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Orbite de transfert de Hohmann : delta-v et durée

Calculez les deux poussées et le delta-v total nécessaires pour faire passer un engin spatial d'une orbite circulaire à une autre autour de la Terre, de la Lune ou de Mars, avec la durée du transfert.

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Résultats

Delta-v total

3,854

Deux poussées, sans changement de plan orbital

Durée du transfert (demi-ellipse)

5,29

Première poussée (départ de l'orbite initiale)
2,397
Seconde poussée (circularisation sur l'orbite finale)
1,456
Vitesse sur l'orbite initiale
7,669
Vitesse sur l'orbite finale
3,075

Changer d’orbite en deux poussées

Un satellite sur une orbite circulaire ne peut pas simplement se diriger vers une orbite plus haute. Pour monter, il faut accélérer en un point afin que le côté opposé de l’orbite s’élève, puis accélérer de nouveau une fois arrivé. En 1925, l’ingénieur allemand Walter Hohmann a montré que, pour deux orbites circulaires dans le même plan, le trajet le plus économe à deux poussées est une ellipse tangente aux deux cercles. C’est toujours le point de départ du calcul des missions.

Les formules

Avec μ le paramètre gravitationnel de l’astre (3,986 × 10¹⁴ m³/s² pour la Terre) et r₁, r₂ les rayons des deux orbites mesurés depuis le centre de l’astre :

  • Vitesse sur une orbite circulaire : v = √(μ ÷ r).
  • Première poussée : Δv₁ = v₁ × (√(2r₂ ÷ (r₁ + r₂)) − 1).
  • Seconde poussée : Δv₂ = v₂ × (1 − √(2r₁ ÷ (r₁ + r₂))).
  • Durée du transfert, une demi-ellipse : t = π × √(a³ ÷ μ), avec a = (r₁ + r₂) ÷ 2.

Le calculateur ajoute le rayon de l’astre aux altitudes saisies.

Exemple : de l’orbite basse à l’orbite géostationnaire

D’une orbite circulaire à 400 km jusqu’à l’altitude géostationnaire de 35 786 km :

  • Vitesse sur l’orbite initiale : 7,669 km/s. Vitesse sur l’orbite finale : 3,075 km/s.
  • Première poussée : 2,397 km/s, au périgée de l’ellipse de transfert.
  • Seconde poussée : 1,456 km/s, à l’apogée, pour circulariser.
  • Delta-v total : 3,854 km/s.
  • Durée du transfert : 5,29 heures.

L’engin finit plus lent sur l’orbite haute, alors que les deux poussées l’ont accéléré : en montant, il échange de la vitesse contre de l’altitude.

Autres transferts autour de la Terre

Départ Arrivée Δv total Durée
200 km Géostationnaire, 35 786 km 3,93 km/s 5,3 h
400 km Altitude GPS, 20 200 km 3,42 km/s 3,0 h
400 km 1 000 km 0,32 km/s 0,8 h
400 km Distance de la Lune 3,91 km/s environ 5 jours

Ce que le modèle néglige

  • Le changement de plan : un lancement depuis Cap Canaveral part sur une orbite inclinée d’environ 28,5° sur l’équateur ; annuler cette inclinaison pour un satellite géostationnaire coûte environ 0,36 km/s de plus si on la combine avec la seconde poussée à l’apogée. Depuis le Centre spatial guyanais de Kourou, à 5° de latitude, ce surcoût est bien plus faible, l’un des atouts d’Ariane.
  • Les poussées réelles durent plusieurs minutes, pas un instant.
  • La gravité des autres astres : pour aller vers la Lune, son attraction modifie l’arrivée, d’où l’usage de coniques raccordées ou de modèles numériques.

Le transfert bi-elliptique

Quand l’orbite finale est plus de 11,9 fois plus grande que l’initiale, un transfert bi-elliptique à trois poussées, qui va au-delà de la cible avant de redescendre, peut consommer moins de delta-v qu’un transfert de Hohmann, au prix d’un voyage bien plus long.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'un transfert de Hohmann ?

La façon la plus économe en carburant, avec deux poussées, de passer d'une orbite circulaire à une autre dans le même plan. La première poussée place l'engin sur une ellipse tangente aux deux cercles ; la seconde, une demi-orbite plus tard, le circularise. L'ingénieur allemand Walter Hohmann l'a décrit en 1925.

Quel delta-v pour atteindre l'orbite géostationnaire ?

Depuis une orbite basse à 400 km jusqu'à l'altitude géostationnaire de 35 786 km : environ 2,40 km/s pour la première poussée et 1,46 km/s pour la seconde, soit 3,85 km/s, avec un transfert de 5,3 heures environ. Les lancements réels doivent aussi changer de plan orbital ; depuis Kourou, proche de l'équateur, ce surcoût est plus faible que depuis Cap Canaveral.

Qu'est-ce que le delta-v ?

La variation totale de vitesse qu'un engin doit produire avec ses moteurs. C'est la « monnaie » du voyage spatial : associé à l'équation de Tsiolkovski, il indique la masse d'ergols nécessaire à une mission.

Le transfert de Hohmann est-il toujours le meilleur ?

C'est le transfert à deux poussées le moins coûteux entre orbites circulaires, mais il est lent. Quand l'orbite finale est plus de 11,9 fois plus grande que l'initiale, un transfert bi-elliptique à trois poussées peut consommer moins de delta-v, au prix d'un voyage bien plus long.

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