale), soit parce qu'il est trop tôt pour juger la rentabilité des lanceurs (comme la Falcon 9).

Coté américain

Les américains avaient le programme STS pour Space Transportation System. La navette spatiale américaine désigne un lanceur composé de deux propulseurs à poudre, d'un réservoir d'hydrogène liquide, et d'un orbiteur alimenté par le réservoir d'hydrogène. 5 orbiteurs opérationnels furent construits : Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis, Endeavour. Deux d'entre eux furent détruits en vol.

La navette spatiale pouvait emporter jusqu'à 8 astronautes et 24 tonnes de cargaison en orbite basse ce qui lui vaut d'être classée comme lanceur super lourd. La navette spatiale était utilisée comme lanceur commercial pour des satellites, mais aussi institutionnel et scientifique. Elle a notamment lancé le télescope spatial Hubble et a permis aux astronautes d'effectuer la maintenance sur celui ci au cours de plusieurs missions. La navette a servit également à ravitailler la station Mir, puis à construire et ravitailler la Station Spatiale Internationale. Elle était aussi le seul engin capable de ramener en état un satellite préalablement placé en orbite.

Aujourd'hui arrêtée depuis 2011, faute de rentabilité, les composants des navettes spatiales sont réutilisés : les moteurs RS-25 des orbiteurs ainsi que les propulseurs à poudre sont réutilisés pour la fusée SLS du programme Artemis.

Coté soviétique

Bourane sur le lanceur Energuia sur le pas de tir.

Coté soviétique, la navette spatiale désigne l'avion spatial Bourane. Bourane était propulsée vers l'orbite par le lanceur lourd réutilisable Energuia. Bourane est similaire en apparence aux orbiteurs américains, mais les similitudes s'arrêtent là. Bourane était capable de lancer jusqu'à 10 cosmonautes et 27 tonnes de cargaison en orbite basse, le tout de manière entièrement automatique (là où la navette américaine nécessitait 2 pilotes au minimum). Bien que plus avancé technologiquement que son homologue américain, le programme de navettes spatiales soviétique s'est arrêté en 1993, après la chute de l'URSS. Un seul vol orbital a été réalisé le 15 novembre 1988, sans aucun cosmonaute à bord.

Le développement de lanceurs réutilisable a continué en parallèle et à la suite de l'utilisation de la navette spatiale, en partie par des sociétés privées. On compte plus d'une vingtaine de projets de lanceurs réutilisables ou partiellement réutilisables imaginés jusqu'en 2021. Parmi eux des projets de SSTO, mais surtout des projets de fusées réutilisables. On trouve par exemple le projet DC-X dans les années 90 arrêté au stade du développement. Il était capable de faire plusieurs vols atmosphériques par semaine à plusieurs dizaines de kilomètres, ce qu'est entrain aujourd'hui de faire le Starship.

L'acteur majeur des lanceurs réutilisables est l'entreprise SpaceX qui a développé au cours des années 2000 des techniques de réutilisabilité, ce qui a conduit au lanceur Falcon 9 actuel. Contrairement à la navette spatiale qui utilisait des systèmes de récupération passifs, c'est-à-dire des parachutes pour ses propulseurs d'appoint, et le vol plané pour l'orbiteur ; SpaceX a fait le choix de l'atterrissage propulsé. Cette technique a des désavantages, notamment la réduction de la capacité de la fusée, car celle-ci doit se réserver du carburant pour atterrir. De plus c'est un système de récupération actif, elle nécessite le bon fonctionnement des moteurs ce qui présente un risque ; cependant ce problème est résolu par la redondance des moteurs ce qui a valu à la Falcon 9 d'être certifiée pour le vol habité. SpaceX se positionne sur le marché par sa facturation des lancements très concurrentielle, cependant aucune donnée publique ne permet de juger la rentabilité réelle de leurs lancements.

En parallèle, d'autres acteurs du NewSpace composés d'entreprises privées developement des lanceurs réutilisables. Blue Origin développe la New Shepard un lanceur sub-orbital monoétage destiné au tourisme spatial, ainsi que la New Glenn, un lanceur lourd similaire au Starship de SpaceX. La New Glenn comme le Starship n'a encore pas testé le vol spatial en 2021. Le seul autre lanceur destiné à être réutilisable qui est déjà en service est la fusée Électron de la firme néo-zélandaise RocketLab. Électron a effectué 19 vols orbitaux en mode consommable, et a été récupérée pour la première fois en Novembre 2020. Cependant aucune fusée Électron n'a pour l'instant été réutilisée en 2021.

Les lanceurs orbitaux monoétage, ou single stage to orbit (SSTO) en anglais sont des lanceurs capables d'atteindre l'orbite sans étagement depuis le sol. Le SSTO est un concept intuitif, car dans tous les autres domaines les véhicules de ne se détachent pas en cours de route. En 2021 aucun SSTO fonctionnel n'a vu le jour. Les projets imaginés prennent la forme d'avions spatiaux pour garantir un atterrissage et une réutilisabilité à la manière des navettes spatiales, et utilisent des techniques de propulsion comme la tuyère aerospike. Un des avantages des SSTO serait la réutilisabilité, ce qui pourrait entrainer une rentabilité économique. Cependant la complexité de la mise en œuvre d'un tel système de lancement rend son intérêt faible par rapport à d'autres systèmes de lancement réutilisables.

L'attitude en astronautique désigne l'orientation d'un engin spatial.

Viseur d'étoiles utilisé sur le satellite russe Granat. Il permet de réaliser une image du ciel étoilé pour déterminer l'orientation de la sonde.

Avant de modifier l'orientation d'un satellite, il est nécessaire que celui-ci soit capable de connaitre avec précision sa propre orientation. Pour cela bon nombre de capteurs de différents types sont utilisés.

Les plus simples sont les gyromètres ou les accéléromètres qui mesurent les variations de vitesse et d'orientation depuis des valeurs repères, cependant l'incertitude de mesure s'accumule au cours du temps. Pour les satellites autour de la Terre, le champ magnétique terrestre peut être mesuré par des magnétomètres qui permettent alors de repérer le satellite par rapport à la direction Nord-Sud. En orbite basse, les satellites peuvent également profiter des constellations GPS pour se géopositionner.

De manière générale les sondes peuvent se repérer grâce à de petites caméras de contrôle. Elles peuvent servir à repérer l'horizon d'une planète grâce à l'émission infrarouge de celle-ci, ou la position du Soleil dans le ciel. Les viseurs d'étoiles, ou star-tracker en anglais, sont des caméras qui imagent le ciel étoilé autour de la sonde. Celle-ci est capable de comparer ces images avec des cartes du ciel embarquées et déterminer ainsi son orientation.

Pour s'orienter en l'air les fusées peuvent utiliser des surfaces de contrôle aérodynamiques (empennage, ailerons ou panneaux cellulaires). Elles peuvent aussi jouer sur leur poussée : certaines peuvent incliner les tuyères des moteurs (le cardan) et orienter la poussée, d'autres peuvent moduler l'intensité de la poussée à la manière d'un véhicule chenillé qui tourne en appliquant un différentiel de vitesse sur les différentes chenilles. Pour cela la fusée peut utiliser des moteurs vernier, situés généralement sur les cotés, qui viennent appliquer une poussée plus ou moins intense d'un coté ou de l'autre, soit en modulant directement la poussée des différents moteurs si elle en possède plusieurs.

Dans le vide spatial, l'appui aérodynamique est inexistant. Comme la propulsion, le contrôle de l'attitude se fait par action-réaction via deux méthodes.

Les propulseurs d'attitude sont de petits propulseurs répartis sur l'ensemble de l'engin spatial. Ils permettent de générer un couple dans la direction voulue en générant des poussées opposées de par et d'autre du véhicule. Ces propulseurs fonctionnent généralement aux gaz froids, aux monergols ou aux ergols liquides comme l'hydrazine. Le choix de l'hydrazine est important car ce composé chimique se conserve sur la longue durée, contrairement aux ergols comme l'oxygène liquide qui doit être évacué du réservoir sous peine que celui-ci explose à cause de la pression générée par la vaporisation de l'oxygène.

Sans propulsion il est possible de s'orienter dans l'espace par l'utilisation de roues à réaction. Elle consiste à faire entrer en rotation une roue de forte masse par un moteur électrique. Par la conservation du moment cinétique, le reste de l'engin spatial se met à tourner dans le sens inverse de la rotation de la roue.

Pour stabiliser un engin spatial de manière passive (sans actionner de système), la manière la plus commune est de placer l'engin en rotation sur lui-même dès son lancement. Dans le vide spatial, l'absence de frottement rend la rotation perpétuelle, aucune énergie supplémentaire n'est nécessaire pour maintenir ce mouvement. La stabilisation selon une direction donnée est assurée par effet gyroscopique. Dans le cas d'engins volumineux comme les stations spatiales, la stabilisation peut être passive par la différence de force de gravité entre les parties les plus proches du sol et les parties les plus en altitude.

