Posté le : 16 nov. 2025 à 16:10:50
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Présentation théorique du principe de la fronde gravitationnelle
Qu’est-ce que la fronde gravitationnelle et comment permet-elle de propulser une sonde sans carburant ?
La fronde gravitationnelle est une technique utilisée en exploration spatiale pour augmenter la vitesse d'une sonde ou modifier sa trajectoire, sans consommer de carburant supplémentaire. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, cette méthode repose uniquement sur la gravitation, c’est-àdire la force d’attraction exercée par les planètes. Lorsqu’une sonde passe à proximité d’une planète, elle est attirée par la gravité de celle-ci. Elle accélère en s’en approchant, puis ralentit en s’en éloignant. Si l’on observe cette interaction depuis la planète, la vitesse de la sonde avant et après le passage est identique. Il n’y a donc, en apparence, aucun gain d’énergie. Toutefois, ce n’est pas ce point de vue qui est pertinent pour les missions spatiales. Ce qui importe, c’est la vitesse de la sonde par rapport au Soleil, c’est-à-dire dans le référentiel héliocentrique. Or, la planète elle-même se déplace autour du Soleil à grande vitesse. En contournant la planète dans une direction précise, la sonde peut profiter du mouvement orbital de celle-ci pour ressortir avec une vitesse plus élevée que celle qu’elle avait à l’entrée, toujours dans le référentiel héliocentrique. C’est comme si la planète transmettait une petite partie de son énergie à la sonde. En raison de sa masse très importante, la planète n’est quasiment pas affectée par cette interaction. On peut simplifier ce phénomène en le comparant à une voiture qui suit de près un camion sur l’autoroute. Le courant d’air généré par le camion peut aider la voiture à maintenir ou augmenter sa vitesse sans fournir plus d’énergie. Dans le cas de la fronde gravitationnelle, ce n’est pas de l’air qui est en jeu, mais la force gravitationnelle de la planète.
Ce phénomène s’explique notamment par la loi de la gravitation universelle formulée par Newton,
qui s’écrit :
F = G × (m₁ × m₂) / r²
où :
• F est la force gravitationnelle,
• G est la constante gravitationnelle (6,67 × 10 ¹¹ N·m²/kg²),
• m₁ et m₂ sont les masses des deux corps (en kg),
• r est la distance qui les sépare (en m).
Plus la planète est massive et plus la sonde s’en approche, plus l’attraction est forte.
On fait aussi intervenir la notion d’énergie mécanique, qui est la somme de l’énergie cinétique et
de l’énergie potentielle gravitationnelle :
E = (1/2) × m × v² - (G × M × m) / r
avec :
• Eₘ : énergie mécanique totale,
• m : masse de la sonde,
• v : vitesse,
• M : masse de la planète,
• r : distance au centre de la planète.
Lorsqu’elle s’approche de la planète, la sonde accélère : son énergie potentielle diminue tandis que son énergie cinétique augmente. Lorsqu’elle s’éloigne, le processus s’inverse. Mais dans le cas d’une fronde gravitationnelle, cette variation d’énergie s’effectue de telle façon qu’il y a un gain net de vitesse dans le référentiel du Soleil. La planète subit également une force opposée selon la troisième loi de Newton, mais sa masse gigantesque rend cet effet négligeable. La fronde gravitationnelle seras surement utilisée dans de nombreuses missions spatiales Everienne dans le future. Cette technique serait l'une des seule connue actuellement qui pourrait réalistiquement permetre de quitter le système solaire, elle sont les seules à avoir réussis à le faire à ce jour.
La fronde gravitationnelle ne sert pas uniquement à accélérer une sonde spatiale : elle peut aussi permettre de ralentir, c’est-à-dire de réduire sa vitesse dans le référentiel du Soleil (référentiel héliocentrique). Le principe physique reste le même, mais c’est la trajectoire de la sonde autour de la planète qui est différente.
Lorsque la sonde passe devant la planète (plutôt que derrière), elle subit toujours l’attraction gravitationnelle de celle-ci, mais la direction de l’effet change. Cette fois, la planète « retire » un peu d’énergie à la sonde : dans le référentiel héliocentrique, la vitesse de la sonde après le passage est inférieure à celle qu’elle avait avant. La planète, très massive, ne subit quasiment aucun changement, mais la sonde, elle, voit sa vitesse diminuer.
Ce type de manœuvre est utile lorsqu’on souhaite qu’une sonde rentre dans l’orbite d’une planète ou ralentisse pour mieux viser une cible. Par exemple, certaines missions utilisent la Terre ou Vénus pour freiner avant d’atteindre leur destination finale. La différence entre l’accélération et la décélération par fronde gravitationnelle vient donc uniquement de la position relative de la sonde par rapport à la planète lors du passage :
• Derrière la planète : la sonde gagne de la vitesse (accélération),
• Devant la planète : la sonde perd de la vitesse (décélération).
Dans les deux cas, aucune énergie n’est consommée par la sonde. C’est l’échange d’énergie entre la planète et la sonde, dû à leur interaction gravitationnelle et à leur mouvement, qui produit l’effet recherché.
Cette technique présente des avantages majeurs : elle permet d’atteindre des vitesses très élevées sans utiliser de carburant, ce qui allège les sondes et rend les missions moins coûteuses. En revanche, elle impose des contraintes importantes. Les fenêtres de lancement sont rares car la position des planètes doit être favorable, et les trajectoires doivent être calculées avec une extrême précision