Sur un schéma, la mauvaise façon d’aller sur Mars paraît merveilleusement logique. Dessinez la Terre, dessinez Mars, attendez que les deux mondes soient proches, puis pointez le vaisseau spatial droit à travers l’espace qui les sépare. Le problème, c’est que Mars ne sera plus là quand le vaisseau arrivera. Elle aura continué sa course autour du Soleil à vitesse planétaire.[3]
Un transfert de Hohmann est la manœuvre orbitale classique en deux poussées qui permet de déplacer un vaisseau spatial entre deux orbites circulaires et coplanaires en parcourant la moitié d’une ellipse. Walter Hohmann l’a décrite en 1925, après que des idées de voyage spatial avaient déjà été explorées dans le roman de science-fiction de Kurd Laßwitz, Deux Planètes, publié en 1897.[1]
Ce qui est étrange, c’est que la route efficace n’est pas celle qui semble la plus droite. Pour un trajet de la Terre vers Mars, le vaisseau quitte les environs de l’orbite terrestre, suit une trajectoire elliptique autour du Soleil, puis rejoint Mars à peu près à mi-chemin de cette ellipse, à 180 degrés du point de départ dans le modèle simplifié du transfert de Hohmann.[3] Le vaisseau ne vise pas tant Mars qu’un rendez-vous avec Mars.
Walter Hohmann, un ingénieur allemand, publia cette méthode en 1925 dans Die Erreichbarkeit der Himmelskörper, généralement traduit par L’accessibilité des corps célestes.[4] C’était avant que les fusées n’aient placé quoi que ce soit en orbite, ce qui donne à ce calcul une saveur particulière. Hohmann faisait de la navigation spatiale pratique à une époque où la navigation spatiale relevait encore en partie des mathématiques, en partie de l’imagination.
La manœuvre elle-même est presque dépouillée. Un vaisseau spatial commence sur une orbite circulaire. Au bon moment, il allume brièvement son moteur pour entrer sur une orbite de transfert elliptique. Plus tard, à l’autre extrémité de cette ellipse, il rallume son moteur pour circulariser sa trajectoire et s’insérer dans la nouvelle orbite.[2] Dans le cas idéal standard, les orbites de départ et d’arrivée sont circulaires et situées dans le même plan.[1]
Les deux poussées
Les ingénieurs décrivent souvent ces poussées comme des impulsions, non pas parce que les vrais moteurs fonctionneraient pendant un temps nul, mais parce que le modèle mathématique le plus simple les traite comme des changements soudains de vitesse.[2] Pour faire passer un satellite d’une orbite basse à une orbite plus élevée, la première poussée a lieu au point bas de l’ellipse de transfert. La seconde, parfois appelée impulsion d’apogée, a lieu au point haut, là où l’engin ajuste sa vitesse pour rejoindre la grande orbite circulaire.[5]
C’est pourquoi le transfert de Hohmann est devenu l’un des outils fondamentaux de la mécanique orbitale. Pour deux orbites circulaires, il offre un moyen de les relier avec le plus faible changement de vitesse possible dans le cas ordinaire à deux impulsions.[2] Moins de changement de vitesse signifie moins d’ergols, et dans le vol spatial, les ergols ne sont pas un détail. Ils représentent de la masse, du coût, de la charge utile et des possibilités.
Il existe des exceptions. Les transferts bi-elliptiques peuvent surpasser un transfert de Hohmann dans certains cas, et les engins à faible poussée peuvent suivre des trajectoires très différentes.[1] Les assistances gravitationnelles, la capture balistique et le réseau de transport interplanétaire appartiennent tous à une boîte à outils plus vaste de conception de missions.[3] Mais le transfert de Hohmann reste l’image de cours la plus limpide pour comprendre pourquoi voyager dans l’espace ne ressemble pas à diriger un bateau sur un lac.
Le lien avec la science-fiction donne à cette histoire l’impression d’être moins une simple note de bas de page qu’un véritable tournant. Deux Planètes, de Kurd Laßwitz, publié en 1897, imaginait le voyage spatial des décennies avant que les transferts orbitaux n’entrent dans le langage de l’ingénierie, et les travaux ultérieurs de Hohmann ont transformé une partie de ce rêve en une trajectoire calculable.[1] L’ancienne fantaisie n’a pas lancé de sonde à elle seule. Elle a contribué à créer l’espace mental dans lequel quelqu’un pouvait se demander comment un tel voyage serait réellement effectué.
Au fond, le transfert de Hohmann est une leçon de patience écrite en géométrie. Le vaisseau spatial ne bondit pas vers la planète. Il dépense son carburant en deux brefs instants, puis dérive le long d’une ellipse invisible, en faisant confiance au fait que, lorsqu’il atteindra l’autre côté, le monde visé y arrivera lui aussi.