Les satellites et sondes spatiales ont un vaste panel d'enjeux très différents les uns des autres. Les engins spatiaux inhabités sont composés d'un chassis sur lequel sont fixés les instruments, les antennes et les différents capteurs. La plupart des sondes spatiales possèdent un système de propulsion si elles sont suffisamment grandes pour accueillir les propulseurs et les réservoirs de propergol. Ces systèmes de propulsion peuvent être multiples avec un système de propulsion principal pour effectuer les manœuvres orbitales et un système de contrôle d'attitude constitué de plusieurs petits propulseurs.

Les sondes spatiales doivent également être capables d'être autonome en électricité pour alimenter les capteurs, les instruments, les antennes radio et surtout l'ordinateur de bord. Il n'y a que peu de manières de générer de l'électricité dans l'espace :

Les batteries fournissent une énergie limitée dans le temps. C'est le premier système d'alimentation électrique utilisé par les satellites dans l'histoire. Aujourd'hui elles sont complémentaires d'autres systèmes d'alimentation pour ne pas limiter la durée de vie du satellite.

Le RTG qui équipe la sonde Cassini.

Les panneaux solaires fournissent de l'électricité grâce à la lumière du Soleil par effet photoélectrique. Ils nécessitent cependant évidemment une exposition au Soleil. Ce n'est pas un problème pour les sondes interplanétaires. Les satellites terrestres eux peuvent utiliser des batteries lors du passage du coté nuit, ou peuvent être placé sur une orbite héliosynchrone. L'orbite héliosynchrone est une orbite non-képlerienne dont la longitude du nœud ascendant varie du fait de l'irrégularité du champ gravitationnel terrestre. Elle a la particularité d'exposer le satellite en permanence face au soleil.

Les panneaux solaires sont d'autant plus efficaces qu'ils sont proches du Soleil car l'intensité lumineuse décroit avec le carré de la distance. Ainsi ils ne fourniront qu'une puissance très faible passé l'orbite de Mars. Pour des missions vers le système solaire externe, la sonde doit utiliser des panneaux solaires beaucoup plus grands ou utiliser une autre source d'énergie.

Les piles à combustible fournissent de l'électricité par une réaction d'oxydo-réduction. Elles nécessitent d'emporter des réservoirs supplémentaires pour être alimentée, et est donc limitée dans le temps. Elles ont cependant l'avantage de fournir une grande puissance. Un tel système a été utilisé pour alimenter la capsule Apollo ou la navette spatiale américaine.

Les générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) utilisent la chaleur dégagée par un matériau radioactif pour la convertir en électricité grâce à des thermocouples. Du fait de la durée de désintégration radioactive, la génération d'électricité peut être considéré comme infinie par rapport à l'échelle de temps des missions spatiales. Du fait de cet avantage, les RTG sont utilisés pour les missions vers mars et vers le système solaire externe, car à ces distances du soleil ils sont beaucoup plus efficaces que les panneaux solaires.

L'agence spatiale européenne n'utilise pas de RTG du fait de la politique anti-nucléaire de l'Allemagne, principal contributeur financier de l'agence. Les sondes européennes n'utilisent alors qu'exclusivement des panneaux solaires.

Une sonde spatiale doit avoir également la capacité de stabiliser sa température, plus ou moins selon les besoins. Certaines utilisent des boucliers thermiques pour se protéger des rayons du Soleil, c'est le cas pour certains télescopes spatiaux ou pour les sondes solaires qui s'approche à de basses altitudes. Pour réguler la température, les grosses sondes ou les stations spatiales utilisent des radiateurs qui évacuent la chaleur dans le vide spatial sous forme de rayonnement.

Les véhicules spatiaux habités et les stations spatiales doivent répondre à des enjeux supplémentaires. Le but premier est de permettre à un être humain de vivre à bord. Le véhicule doit permettre à une atmosphère respirable de demeurer en son sein, et donc de résister à la différence de pression entre l'intérieur et le vide spatial.

Cette atmosphère doit être recyclée dans le cas d'une mission de longue durée. Le CO2 est capturé par des filtres à air et sert à produire de l'eau par le procédé Sabatier.

La chaleur doit être aussi régulée par des radiateurs externes qui rayonnent la chaleur excessive dans le vide.

L'exposition des humains aux radiations est également un enjeu de taille pour les futures missions habitées interplanétaires. Aujourd'hui les astronautes n'y sont pas exposés car les stations spatiales se situent en dessous des ceintures de radiation, ils sont alors protégés par le champ magnétique terrestre. Pour les mission Apollo cependant, les astronautes étaient exposées aux radiations interplanétaires, mais sans conséquences car les missions ne duraient que quelques jours, or la durée d'exposition est un critère majeur dans la dangerosité des radiations.

Les enjeux du vol habité en sont pas seulement technologiques, ils sont aussi logistiques, médicaux et psychologiques. La nourriture est étudiée pour être manipulée, utilisée et consommée en situation d'apesanteur, et elle doit être en quantité suffisante pour la durée de la mission. Les stations doivent êtres ravitaillées régulièrement pour apporter la nourriture et évacuer les déchets, ce qui nécessite un lancement régulier depuis la terre.

En plus de la nourriture, l'entièreté de la vie dans l'espace doit être adaptée à l'apesanteur, comme le déroulement du sommeil ou l'assouvissement des besoins physiologiques. C'est pour répondre à cette dernière problématique que les couches-culottes ont été inventées, avant d'être adaptées sur Terre pour les nourrissons.

Le comportement du corps humain et des êtres vivants, au même titre que les impacts de l'enfermement de longue durée et de l'apesanteur sur la psychologie humaine sont des aspects profondément étudiés grâce aux stations spatiales.

La première image envoyé par le satellite de météorologie Deep Space Climate Observatory.

L'exploration spatiale a débuté sous l'impulsion de l'Année Géophysique Internationale. Dans ce cadre l'URSS et les États-Unis on lancé les premiers programmes de satellites artificiels. Ces satellites, outre l'aspect symbolique, avaient une réelle utilité scientifique. Spoutnik comme Explorer avaient pour but premier de mettre en évidence les ceintures de radiations. Auparavant, l'exploration spatiale se faisait au moyens de fusées-sondes, des fusées monoétages qui se propulsaient jusqu'à la haute atmosphère pour y faire des relevés, notamment sur le sujet des rayons cosmiques.

La Terre est une cible de choix pour l'exploration spatiale, c'est l'astre le plus proche à étudier. Les missions scientifiques pour étudier la planète sont nombreuses et abordent de nombreux domaines différents. L'étude du champ magnétique terrestre et des radiations a été le premier sujet de l'exploration de l'espace.

Dès 1959 les premières missions de météorologie voient le jour avec Vanguard 2 qui a pour but d'observer la couverture nuageuse, mais c'est un échec. C'est TIROS-1 qui est le premier satellite opérationnel dédié à la météorologie, lancé en 1960. Grâce a ses photos les météorologues ont une information globale sur la couverture nuageuse. Aujourd'hui la gamme de satellites météorologique est vaste et permet de caractériser le climat et son évolution, et notamment de fournir de précieuses données sur le réchauffement climatique.

L'étude spatiale de la Terre se traduit également par l'étude des océans avec des satellites d'océanographie. Leur rôle est multiple. TOPEX/Poseidon par exemple avait pour but de mesurer la topographie du plancher océanique. Les océans sont encore mal connus, les expéditions de navires ou de sous-marins à but scientifique sont rares et manquent de recul. L'étude satellite permet ce recul et l'étude global des océans et de leur dynamique. Ils sont également une clé pour comprendre l'évolution du climat.

Les satellites d'observation de la Terre jouent aussi un rôle majeur pour de nombreux domaines et donc aussi pour l'étude scientifique. Ils permettent de réaliser des clichés, comme les satellites météo, à plus ou moins grande échelle des régions du globe qui servent à élaborer des cartes, mais aussi à caractériser l'évolution géographique des terrains, comme les forêts, les champs ou les zones urbaines.

Enfin les trajectoires orbitales permettent de mieux comprendre la géodésie des planètes et de la Terre. Les variations du champ gravitationnel terrestre en fonction de la latitude et de la longitude caractérisent la constitution interne de la planète, et servent d'autre part à mieux prévoir les variations des orbites des satellites.

L'exploration du système solaire, permise par les manœuvres orbitales, a débuté dès 1958 avec les premiers programmes de sondes lunaires. Dans les années 60 les lancements se multiplient avec les premieres sondes d'exploration de Mars et de Vénus. Les années 70 voient le début de l'exploration du système solaire externe. L'exploration du système solaire sert à mieux comprendre les planètes, leur formation et leur évolution, mais également l'évolution du système solaire, et l'apparition de la vie sur Terre. Elle permet également de rechercher des traces de vie présente ou passée ailleurs que sur Terre.

Les instruments au sol (ALSEP), dont le sismomètre au premier plan, déployés par la mission Apollo 16.

La Lune est la meilleure cible d'exploration après la Terre elle-même, car elle est l'astre le plus proche. Elle est le seul astre visité par des humains autre que la Terre, et l'un des seuls astres avec quelques astéroïdes dont les échantillons ont pu être ramenés sur Terre.

