Rentrée atmosphérique

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Vue d'artiste de la rentrée atmosphérique du Mars Exploration Rover.

La rentrée atmosphérique (aussi nommé improprement « réentrée »), en aérodynamique, est la phase pendant laquelle un corps solide (naturel tel qu'une météorite ou artificiel tel qu'un satellite, une capsule spatiale, un fragment de fusée... ), dit « corps de rentrée », passe du vide spatial et entre très rapidement dans l'atmosphère à partir du vide spatial. Ce phénomène s'accompagnant d'un très fort échauffement dû aux frottements de l'air à des vitesses hypersoniques.

Lorsque le « corps de rentrée » est naturel, on l'appelle météore s'il se consume dans l'atmosphère et météorite s'il touche le sol.

La rentrée est une étape délicate mais pourtant essentielle de tout voyage spatial. Elle peut être balistique, si le vaisseau n'est pas piloté mais tombe librement dans l'atmosphère (comme dans le cas des capsules américaines Mercury), ou contrôlée si le vaisseau utilise sa portance d'une manière ou d'une autre pour s'orienter pendant la descente (comme dans le cas de la navette spatiale ou, dans une certaine mesure, des capsules Gemini et Apollo).

Dans tous les cas, l'objectif est de réduire la vitesse du vaisseau. Lorsqu'il est en orbite basse autour de la Terre, sa vitesse est d'environ 7 500 mètres par seconde (environ 27 000 kilomètres par heure), qu'il doit réduire à moins de 100 mètres par seconde (soit 360 kilomètres par heure) pour la navette spatiale ou avant l'ouverture des parachutes pour une capsule spatiale. Pour ce faire, l'énergie cinétique est convertie en énergie calorifique. La température extrême de près de 2 000 degrés Celsius sous le vaisseau ne devant pas atteindre les parties vitales de l'engin spatial, son ventre doit être protégé par un bouclier thermique.

Les principes de la rentrée atmosphérique d'un vaisseau spatial

Un vaisseau spatial en orbite autour d'une planète (ou d'une lune) ou s'en approchant est animé d'une vitesse relative importante par rapport à celle-ci : environ 7 km/s si le vaisseau circule sur une orbite basse autour de la Terre, au moins 6 km/s pour une sonde spatiale s'approchant de la planète Mars, 56 km/s pour la sonde atmosphérique larguée par Galileo dans l'atmosphère de Jupiter. Pour se poser sur une planète (ou une Lune) sans se désintégrer, cette vitesse doit être annulée. La seule solution envisageable lorsque la planète ou la lune est dépourvue d'atmosphère est d'utiliser les moteurs pour freiner le vaisseau mais celui-ci doit consommer énormément de carburant pour y parvenir : les deux tiers de la masse de la sonde lunaire Surveyor sont utilisés pour annuler un peu moins de 3 km/s afin d'effectuer un atterrissage en douceur sur le sol de la Lune. Cette technique n'est pas envisageable pour un vaisseau devant se poser sur Terre ou sur Mars car il devrait emporter une masse d'ergols excessive. Heureusement ces planètes sont dotées d'une atmosphère qui peut être utilisée pour freiner le vaisseau : l'énergie cinétique de celui-ci est transformée en chaleur jusqu'à ce que le vaisseau descende en chute libre. Mais compte tenu de la vitesse du vaisseau, cette transformation dégage une quantité énorme de chaleur capable de désintégrer le véhicule. Il faut donc que celui-ci soit conçu de manière à faire face à une grande quantité de chaleur. Par ailleurs on demande généralement au vaisseau d'effectuer un atterrissage relativement précis ce qui impose de pouvoir modifier en partie la trajectoire durant la phase de fort ralentissement.

Finesse aérodynamique

Trajectoire de rentrée

Déport et précision d'atterrissage

Les différentes phases d'une rentrée astronautique

Désorbitation

Phase hypersonique

Phase d'approche et d'atterrissage

Quelques exemples de rentrée atmosphérique

Terre

Mars

La rentrée dans l'atmosphère est particulièrement complexe et délicate. Les sondes arrivent à proximité de Mars avec une vitesse relative supérieure à 5,5 km/s (près de 20 000 km/h). Mais la densité très faible de l'atmosphère martienne, environ cent fois inférieure à celle de la Terre, réduit fortement l'efficacité du freinage atmosphérique : le ralentissement ne devient efficace qu'à une altitude relativement basse ce qui jusqu'à présent interdit l'accès aux régions de Mars situées en altitude et impose de déployer le parachute alors que la vitesse de la sonde est encore hypersonique.

Jupiter

Titan

Galerie

• 

  Sonde atmosphérique de Galileo (Jupiter)

• 

  Deep Space 2

Rentrée atmosphérique d'un corps céleste

Liste des puissances maîtrisant la rentrée atmosphérique

• États-Unis (Mercury, Gemini, Apollo, Viking, Navette spatiale)
• Russie (Vostok, Soyouz, Bourane)
• Chine (Fanhui Shi Weixing (FSW), Programme Shenzhou)
• Europe (Atmospheric Reentry Demonstrator (ARD), Huygens)
• Japon (OREX, USERS)
• Inde (Space Capsule Recovery Experiment (SRE))

Sources

• (fr) Coup de zoom : L'art du freinage, ONERA, 2003
• (fr) AstronimiA: Navettes

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