Astro.3-voyage dans le système solaire.doc

Voyage dans le système solaire
Contexte
En 1961, Michael Minovitch, stagiaire au Jet Propulsion Laboratory, le
laboratoire des sondes Voyager, propose d'utiliser l'effet d'assistance
gravitationnelle (ou « fronde gravitationnelle ») pour faciliter
l'exploration du système solaire. L'effet d'assistance gravitationnelle
consiste à utiliser les planètes pour accélérer (ou le cas échéant,
décélérer) une sonde.
L'objectif de cette activité est d'étudier comment les trajectoires des
sondes sont modifiées lors d'une assistance gravitationnelle.
Problématique
Quelles sont les caractéristiques du mouvement d'une sonde dans le système
solaire ? Consignes
A partir des documents proposés, répondre sur une feuille à part.
En fin d'activité, remplir la grille d'évaluation ci-dessous.
Evaluation
A la fin de la séance, dans la colonne auto évaluation, indiquer de 1 à 4
le niveau de maitrise que vous pensez avoir des compétences proposées. 4 : maitrise très satisfaisante
3 : maitrise satisfaisante
2 : maitrise partielle
1 : maitrise fragile |Appel |Compétence travaillée |Auto |Evaluation |
| | |évaluation |professeur |
|1 |Caractériser un mouvement | | |
|2 |Mener à bien des calculs | | |
Travail à effectuer New Horizons
New Horizons est une mission de l'agence spatiale américaine (NASA) dont
l'objectif principal était d'étudier Pluton qu'elle a survolée le 14
juillet 2015. Lancée le 19 janvier 2006, la sonde a survolé Jupiter le 28
février 2007, ce qui lui a permis de gagner 4 km/s grâce à l'assistance
gravitationnelle. Sur le site de la sonde[1], on trouve la trajectoire de
la sonde depuis son départ ainsi que quelques informations.
Le 3 avril 2017, la sonde « New Horizons » était à mi-chemin entre Pluton
et sa future destination 2014 MU69 qui orbite aussi autour du Soleil. Le
survol de MU69 est prévu pour le 1er janvier 2019. Le 3 avril, la sonde se
trouvait exactement à 782,45 millions de kilomètre de Pluton. a. Depuis que la sonde a croisé l'orbite de Jupiter, comment qualifier sa
b. trajectoire ?
c. Déterminer la vitesse actuelle de la sonde.
d. En supposant que la vitesse a été conservée depuis son passage près de
Juptier, déterminer sa vitesse avant le passage près de Jupiter. | |APPEL n°1 | |
|( |Appeler le professeur pour lui présenter vos |( |
| |réponses | |
La sonde Voyager Un des succès les plus frappants de l'effet d'assistance gravitationnelle
est probablement le cas de la sonde Voyager, lancée en 1977 pour un long
périple d'exploration des planètes Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Ce
trajet, sans utiliser l'effet d'assistance gravitationnelle aurait dû
prendre dans le meilleur des cas, à peu près 30 ans, or Voyager n'a mis
« que » 12 ans pour atteindre Neptune. Ainsi, en utilisant l'effet
d'assistance gravitationnelle à plusieurs reprises (près de chacune des
planètes) comme le montre la figure 2, le temps du voyage a été divisé par
deux ! Voyager a aussi bénéficié d'une configuration particulièrement
favorable des planètes permettant de minimiser le trajet parcouru et qui ne
se reproduit qu'une fois tous les 176 ans environ.
[pic]
a. Que signifie « vitesse de libération du système solaire » ?
b. Comment expliquer l'allure de cette courbe ?
c. Comment évolue la vitesse de Voyager 2 lorsqu'elle s'éloigne du
Soleil ?
d. Comment évolue la vitesse de Voyager 2 lorsqu'elle se rapproche d'une
planète ?
e. A partir des deux courbes de vitesse données, expliquer l'intérêt
d'utiliser l'effet d'assistance gravitationnelle quant à l'objectif de
la mission Voyager d'explorer les confins du système solaire.
f. Estimer le gain de vitesse acquise par la sonde lors de son passage
près de Jupiter. | |APPEL n°2 | |
|( |Appeler le professeur pour lui présenter vos |( |
| |réponses | |
Document professeur
Vigilance didactique
New Horizons
- Rassurer les élèves sur les termes anglais qui apparaissent en les
explicitant.
- La question b est une question amenant l'élève à effectuer un
raisonnement élaboré. Tâche demandant un raisonnement quantitatif avec
plusieurs étapes, avec éventuellement mais pas nécessairement une
place notable du formalisme dédié. La sonde Voyager et sa vitesse
Corrigé New Horizons
a. La trajectoire est rectiligne depuis son passage près de Jupiter.
b. Pour déterminer la vitesse, on va utiliser la relation [pic]avec d
distance parcourue entre le 3 avril et le 10 juillet 2017 et ?t est la
durée entre ces deux dates.
Le 3 avril, New Horizons était à 782,45.106 km ou 7,8245.108 km de
MU69.
Le 10 juillet, la sonde était à 4,5 UA de sa cible, soit [pic]km.
La distance parcourue entre ces deux dates est donc [pic]km
On suppose les informations prises à la même heure. Entre le 3 avril
et le 10 juillet, il y a 98 jours, donc [pic]s
Finalement [pic]km/s.
c. Avec l'hypothèse qui est faite, la vitesse de la sonde était de 8,6
km/s avant son passage près de Jupiter. La sonde Voyager
a. C'est la vitesse nécessaire pour s'extraire de la gravitation du
Soleil.
b. Plus on s'éloigne, plus l'influence du Soleil est faible et plus la
vitesse nécessaire pour s'extraire du système solaire est faible.
c. La vitesse de Voyager 2 diminue lorsqu'elle s'éloigne du Soleil car le
Soleil la freine. C'est le freinage gravitationnel.
d. La vitesse de Voyager 2 augmente lorsqu'elle se rapproche d'une
planète. C'est l'accélération gravitationnelle.
e. A chaque passage près d'une planète, la sonde est accélérée, lui
permettant de compenser le freinage que génère la gravité du Soleil.
f. Le 9 juillet 1979, la sonde arrive avec une vitesse proche de 10 km/s
et en ressort avec une vitesse de près de 27 km/s. Elle a gagné 17
km/s ce jour là !
-----------------------
[1] Site de New Horizons : pluto.jhuapl.edu -----------------------
Point d'Anglais AU signifie « Astronomical Unit » !)*+? $%&4d??'"
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h47h47
h?-5h47h476?OJQJ^JhÞQ>h476?OJQJ ou Unité Astronomique et
1AU = 150 millions de km.
Round Trip Light Time signifie « temps que met la lumière (ou un signal) »
pour nous parvenir de la sonde.