L'exploration lunaire commence dès 1958 avec les programmes Luna et Pioneer, mais ce sont les 6 missions Apollo de 11 à 17 qui fourniront le plus de données. Les astronautes ont pu placer de nombreux instruments de mesure compris dans l'Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP). Parmi eux on trouve des sismomètres pour étudier la composition interne de la Lune, des détecteurs de particule pour mesurer le rayonnement, un instrument pour analyser l'atmosphère, presque négligeable mais qui caractérise le dégazage des roches, un réflecteur laser pour mesurer avec précision la distance Terre-Lune ou encore un magnétomètre. En plus des instruments scientifiques les missions Apollo ainsi que les missions Luna 16, 20 et 24 ont pu ramener au total 382 kg d'échantillon de roche lunaire. L'analyse de ces roches a permit de mieux comprendre la formation de la Lune mais aussi ses similitudes avec la Terre.

Par la suite les différentes missions ont développé la connaissance des roches et de leur composition chimique. Lunar Reconnaissance Orbiter permet une cartographie complète et précise de la Lune. Chandrayaan-1 de l'ISRO a permis la détection de glace d'eau propre aux roches lunaires dans certaines régions, ce qui est un élément important pour l'établissement de futures bases habitées.

Le programme chinois Chang'e a réalisé le premier atterrissage sur la face cachée avec Chang'e 4 en 2018 et le premier retour d'échantillons lunaires depuis Luna 24 en 1976 avec Chang'e 5 en 2020. L'exploration lunaire se poursuit par le programme Artemis qui enverra les premiers humains sur la Lune depuis Apollo 17 ainsi que le programme CLPS qui a pour but d'envoyer des sondes privées à but scientifique vers le satellite naturel. En parallèle, la station Gateway va être construire sur une orbite de Halo autour de la Lune, ce qui permettra de poursuivre les recherches sur le vol spatial habité de longue durée et sur l'expostion aux radiations interplanétaires, ainsi que de servir de plateforme pour les missions Artemis et les futures missions habitées vers le sol.

L'exploration de Mars permet une meilleure compréhension de la planète et de son évolution par l'usage d'orbiteurs, d'atterrisseurs et de rovers. Elle reste la moins difficile d'accès du fait de sa proximité avec la Terre. Ainsi l'envoi de sondes spatiales a pu se multiplier au cours du temps, faisant de Mars la planète la mieux connue après la Terre.

Selfie du rover Perseverance avec l'hélicoptère Ingenuity.

Les orbiteurs permettent d'établir un planisphère complet de la planète et de sa topographie. Celle-ci permet de mettre en evidence les reliefs mais surtout les canyons et les écoulements qui témoignent de la présence passée d'eau liquide. En effet l'eau liquide, sa présence et sa disparition est un des enjeux majeurs de l'exploration de Mars, car c'est un indicateur précieux de la présence éventuelle d'une trace de vie. La présence passée d'eau liquide nécessite une atmosphère suffisamment pressurisée et chaude par le passé. La disparition de cette atmosphère est causée par la perte du champ magnétique, mais elle nécessite d'être mieux comprise pour déterminer comment l'atmopshère pouvait abriter l'eau liquide. Pour cela il y a des missions météorologiques comme MAVEN qui étudie l'échappement atmosphérique de la planète et sa magnétosphère.

Les missions au sol permettent en partie d'analyser les roches et leur composition, ce qui permet de les dater et d'étudier le volcanisme qui s'exerçait jadis sur la planète. InSight a placé le premier sismomètre, SEIS, sur la planète qui permet de détecter d'éventuels séismes, et si tel est le cas d'analyser pour la première fois avec précision la composition interne de la planète. L'atterrisseur possède également une pelle, comme Phoenix qui a permit de creuser le sol et de découvrir la présence d'eau sous forme de glace un peu partout sur la planète. Cette glace pourrait être exploitable pour de futures missions habitées.

L'étude des roches pourrait permettre de découvrir des traces de vie passée, mais est limitée par la technologie robotique. Pour améliorer la recherche géologique martienne, comme pour toutes les planètes, l'enjeu est de parvenir à ramener des échantillons sur Terre. C'est le rôle du Mars Sample Return dont la première phase est constituée du rover Perseverance.

L'étude des roches est également limité par la topographie particulière de Mars. Ses deux hémisphères sont très différents et jusqu'en 2021 aucune mission n'a exploré le sol de l'hémisphère sud, trop rugueux et trop incertain pour y poser une sonde. L'hémisphère Sud possède pourtant les roches les plus anciennes présentes en surface, et leur étude serait un atout de taille pour la recherche, ce qui montre que l'exploration de Mars, bien que la plus complète pour une planète à ce jour, reste encore à ses débuts.

Après la course à la Lune, l'exploration de Vénus se poursuit essentiellement grâce aux sondes soviétiques du programme Venera qui fera atterrir le premier objet humain sur une autre planète avec Venera 7 en 1970 et donnera les premières images de la surface de Vénus avec Venera 9 en 1975. Après la chute de l'URSS, l'exploration vénusienne se poursuit avec peu de sondes, comme la sonde Magellan de la NASA, Venus Express de l'ESA ou Akatsuki de la JAXA.

L'exploration de Vénus est difficile, car la planète présente des conditions extrêmes. La pression est 90 fois supérieure à la pression atmosphérique terrestre, et la température y avoisine les 500 °C. Les sondes spatiales sont incapables de résister à cet environnement. Pour y parvenir les soviétiques ont réalisé des sondes Venera très résistantes mais aussi très lourdes pour ne pas imploser sous la pression et protéger le plus possible les instruments de la température. Venera 13 a duré jusqu'à 127 minutes à la surface de la planète.

Peu de choses sont ainsi connues de Vénus. Contrairement à Mars qui possède une atmosphère transparente et qui peut accueillir des rovers et atterrisseurs de géologie, Vénus ne peut être étudiée que depuis l'orbite et son atmosphère est opaque à la lumière visible. L'étude de sa surface rocheuse est réalisée par radar.

Cependant des ballons sondes ont été envoyés dans son atmosphère. Au sein de celle-ci pourrait se trouver selon certaines théories des formes de vie extremophiles. En effet si l'environnement Vénusien est inhabitable au sol, la température diminue fortement avec l'altitude.

En 2021 seule la sonde Akatsuki est opérationnelle en orbite de Vénus.

Le sol de Vénus en 1982, pris par Venera 13

Mercure vue par la sonde MESSENGER. Il n'y a aucune image depuis le sol de la planète.

Atteindre Mercure est extrêmement compliqué. Sa proximité avec le Soleil lui confère une vitesse orbitale importante. Un transfert de Hohmann depuis l'orbite terrestre jusqu'à l'orbite de Mercure nécessite un très lourd incrément de vitesse, qui requiert beaucoup de carburant ou une efficience des propulseurs élevée. La trajectoire est facilitée par l'utilisation de l'assistance gravitationnelle de Vénus.

Ainsi, seul trois missions ont été envoyées vers Mercure : Mariner 10 en 1973, MESSENGER en 2004 et BepiColombo en 2018 qui devrait arriver autour de la planète en 2026. Mariner 10 est le seul objet humain à avoir touché le sol de la planète lorsqu'elle s'y est écrasée en 2015.

La surface de Titan, la plus grosse lune de Saturne, prise par la sonde européenne Huygens le 14 janvier 2005.

Le système solaire externe désigne la zone du système solaire située au-delà de la ceinture principale d'astéroïdes. Tout comme pour Mercure, atteindre ces astres est difficile à cause du delta-v nécessaire. Pour obtenir les trajectoires de transfert, l'assistance gravitationnelle est nécessaire, mais elle requiert un alignement spécifique des planètes. Ainsi peu de sondes ont pu explorer cette zone de l'espace, toutes américaines. Pioneer 10 est la première sonde à survoler Jupiter en 1973, puis Pioneer 11 la survole en 1974 avant de survoler Saturne en 1979.

Voyager 1 et Voyager 2 survolent les deux planètes entre 1979 et 1981. Voyager 1 permet de prendre les premières photos de Titan, la plus grosse lune du système solaire, ce qui mettra en évidence son atmosphère semblable aux atmosphères primitives des modèles d'évolution des planètes. Ces photos motiveront la création de la sonde européenne Huygens pour atterrir sur Titan lors de la mission Cassini-Huygens lancée en 1997.

Cassini est la seule sonde a avoir orbité Saturne entre 2004 et 2017. Son équivalent pour Jupiter était la sonde Galileo dont la mission s'est achevée en 2003, et qui a été remplacée par la sonde Juno en orbite autour de Jupiter depuis 2016. Ces sondes orbitales ont pu étudier en détail la dynamique de l'atmosphère de ces géantes gazeuses et de mieux comprendre leurs propriétés magnétiques. Les lunes de ces géantes sont nombreuses et variées, mais elles sont inexplorées et la connaissance sur elles est maigre. Seule Titan a été explorée par Huygens qui a permis de mesurer les propriétés de son atmosphère, et de prendre la plus lointaine image d'un paysage tellurique.

Voyager 2 de son coté est la seule sonde à avoir survolé Uranus et Neptune. Ces deux planètes restent donc très méconnues et leur étude ne peut se faire que par des télescopes au sol ou en orbite comme Hubble. Ces observations astronomiques ont pu mettre en évidence par exemple la variabilité de l'atmosphère et des tempêtes de Neptune au cours du temps par rapport aux images prises par Voyager 2.

Au delà de Neptune, l'exploration n'a été assurée que par la sonde New Horizons qui a pour la première fois pris des images détaillées de Pluton en 2015 lors d'un survol et est partie explorer les petits corps plus lointain comme Arrokoth, un astre situé à 43,4 unités astronomiques du Soleil. Les images de New Horizon ont révélé la complexité de la surface de Pluton et de sa lune Charon, ce qui motive de futurs projets d'exploration.

JUICE et Europa Clipper sont des missions respectivement européenne et américaine en cours de développement pour explorer Jupiter et ses satellites. Europe par exemple est une lune gelée qui contient probablement un vaste océan d'eau liquide, c'est une cible pour y découvrir de potentielles traces de vie. Dragonfly est une mission qui ira explorer à nouveau Titan à l'aide d'un hélicoptère. En effet elle reste la lune la plus intéressante d'un point de vue planétologique par son atmosphère et par ses réseaux de lacs et de rivières d'hydrocarbures.

De très nombreuses autres destinations attisent l'intérêt scientifique comme Io et son volcanisme intense ou Encelade, une lune gelée ; mais ces destinations ne font pas l'objet de missions d'exploration en 2021.

Lors de la formation du système solaire, la matière s'est agglomérée pour former les planètes. Le reste de la matière qui a échoué à former des planètes a formé des petits corps comme les astéroïdes ou les comètes. Ainsi l'étude de ces astres constitue un moyen direct d'étudier la composition du système solaire à ses débuts.

Les roches des astéroïdes sont les plus vieilles roches du système solaire. Deux missions ont réussi a ramener des échantillons sur Terre des astéroïdes Itokawa et Ryugu : Hayabusa 1 et Hayabusa 2 opérées par l'agence spatiale japonaise. Ce genre de mission est également difficile pour la même raison que l'exploration de Mercure ou du système solaire externe : la sonde doit pouvoir fournir un très grand différentiel de vitesse (delta-v) pour atteindre sa destination, mais aussi pour en revenir. Ces astéroïdes sont les seules destinations depuis lesquelles des engins on pu revenir, à part la Lune. OSIRIS-REx est une sonde américaine qui poursuit le même objectif de retour d'échantillons. En Mai 2021, elle est en orbite autour de l'astéroïde Bénou et doit revenir sur Terre en 2023.

La comète Tchouri prise par Rosetta en 2014.

Les comètes sont différentes des astéroïdes par le composition de glace d'eau et de poussière. Elles sont formées loin du soleil au delà de l'orbite de Neptune, et peuvent s'aventurer dans le système solaire interne lorsque que leur orbite est déstabilisée. Elles peuvent être alors visibles depuis la Terre. L'exploration des comètes est tout aussi complexe du fait du différentiel de vitesse, car leur trajectoire est soit très lointaine, soit très elliptique. Seule l'Europe a envoyé une sonde, Rosetta, vers une comète nommée Tchouri. Rosetta est l'une des missions spatiales les plus ambitieuses de l'histoire par la complexité de sa trajectoire. Elle embarquait Philae, un atterisseur qui a pu toucher la surface de la comète en 2014. L'étude des comètes et de leur composition in situ est primordiale pour vérifier l'hypothèse selon laquelle l'eau des océans terrestres est d'origine cométaire.

L'étude du Soleil est réalisée par l'astronomie, mais pour confirmer les modèles théoriques décrivant sa surface, il est nécessaire d'envoyer des sondes s'y approcher de près. Tout comme Mercure, les trajectoires d'approche de la surface du Soleil sont complexes et gourmandes en vitesse. Si gourmandes qu'il n'est pas question de placer une sonde en orbite circulaire basse autour de celui-ci, mais de s'y approcher de manière temporaire au cours du passage au périhélie d'une orbite excentrique. Ce type de trajectoire permet par la même de ne pas exposer trop longtemps les sondes au rayonnement intense.

La sonde Ulysses, créée conjointement par l'ESA et la NASA a pu se placer en orbite polaire autour du Soleil dans les années 90, lui permettant d'étudier ses pôles et de cartographier le rayonnement en trois dimensions. Parker Solar Probe et Solar Orbiter, respectivement de la NASA et de l'ESA sont des sondes lancées en 2018 et 2020. Les deux sondes sont lancées sur des trajectoires très excentrique pour s'approcher très proche de la surface du Soleil et permettre son étude de près. Parker reste sur une orbite équatoriale mais s'approche plus près que Solar Orbiter. Elle est devenu ainsi l'objet le plus rapide conçu par l'Homme lors de son passage au périhélie le 29 avril 2021, à 10 millions de kilomètres de la surface solaire atteignant alors 148 km/s. L'orbite de Solar Orbiter est plus inclinée ce qui lui permet d'étudier les régions polaires du Soleil.

De telles sondes on permis par exemple d'obtenir les images les plus détaillées de la photosphère, qui mettent en évidence les cellules de convection.

L'astéroïde Arrokoth vu par New Horizons en 2019. C'est l'objet le plus lointain a avoir été photographié de près.

Le système solaire s'étend jusqu'au nuage d'Oort, qui s'étend entre 20 000 et 100 000 unités astronomiques soit plus de 10 000 milliards de kilomètres. Il est donc impossible pour une sonde de quitter le système solaire rigoureusement parlant. Cependant le système solaire peut être décrit par la composition de son milieu interplanétaire, différent du milieu interstellaire. Cette limite entre les deux milieus est définie par l'héliopause, la frontière caractérisée par l'équilibre entre le champ magnétique solaire et les vents cosmiques, similaires aux vents solaires mais issu d'autres sources au sein de la galaxie.

Seules 5 sondes se dirigent vers l'extérieur du système solaire : Pioneer 10 et 11, Voyager 1 et 2 et New Horizons. Seules les trois dernières sont encore opérationnelles, et seul Voyager 1 a franchi l'héliopause pendant son opération. Comme elle, New Horizons et Voyager 2 devraient franchir cette frontière approximative dans le futur et permettre d'étudier le milieu interstellaire.

S'il est impossible de sortir du système solaire avec les moyens actuels, des projets comme Breakthrough Starshot prévoient d'utiliser des voiles solaires pour propulser des sondes de quelques grammes vers Alpha du Centaure en quelques dizaines d'années. En effet bien que la propulsion fournie par les voiles solaires est extrêmement faible, elle est théoriquement infinie, et pourrait permettre d'accélérer une légère sonde jusqu'à une fraction de la vitesse de la lumière.

Explorer au-delà du système solaire reste un sujet d'écriture pour les œuvres de science-fiction. Une telle exploration nécessite une nouvelle physique permettant des propulsion supra-luminiques, ou l'emploi d'un large vaisseau spatial habité permettant la survie d'une population humaine durant des centaines de milliers d'années. En effet, atteindre Alpha du Centaure, pourtant le système stellaire le plus proche de nous, prendrait environ 92 000 ans à la vitesse de la sonde New Horizons.

L'exploration spatiale ne sert pas qu'a étudier les astres de manière in situ. L'astronautique permet de placer des télescopes en orbite, cela permet certains avantages selon le domaine d'observation, autrement dit selon la longueur d'onde étudiée.

Le télescope Hubble vu depuis la navette Discovery pour la mission STS-82.

Il n'y a pas à priori de nécessité d'envoyer un télescope en lumière visible dans l'espace. L'observation et l'étude des planètes et des autres objets du ciel peut s'effectuer, à l'œil nu ou par un télescope dans un observatoire. C'est la raison pour laquelle le déploiement de télescopes orbitaux à but astronomique capables d'opérer en lumière visible est venu tard par rapport aux autres longueurs d'ondes d'observation.

Une première motivation d'envoyer un télescope spatial en orbite est la capacité d'observer le ciel en permanence, contrairement à un télescope au sol qui doit attendre la nuit.

Une autre motivation d'employer un télescope spatial en lumière visible vient de l'atmosphère. Avec le développement de la recherche astronomique, les télescopes nécessitent de capter plus de lumière pour observer des astres peu visibles, et donc d'être plus grands. Cependant l'atmosphère et ses turbulences nuisent à la pleine exploitation du pouvoir de résolution d'un large télescope. Deux solutions sont utilisées pour palier à ces effets atmosphériques : l'utilisation de l'optique adaptative, ou de s'affranchir simplement de l'atmosphère en plaçant le télescope en orbite.

Bien que n'étant pas le premier télescope spatial optique, le télescope Hubble est le symbole de l'astronomie en orbite. Lancé en 1990, il possède un miroir de 2 mètres de diamètre et est capable de prendre des images du ciel afin d'étudier les planètes du système solaire, les étoiles, les nébuleuses, les galaxies et les objets lointains. C'est le seul télescope a être aussi polyvalent.

Les autres télescopes optiques comme le premier lancé, Hipparcos, lancé en 1989, sont conçus pour l'observation stellaire. L'observation des étoiles permet soit d'étudier leur dynamique et leur composition interne, soit pour détecter et caractériser les exoplanètes, soit dans un simple objectif de catalogage.

D'autres comme Euclid sont conçus pour observer le ciel lointain à des fins de cosmologie.

La galaxie du sombrero en infrarouge à partir des données d'Hubble et de Spitzer.

Par la présence de l'ionosphère, l'astronomie en lumière infrarouge est impossible depuis le sol, sauf pour quelques fenêtres atmosphériques. Il est donc nécessaire d'employer un télescope spatial. L'astronomie infrarouge permet d'étudier l'univers froid, c'est-à-dire le milieu interstellaire ou des astres comme les exoplanètes ou les naines brunes.

Jusqu'au lancement de l'astronomie infrarouge, ces corps froids, donc presque invisibles depuis le sol terrestre, étaient une hypothèse pour expliquer le problème de la matière noire, hypothèse infirmée depuis.

Aujourd'hui, l'astronomie infrarouge permet d'analyser la composition des galaxies et du milieu interstellaire, c'est-à-dire les poussières et les nuages moléculaires. L'étude du milieu interstellaire permet de comprendre la formation des étoiles et des planètes, ainsi que la dynamique générale des galaxies.

Elle permet également d'observer le ciel lointain à des fins de cosmologie, car du fait de l'expansion de l'Univers, les ondes lumineuses voient leur longueur d'onde augmenter. Ce décalage vers le rouge fait que les astres lointains ont tendance à rayonner dans l'infrarouge. Ceci permet alors de mieux comprendre la formation des galaxies et des amas de galaxies lorsque l'Univers était encore jeune.

C'est dans ce domaine de longueur d'onde qu'ont observé Spitzer, Herschel, et qu'observera le James Webb Space Telescope, le plus grand télescope spatial conçu.

Tout comme l'astronomie en infrarouge, l'astronomie en rayons X nécessite l'emploi de télescopes spatiaux, du fait de l'atmosphère terrestre. L'astronomie en rayons X permet d'étudier les objets et évènements énergétiques, comme le Soleil, mais aussi les étoiles à neutron, et les disques d'accrétion des trous noirs. L'étude des planètes et de leurs atmosphères est également possible, car elles reflètent le rayonnement X du Soleil.

Le premier télescope capable d'observer le ciel dans ces longueurs d'ondes est Uhuru lancé par la NASA en 1970.

L'astronomie en rayons X, comme l'astronomie en rayons gamma, de par sa capacité à percevoir des évènements astronomiques très énergétiques occupe une grande place dans l'astronomie multi-messager, qui consiste à mettre en corrélation l'observation du ciel dans plusieurs longueurs d'ondes ainsi qu'avec des observations de neutrinos ou d'ondes gravitationnelles, notamment pour l'étude des objets compacts.

Chandra et XMM-Newton peuvent être cités comme les plus célèbres observatoires en rayons X aujourd'hui.

Le rayonnement gamma est le domaine du spectre électromagnétique le plus énergétique. De la même manière que le rayonnement X et infrarouge, le rayonnement gamma d'origine astronomique est absorbé par l'atmosphère. L'étude du ciel énergétique peut néanmoins se faire au sol grâce à des télescopes à effet cherenkov, car les rayons cosmiques et les rayons gamma provoquent des gerbes de particules une fois entrés dans l'atmosphère.

La détection de rayonnement aussi énergétique permet d'étudier des évènements tout aussi énergétiques, comme les supernovae, et des objets compacts comme les pulsars et les trous noirs. L'astronomie gamma permet aussi de détecter les signes de réaction nucléaires et d'interaction entre particules, comme l'annihilation électron-positron qui émet un rayonnement gamma à 511 keV. Ceci permet de mieux connaitre la formation et la répartition de l'antimatière dans l'univers, ainsi que de mieux cartographier la source des éléments lourds créés par nucléosynthèse.

Le fond diffus cosmologique mesuré par le satellite WMAP.

Il n'y a aucune contrainte au sol pour observer le ciel en ondes millimétriques, micro-ondes et sub-milimétriques, car comme pour la lumière visible, l'atmosphère est transparente dans ces longueurs d'ondes. Un télescope spatial opérant en ondes millimétriques possède alors le seul avantage de pouvoir observer une région du ciel 24h/24, n'étant pas gêné par l'orientation de la Terre. Ce domaine de longueurs d'onde permet d'étudier les régions les plus froides de l'univers, minorées par le fond diffus cosmologique (CMB).

Cet avantage permet de réaliser des cartes du ciel complètes, et notamment des cartes complètes du rayonnement fossile. Dans cette optique trois télescopes ont été lancés successivement : COBE, WMAP et Planck. Ces cartes du CMB ont permit de rendre compte de l'homogénéité quasiment parfaite de celui-ci. Les futurs observatoires spatiaux opérant en ondes millimétriques permettront d'accroitre la connaissance du fonds diffus cosmologique, pour étudier l'énergie sombre et pour valider ou invalider des hypothèses comme l'inflation cosmique.

Une exception est faite par la mission Odin qui a pour objectif d'étudier la chimie du milieu interstellaire, ainsi que de réaliser des analyses de l'atmosphère terrestre[42].

Les ondes radio et tout rayonnement dont la longueur d'onde est supérieure au millimètre et inférieure à la dizaine de mètres peuvent traverser parfaitement l'atmosphère. Seules deux missions à but radioastronomique ont été lancées dans l'espace dans le seul objectif de réaliser de l'interférométrie à très longue-base, pour simuler un radiotélescope avec un très grand diamètre.

La lumière et plus généralement le rayonnement électromagnétique n'est qu'un messager astronomique parmi d'autres. Autrement dit l'astronomie désigne la détection d'une onde ou d'une particule, qui traduit une information. Par exemple lorsque l'on entends un son, c'est l'onde sonore qui est messager de l'information sonore.

Les messagers astronomiques autre que les photons sont les rayons cosmiques et autres particules chargées électriquement, les neutrinos et les ondes gravitationnelles.

Les particules chargées électriquement comme les rayons cosmiques sont étudiées au sol par des télescopes à effet cherenkov. Leur détection par des instruments spatiaux sont en général faites en parallèle de l'observation en rayons X comme avec le satellite HEAO 3. L'étude en orbite des particules chargées est aussi nécessaire, non plus dans un but astronomique, mais pour cartographier les ceintures de radiation, ou dans la même idée pour évaluer le taux de radiation à bord des stations spatiales.

Les ondes gravitationnelles et les neutrinos nécessitent de larges installations au sol pour permettre de détecter ces messagers de manière significative. Seule l'Agence Spatiale Européenne prévoit d'envoyer un système spatial pour détecter les ondes gravitationnelles nommé LISA, qui comme les détecteurs terrestres utiliserait l'interférométrie à l'aide de lasers.

Sergey Ryazansky pendant une sortie extra-véhiculaire en dehors de l'ISS en 2013.

Pour pousser l'exploration spatiale plus loin, la présence humaine est requise. Elle implique l'envoi de vaisseaux plus massifs, et comme le voyage doit être aller-retour, il implique la possibilité d'un retour d'échantillons. Seule la Lune a été explorée par des astronautes grâce aux missions Apollo, ce qui a permit le retour de 400 kg d'échantillon lunaire, bien plus que ne peuvent ramener les sondes robotiques. Apollo a permit par la même de déployer de nombreux instruments de mesure sur le sol lunaire.

Idéalement une telle exploration humaine doit être envisagée pour explorer Mars et éventuellement les autres planètes dans un futur lointain. Cependant les missions interplanétaires habitées sont impossible en 2021 du fait de la durée du trajet, de ses impacts psychologiques et médicaux et de l'exposition des astronautes aux radiations du vent solaire. Il est alors nécessaire de compléter la connaissance scientifique sur ces aspects du vol habité de longue durée avant d'envisager une mission interplanétaire. Pour cela les puissances spatiales ont développé les programmes de stations spatiales après la fin des programmes lunaires habités.

Les missions Apollo ne duraient que quelques jours et permettaient déjà d'augmenter la connaissance sur les impacts de la durée sur le vol spatial habité, mais cette durée a été fortement accrue dès les premières stations spatiales avec Saliout 1 qui a accueilli un équipage pendant 23 jours, et Skylab qui a accueilli un équipage pendant 84 jours.

Le record de durée d'un vol spatial est attribué en 2021 à Valeri Poliakov qui est resté 14 mois d'affilée dans la station Mir. De nos jours les astronautes dans l'ISS y demeurent en moyenne 6 mois, soit le temps nécessaire pour un trajet Terre-Mars. Depuis le 2 novembre 2000, la présence d'astronautes à bord de l'ISS est permanente.

Toutes les stations spatiales se situent cependant sous les ceintures de radiations, ce qui protège les astronautes des radiations trop intenses. Le problème de l'irradiation lors d'un voyage interplanétaire n'est donc pas résolu. Lors des missions Apollo, les astronautes n'étaient exposés que quelques jours à ces radiations, ce qui est insuffisant pour comprendre leur impact à long terme. Pour cela les futures stations spatiales devront être placées au-delà des ceintures de radiations, comme la station Gateway qui sera lancée au cours de la décennie 2020 autour de la Lune.

Pour rentabiliser le temps passé à bord des stations, les astronautes conduisent des expériences scientifiques, premièrement à visée médicale pour étudier le comportement de leur propre corps humain en microgravité sur la longue durée, ce qui est, comme expliqué plus haut, le but premier des stations spatiales. La microgravité permet de réaliser par la même de nombreuses expériences dans des domaines scientifiques variés, expériences irréalisables sur Terre, à moins de recréer temporairement l'impesanteur comme avec des vols paraboliques.

Ces expériences touchent les domaines comme la médecine donc, mais aussi la psychologie, la biologie, l'ingénierie, la robotique et l'informatique. Elles sont élaborées par des scientifiques sur Terre et leur réalisation est alors confiée à des astronautes, préalablement formés à cette fin. Elles peuvent aussi être imaginées par des étudiants et ainsi avoir une visée éducative. En effet les retombées médiatiques de l'exploration spatiale humaine en font un vecteur précieux de connaissances, donnant des opportunités de vulgarisation pour les jeunes et le grand public et d'un autre coté en donnant de la visibilité à la recherche scientifique professionnelle.

Thomas Pesquet par exemple doit effectuer une dizaine d'expériences lors de sa mission Alpha lancée en Mars 2021. Ces expériences permettent de tester entre autres l'impact sur le sommeil du confinement en microgravité, de tester un nouveau matériau réutilisable pour le transport de matériel dans l'espace mais qui peut avoir des retombées dans l'industrie, de tester de nouvelles technologie de télémanipulation prometteuses pour l'industrie ou la chirurgie, ou encore d'étudier le blob dans un but éducatif.[43]

Dans le futur, les stations spatiales sont également envisagées pour un objectif touristique.

Le système économique implique la présence de nombreux acteurs du spatial, publics comme privés. Les acteurs privés exercent premièrement dans une dynamique de sous-traitance, sous la direction des agences nationales. Les entreprises conçoivent les structures, les systèmes de propulsion et les autres sous-ensembles des engins spatiaux, pour qu'ils soient ensuite lancés puis opérés par l'agence nationale elle-même.

Ce système économique, utilisé dès le début de l'exploration spatiale aux USA, a évolué en laissant de plus en plus de responsabilités aux entreprises, notamment en sous-traitant les opérations de lancement et le pilotage des satellites. Les agences spatiales nationales ne sont alors plus que des clients de ces entreprises qui proposent des services de lancement. L'usage commercial de l'espace se traduit alors essentiellement par l'envoi de satellites de télécommunication.

D'autre part, après la fin du programme des navettes spatiales, la NASA lance le Commercial Crew Program, déléguant l'opération des lancements habités a des entreprises privées. Le contrat a été remporté par Boeing et SpaceX. Plus généralement on parle d'exploration commerciale de l'espace, désignant les missions spatiales qui ne sont pas à but commercial, mais opérées comme telles. C'est le cas par exemple avec le Commerical Lunar Pyaload Services, projet permettant aux entreprises du secteur spatial d'assurer des missions d'exploration scientifique vers la Lune, pour le compte de la NASA.

La privatisation des opérations de lancement ouvre de cette façon la voie à plus de tourisme spatial, qu'il soit orbital ou suborbital. Le premier touriste de l'espace est Dennis Tito, un millionnaire américain, qui a séjourné à bord de l'ISS après un lancement sur la mission Soyouz TM-32 le 28 avril 2001. Jusqu'alors, les touristes devaient payer leur place grâce à la société Space Adventures, qui s'occupait d'effectuer la médiation entre le client et les agences spatiales qui assuraient les lancements.

SpaceX prévoit d'envoyer en 2021 la première mission orbitale entièrement touristique, là où jusqu'alors, les touristes étaient toujours accompagnés d'astronautes professionnels. En parallèle, d'autres entreprises ont développé des systèmes de lancement suborbitaux, pour proposer aux clients de voyager dans l'espace pour quelques minutes, c'est le cas de Blue Origin qui utilise la fusée monoétage New Shepard et de Virgin Galactic qui utilise un avion spatial aéroporté propulsé par un moteur-fusée, c'est-à-dire largué depuis un avion porteur en haute-altitude.

L'exploration spatiale a été motivée au début par des objectifs militaires, par la recherche et le développement des missiles balistiques. L'objectif des fusées était de placer des charges nucléaires en orbite pour frapper n'importe où sur la planète en cas de guerre chaude.

Si la course à l'espace et à la Lune étaient motivées par des raisons médiatiques, l'objectif militaire s'est développé en parallèle. Les États-Unis ont par exemple réalisé dès 1962 un essai nucléaire dans l'espace, nommé Starfish Prime. Si les ICBM existent toujours, le traité de l'espace de 1966 interdit la mise en orbite d'armes de destruction massive. Ce traité n'exclut pas la possibilité de placer des armes conventionnelles en orbite, bien que l'intérêt de celles-ci dans l'espace soit limité. Jusque dans les années 80, les satellites IS soviétiques pouvaient de cette manière détruire les satellites ennemis en effectuant un rendez-vous orbital avec la cible avant d'exploser.

Depuis les années 60 et jusqu'à aujourd'hui, la militarisation de l'espace se concentre sur des objectifs bien plus utile aux armées, comme les télécommunications, la reconnaissance et l'espionnage. On peut citer les satellites américains Corona lancés dès 1959 qui pouvaient capturer des images du sol, avant de renvoyer les pellicules au sol dans des capsules spéciales, car la technologie ne permettait alors pas de transmission d'images spatiales à distance avec une qualité convenable.

Les satellites militaires permettent les télécommunication et le géopositionnement des armées, avec une précision et des sécurités supplémentaires par rapport aux mêmes applications civiles.

Le spatial militaire opère aussi surtout des missions qui ont pour but de tester des technologies, de l'instrumentation, et des matériaux à visée militaire, comme le X-37B, l'avion spatial autonome de l'US Space Force[44], bien qu'aucune information officielle ne soit dévoilée sur les missions de cette navette.

Le développement spatial s'effectuait par le biais de l'armée, tous corps confondus, comme aux USA où les armées de l'air, de terre et la marine développaient leur propres systèmes de missiles. En occident le développement civil spatial s'est séparé du développement militaire par la création d'agences nationales comme la NASA.

Le développement militaire est alors assuré en général par les armées de l'air des puissances spatiales, attribution motivée par l'aspect aéro-spatial reliant les technologies spatiales et les technologies aéronautiques.

Les grandes puissances militaires et spatiales ont décidé de créer des forces spatiales spécifiques pour s'occuper d'opérer les satellites et les diverses missions spatiales, mission auparavant assurée par les forces aériennes. Ces forces spatiales constituent soit un corps d'armée à part entière à l'image de l'US Space Force créée en 2019, soit comme une extension des forces aériennes à l'image de l'Armée de l'Air française devenue l'Armée de l'Air et de l'Espace le 11 septembre 2020.

La plupart des bases de lancement de fusée sont initialement des bases de test de missiles balistiques, à l'image du cosmodrome de Baïkonour. Elles comportent les infrastructures nécessaires pour assembler les fusées, et pour les acheminer jusqu'à la plateforme de lancement. Cette dernière doit pouvoir maintenir la fusée, permettre le remplissage de ses réservoirs dans le cas de carburants non-stockables comme l'oxygène liquide, et enclencher l'allumage des moteurs. Elle doit permettre aussi l'évacuation des gaz d'échappement et la protection du lanceur des ondes de choc. Pour protéger le lanceur, certaines plateformes de lancement utilisent un déluge qui déverse rapidement d'énormes quantités d'eau pour absorber les ondes de choc.

Pour les lancements orbitaux, la base de lancement est généralement située sur une côte océanique pour éviter tout danger de retombée de la fusée en cas de disfonctionnement. Les exceptions se trouvent à Baïkonour situé au milieu du désert kazakh et à certaines bases de lancement en Chine, où des débris retombent régulièrement sur les habitations (ce qui n'est pas le cas de la base de Wenchang située sur la côte).

Seuls certains centres de lancement sont plus connus que d'autres et notamment les principaux centres de lancement des grandes puissances spatiales :

• Les USA en comptent de nombreux répartis en trois gros centres : Cap Canaveral en Floride, Vandenberg Space Force Base en Californie, et Wallops en Virginie. Ils disposent également du Pacific Spaceport Complex situé sur l'île Kodiak en Alaska, une base de lancement surtout utilisée pour le vol suborbital. En parallèle, le lanceur orbital aéroporté Pegasus XL décolle d'un avion porteur depuis divers aéroports.
• La Russie en compte 3 principaux actifs : Baïkonour au Kazakhstan, Plessetsk au Nord-Ouest de la Russie, et Vostotchny à l'extrême Est, proche de la frontière chinoise. Elle en compte de nombreux autres, la plupart n'étant plus actifs, qui sont surtout des bases militaires.
• La France et l'Europe en compte un seul à Kourou en Guyane française.
• La Chine en compte 4 : Jiuquan, Taiyuan, Xichang situés dans les terres, et Wenchang situé sur la côte
• Le Japon en compte 2 : Tanegashima et Uchinoura.

Pour lancer une fusée sur une trajectoire suborbitale, le centre de lancement est similaire à un centre de lancement orbital, cependant les fusées en jeu sont beaucoup plus petites et sont souvent monoétage. De plus les enjeux de sécurités sont bien moindres. Tout cela fait que les bases de lancement suborbital sont beaucoup plus petites avec des infrastructures réduites au minimum.

Comme aucun engin ne part en orbite, la zone d'activité est elle-aussi très réduite, il n'y a donc pas besoin de bâtir le centre de lancement proche d'une grande étendue inhabitée comme l'océan. L'accessibilité des fusées monoétage d'un point de vue industriel et financier en fait des engins d'étude privilégiés, soit pour le développement de technologies astronautiques servant à concevoir de plus gros lanceurs, soit pour l'étude scientifique de l'atmosphère. Ainsi les bases de lancement suborbital sont très nombreuses à travers le monde et peuvent se situer relativement partout.

Pour le bon déroulement d'une mission, il faut un lieu où les équipes peuvent contrôler le déroulement des opérations, que ce soit lors du lancement, mais aussi une fois en orbite pour contrôler le satellite. Ces centres de lancement se sont agrandis rapidement au début de l'exploration spatiale à mesure que les données envoyées depuis les ordinateurs de bord des engins devenaient de plus en plus nombreuses.

Ces centres de contrôle sont constitués par une série de postes de travail, équipés d'un ou plusieurs ordinateurs opérés par autant d'employés que nécessaire. Leur mission est d'assurer la bonne réception des données, puis de traiter, afficher et analyser ces données. Cela concerne premièrement les télécommunications, mais aussi la trajectoire, et l'ensemble des sous-systèmes de l'engin. Dans le cas d'un lancement de fusée, il faut rajouter le contrôle des installations au sol. Pour une mission habitée comme une sortie extravéhiculaire, les équipes au sol scrutent également les systèmes de la combinaison des astronautes, et leur indicateurs médicaux.

Par exemple pour le lancement du lanceur Atlas V le centre de contrôle comporte 29 postes principaux, dont les directeurs de mission et de lancement, qui doivent tous donner leur feu vert pour poursuivre la procédure de lancement.

Dès le début de l'exploration spatiale, les satellites possédaient des antennes. Leur premier rôle est d'émettre un signal pour établir la télémesure et la trajectoire du satellite. Ainsi les radioamateurs peuvent de nos jours déterminer la position des sondes interplanétaires, sans même avoir besoin de décrypter le signal[45].

La transmission radio se fait aujourd'hui sur plusieurs bandes de fréquences, selon les sondes et satellites. Elle permet de transmettre les données des différents instruments à bord de l'engin et d'envoyer à ce dernier les commandes de vol, pour les manœuvres orbitales par exemple.

Naturellement, l'intensité du signal radio décroit avec la distance. Le signal a donc besoin d'être focalisé, c'est la raison pour laquelle la plupart des antennes réceptrices au sol sont des radiotélescopes, munis de large paraboles. Ces stations sol doivent être réparties dans le monde pour pouvoir couvrir la plus grande partie du ciel possible. Au début de l'exploration spatiale, les puissances spatiales n'avaient d'antennes de réception que sur leur propre territoire, elles ne pouvaient recevoir l'information de leur satellite que lorsque celui passait au-dessus du pays, ce qui a conduit par exemple à l'invention de l'orbite Molniya par les soviétiques dans un but d'espionnage.

De plus en plus, les agences spatiales testent les communications par laser, ce qui permettrait un haut débit avec peu de perte d'intensité avec la distance, mais qui au contraire nécessite une grande précision[46].

L'URSS est historiquement première puissance spatiale. Elle envoie le premier satellite Spoutnik 1 en orbite le 4 octobre 1957, presque 4 mois avant les États-Unis. L'URSS franchi ensuite en premier de nombreux jalons, comme le premier animal en orbite, le premier humain dans l'espace, ou encore les premières sondes interplanétaires lors de la course à l'espace. Elle opère également la première station spatiale, Saliout 1, en 1971 ainsi que de nombreuses autres par la suite jusqu'à Mir, la première station spatiale modulaire.

L'URSS envisageait de nombreux projets très ambitieux, comme leur programme lunaire habité qui a fait voir le jour à la fusée N1, la fusée avec la poussée la plus élevée a avoir volé. Des projets faramineux de colonisation lunaire et même martienne ont été étudiés, propulsés par les lanceurs UR-700 et 900. De la même manière, le programme du lanceur Energiya et de la navette Bourane promettaient de très grandes capacités d'accès a l'espace.

Le spatial russe a connu un grand choc lors de l'éclatement de l'URSS. Beaucoup de projets, dont Energiya et Bourane, furent annulés. Depuis, la Russie a opéré la station Mir, avant d'opérer la Station Spatiale Internationale depuis 1998. Le spatial russe se concentre donc sur le vol spatial habité grâce à Soyouz et au lancement de satellites, commerciaux ou militaires, mais n'est plus très présent dans le domaine de l'exploration scientifique. Le spatial russe est aujourd'hui assuré par l'agence Roscosmos.

Les États-Unis sont historiquement la deuxième puissance spatiale, en envoyant leur premier satellite Explorer 1 en Février 1958. Aujourd'hui les USA sont la première puissance spatiale en termes de réalisation et de budget. Lors de la course à l'espace, les américains se sont souvent fait battre par les soviétiques avant de faire poser le premier humain sur la Lune en 1969 avec la mission Apollo 11.

Après Apollo, les USA ont réalisé leur station Skylab, peu après la Saliout 1 soviétique, mais contrairement à leur rivaux, ce sera la seule station avec une contribution américaine jusqu'à l'ISS. La NASA préféra l'exploration scientifique du système solaire, surtout vers Mars (où les soviétiques privilégiaient Vénus), mais aussi vers le système solaire externe avec les sondes Pioneer, Voyager, Cassini etc...

Cette exploration scientifique du système solaire continue aujourd'hui coté américain, surtout vers Mars avec la réalisation d'astromobiles au cours des décennies, et le projet du retour habité sur la Lune avec le programme Artemis. Le spatial américain est actif et excelle sur tous les terrains ce qui en fait la première puissance spatiale actuellement. Son exploration scientifique est très active, ses missions d'astronomie sont les plus ambitieuses comme avec le télescope Hubble ou le JWST. Les américains opèrent également une autre grande partie de l'ISS conjointement avec les russes. En parallèle les lancements commerciaux et militaires occupent toujours une place importante du secteur.

Contrairement aux soviétiques, la navette spatiale américaine a abouti et a assuré jusqu'en 2011 135 missions habitées, pour lancer ou ramener des satellites commerciaux ou pour assurer la liaison et la construction de l'ISS. Depuis 2011, le spatial américain s'oriente sur une approche beaucoup plus commerciale de l'espace, c'est-à-dire bien plus basée sur la sous-traitance au privé, pour le vol habité mais aussi pour l'exploration habitée ou non de la Lune, dans une optique d'abaissement des coûts.

L'Europe, grâce à l'Agence Spatiale Européenne est parmi les leaders du spatial mondial. Le spatial européen est fondé principalement sur le programme spatial de la France, qui est devenue la troisième puissance spatiale historiquement parlant avec le lancement du satellite Astérix en 1965. Le Canada ou l'Italie ont opéré des satellites avant mais lancés sur des fusées américaines, Astérix a été lancé sur la fusée française Diamant, ce qui conféra à la France la capacité d'accès à l'espace.

Le savoir-faire français a été mis à profit par la suite pour la collaboration européenne, mais aussi le territoire français avec le Centre Spatial Guyanais à Kourou en Guyane qui profite de sa proximité avec l'équateur terrestre pour réduire les contraintes de mise en orbite, surtout vers l'orbite géostationnaire, destination prisée des satellites commerciaux. Ainsi un tel centre de lancement permet d'une part de profiter de la rotation de la Terre qui contribue à la vitesse orbitale, mais aussi de ne pas avoir besoin d'effectuer des manœuvres orbitales supplémentaires pour le changement d'inclinaison de l'orbite, qui sont des manœuvres très couteuses en carburant.

L'Europe assure aujourd'hui de très hautes capacités de lancement avec le lanceur Ariane 5 dont le marché est presque exclusivement commercial, mais aussi avec le lanceur léger Véga. Elle est aussi très présente dans le domaine de l'exploration scientifique de la Terre, des planètes et du système solaire avec une quantité non-négligeable de missions au cours du temps, vers Mars, Vénus, Mercure, mais aussi les petits corps comme avec Philae et Rosetta qui ont étudié la comète Tchouri.

Elle assure également de manière secondaire le vol habité, d'abord par la France avec des astronautes qui ont volé vers Mir, puis au niveau européen depuis l'ISS avec une présence régulière d'au moins un astronaute européen à bord, lancé sur des vaisseaux russe ou américains. L'Europe ne dispose pas d'accès habité à l'espace. Le projet Hermès fut pourtant étudié, une navette spatiale française dans des proportions bien plus petites que ses homologues soviétique et américaine, mais abandonné au profit de la collaboration internationale. En effet, le développement d'un véhicule habité serait une redondance du savoir faire déjà existant chez les russes et les américains, et impliquerait l'abaissement des budgets pour le reste des domaines d'activités comme le développement des sondes scientifiques.[47]

L'atterrisseur Chang'e 4 photographié sur la face cachée de la Lune par le rover Yutu 2.

Le programme spatial chinois a commencé assez tôt, mais dans une optique militaire. Son programme scientifique n'est que très récent et a connu une accélération durant le XXI^e siècle avec le programme de vol habité Shenzhou, puis les premières stations spatiales chinoises Tiangong, avant la Station Spatiale Chinoise, première station modulaire du pays et troisième station spatiale modulaire de l'histoire, après Mir et l'ISS.

L'exploration scientifique chinoise a connue la même fulgurance avec le programme Chang'e, qui a réalisé le premier atterrissage sur la face cachée de la Lune avec Chang'e 4 en 2018, et le premier retour d'échantillons lunaires depuis Luna 24 en 1976 avec Chang'e 5 en 2020.

La Chine a réalisé également sa première mission interplanétaire autonome avec Tianwen 1 lancée en 2020 qui comprend un orbiteur, un atterrisseur et le rover Zhurong, devenant la troisième nation a poser un engin en douceur sur le sol martien après l'URSS et les États-Unis, et seulement la deuxième à opérer une telle mission derrière les américains.

Le Japon est, de manière similaire à l'Europe, présent surtout sur le marché commercial avec ses lanceurs, sur l'exploration scientifique et dans une moindre mesure sur le vol habité grâce à la Station Spatiale Internationale. Le spatial japonais est connu surtout pour ses missions inédites de retour d'échantillon d'astéroïde Hayabusa 1 et Hayabusa 2. Elle est aussi la seule nation a opérer en 2021 une mission sur Vénus avec Akatsuki.

L'Inde est une puissance spatiale naissante, mais importante. Elle a réalisé quelques rares missions scientifiques vers la Lune et vers Mars, mais avec de grandes retombées, comme la sonde lunaire Chandrayaan 1 qui a contribué à mettre en évidence la présence d'eau sur la Lune.

L'importance du programme spatial indien vient également du fait de leur ambition d'acquérir les capacités du vol spatial habité, en plus de son programme de lanceurs, avec la capsule Gaganyaan qui n'a réalisé qu'un seul vol spatial suborbital sans équipage en 2014[48].

Lancement d'une fusée Electron pour la mission Birds of a feather, le 31 Janvier 2020.

Rares sont les autres puissances spatiales à posséder un système de lancement orbital. On peut citer l'Israël et le lanceur Shavit qui a placé plusieurs satellites en orbite. L'Israël s'est illustré également par la tentative d'atterrissage sur la Lune de la sonde Beresheet, lancée sur une Falcon 9 américaine, mais soldée par un échec.

Les deux Corées possèdent elles aussi des systèmes de lancement orbitaux, mais très peu utilisés. L'Iran est aussi un pays autonome pour l'accès à l'espace, tout comme l'Israël, quelques satellites iraniens ont ainsi pu atteindre l'orbite.

Avec l'Israël, la seule nation spatiale secondaire a occuper une place importante est la Nouvelle-Zélande qui avec la société privée Rocket Lab assure de nombreux lancement commerciaux avec le lanceur léger Electron. Rocket Lab doit également assurer le lancement de la sonde lunaire américaine CAPSTONE[49].

Autrement plusieurs nations occupe une place dans le secteur spatial, mais sans capacité de lancement. Ces nations interviennent dans le domaine spatial en payant le lancement de satellite à des opérateurs de lancement, ou en participant à différentes échelles à la réalisation de sondes spatiales. Plusieurs de ces pays s'illustrent dans l'espace par l'éducation universitaire, surtout grâce à l'essor des nanosatellites. Le Guatemala, par exemple, a ainsi pu déployer son tout premier satellite, un cubesat à visée éducative[50].

Vue 3D de la station Gateway.

En 2021, l'exploration spatiale s'articule autour de collaborations internationales, notamment grâce à la Station Spatiale Internationale. Mais cette entente mondiale, déjà incomplète par la réticence américaine de collaborer avec la Chine[51], est incertaine.

La Chine opère déjà la CSS, la troisième station spatiale modulaire de l'histoire. La Russie prévoit de revenir à un modèle de station spatiale nationale avec ROSS[52].

Au niveau global l'exploration spatiale future est dirigée vers le retour habitée sur la Lune, d'abord par la successeuse de l'ISS, la station Gateway en orbite lunaire, puis par le programme Artemis sur le sol lunaire. Contrairement à l'ISS qui était principalement la collaboration des États-Unis et de la Russie, la Gateway sera la collaboration principalement des États-Unis et de l'Europe. En parallèle la Russie projetterait de s'allier à la Chine dans le programme habité lunaire, mais pour établir une base au sol[53].

De tels programmes lunaires sont nécessaires pour accroitre la connaissance sur le vol spatial habité de longue durée, et ainsi pouvoir prévoir dans un futur plus lointain le vol habité vers Mars.

Coté exploration scientifique, le futur se traduit par un développement de l'astronomie spatiale, dominée par la NASA suivie de près par l'ESA. La NASA opérera pendant plusieurs années le James Webb Space Telescope, et étudie déjà ses potentiels successeurs comme LUVOIR. L'Europe poursuit sa lancée de grand observatoire spatiaux d'astrophysique, comme Planck, ou SVOM.

En parallèle l'exploration planétaire se poursuivra, d'abord sur Mars dans la continuité des missions actuelles avec entre autres le Mars Sample Return, le programme de retour d'échantillons martiens en trois phases, dont la première est le rover Perseverance. La NASA a également annoncé un grand retour vers Vénus, avec les mission DAVINCI+ et VERITAS. Le système solaire externe sera visité par la mission JUICE européenne et par Dragonfly qui deviendra la deuxième mission à explorer Titan, lune de Saturne. Le futur plus lointain de l'exploration planétaire, passé 2030-2040 est pour l'instant incertain.

L'exploration spatiale après 2040 est incertain et relève de l'imaginaire, voir de la science-fiction. Il est cependant assuré que l'humain marchera un jour sur Mars. Dans la continuité des projets actuels, l'humain assurera certainement une présence permanente sur la Lune, à la manière de l'ISS actuellement. Par la suite, une base martienne est imaginable de la même manière.

L'industrie lunaire et spatiale, et martienne par la suite, naitra probablement un jour. On peut imaginer une industrie essentiellement minière, avec des voies commerciales spatiales. Cette perspective pose problème vis-à-vis du traité de l'espace qui interdit toute revendication de territoire au delà de l'atmosphère terrestre.

Pour réaliser tout cela, les technologies astronautiques devront avoir été fortement développées, ou multipliées, et le coût devra être réduit. Aujourd'hui la plus grande réalisation spatiale est la Station Spatiale Internationale, qui n'est seulement qu'en orbite terrestre basse. Elle a été réalisée au moyen d'efforts humains et financiers majeurs répartis dans différents pays, et est loin des installations qui devront être nécessaire pour établir une industrie dans l'espace.

On ne connait pas à l'heure actuelle les moyens, les techniques ou le savoir faire industriel et technologiques qui permettront d'assurer de tels projets spatiaux, excepté peut-être la propulsion. En effet, peu de doutes sont permis pour affirmer que les futurs moyens de propulsions spatiale seront dans le domaine de la propulsion plasma, déjà du domaine de la recherche, qui offre des efficiences et des puissances capables d'assurer des trajectoires peu coûteuses entre les astres.

Cependant le problème du lancement depuis le sol reste entier si l'on envisage la multiplication des lancements. Aujourd'hui la pollution engendrée par les lancements de fusées est négligeable devant d'autres secteurs industriels[54], mais dans le cas d'industries et de villes lunaires, les lanceurs super lourd devront se multiplier drastiquement pour emporter l'ensemble des matériaux requis, bien au-delà des déjà nombreux lancements nécessaires pour opérer l'ISS. Ceci nécessitera de passer l'ensemble de la flotte de lanceur à hydrogène, à la manière de la Detla IV Heavy, tout en assurant une production durable de cet hydrogène, sinon les lanceurs à combustibles fossiles seront rapidement limités à cause de la pollution mais aussi de l'approvisionnement.

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