Mathématiques de la mécanique orbitale, pas à pas

De la première équation d’orbite au problème de Lambert : démonstrations, exemples résolus et exercices, de la première année au doctorat.

Constantes utilisées sur cette page

μ⊕=398 600.4418 km3/s2\mu_\oplus=398\,600.4418\ \text{km}^3/\text{s}^2
R⊕=6378.137 kmR_\oplus=6378.137\ \text{km}
J2=1.08262668×10−3J_2=1.08262668\times10^{-3}
g0=9.80665 m/s2g_0=9.80665\ \text{m/s}^2
Tsid=86 164.0905 sT_{sid}=86\,164.0905\ \text{s}

Chaque nombre de cette page est calculé par le script de génération du site (scripts/learn_calc.py) et vérifié : de LEO 300 km à GEO on obtient environ 3,89 km/s, conforme aux manuels ; l’exemple de Lambert est vérifié par intégration numérique de l’orbite.

Essayez dans l’Orbit Lab

Orbites circulaires, période et vitesse de libération

  • Ados
  • Premier cycle (DUT/BTS)
  • Licence (L1–L3)

Parcours : mécanique orbitale · Environ 15 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Établir la vitesse d’une orbite circulaire à partir des lois de Newton ; calculer une période ; expliquer pourquoi la vitesse de libération vaut √2 fois la vitesse circulaire.

Prérequis

Algèbre, deuxième loi de Newton, accélération centripète v²/r. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Sur une orbite circulaire, la gravité fournit exactement la force centripète nécessaire pour tourner. On utilise le paramètre gravitationnel μ = GM, connu bien plus précisément que G ou M séparément.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Un satellite, c’est comme une balle au bout d’une ficelle que tu fais tourner. La gravité, c’est la ficelle. Trop lent, la balle tombe ; juste comme il faut, elle tourne sans fin.

Pas à pas

  1. GMmr2=mv2r\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}
    Gravité = masse × accélération centripète.
  2. vc=μrv_c=\sqrt{\frac{\mu}{r}}
    Simplifier m et isoler v.
  3. T=2πrvc=2πr3μT=\frac{2\pi r}{v_c}=2\pi\sqrt{\frac{r^3}{\mu}}
    Période = circonférence / vitesse.
  4. 12vesc2−μr=0  ⇒  vesc=2μr=2 vc\tfrac12 v_{esc}^2-\frac{\mu}{r}=0\;\Rightarrow\; v_{esc}=\sqrt{\frac{2\mu}{r}}=\sqrt2\,v_c
    Libération : l’énergie totale atteint juste zéro.

Exemple résolu

Données
Orbite circulaire à 400 km d’altitude.
Inconnue
Vitesse v_c et période T.
Stratégie
Utiliser r = R⊕ + h, puis v_c = √(μ/r) et T = 2πr/v_c.
Étapes
  1. r = 6378.137 + 400 = 6778.137 km
  2. v_c = √(398600.4418 / 6778.137) = 7,6686 km/s
  3. T = 2π · 6778.137 / 7,6686 s = 92,56 min
Réponse
v_c = 7,669 km/s, T = 92,6 min.
Vérification
La NASA indique pour la station environ 7,7 km/s et environ 90 minutes par orbite : les nombres concordent.
Portée
Environ 15–16 orbites par jour : la base de la planification des passages au-dessus des stations au sol.
Voir le code Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
r = RE + 400
v = math.sqrt(mu / r)
T = 2 * math.pi * r / v
print(v, T / 60)   # km/s, min

Exercices corrigés automatiquement

  1. km/s

    Solution complète

    r = 7178,137 km ; v = √(398600,4418/7178,137) = 7,4518 km/s.

  2. min

    Solution complète

    T = 2π√(7178,137³/398600,4418) s = 100,87 min.

Exercices

  1. Trouvez le rayon d’une orbite dont la période vaut un jour sidéral (86 164,09 s).

    Voir la solution

    r = (μ T²/4π²)^(1/3) = 42164 km (géostationnaire), où v_c = 3,075 km/s.

Erreur fréquente

Utiliser l’altitude au lieu du rayon. r se mesure depuis le centre de la Terre : r = R⊕ + h.

Références

  • NASA, Basics of Space Flight.
  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.

Les trois lois de Kepler

  • Ados
  • Premier cycle (DUT/BTS)
  • Licence (L1–L3)

Parcours : mécanique orbitale · Environ 15 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Énoncer les lois de Kepler ; montrer que la loi des aires traduit la conservation du moment cinétique ; établir la troisième loi.

Prérequis

Géométrie de l’ellipse (a, e), produit vectoriel, dérivée d’une aire. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

1) Les orbites sont des coniques dont un foyer est occupé par l’astre central. 2) Le rayon vecteur balaie des aires égales en des temps égaux. 3) T² est proportionnel à a³.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Les planètes accélèrent près du Soleil et ralentissent loin de lui, comme un skateur dans une rampe : plus rapide en bas, plus lent en haut.

Pas à pas

  1. dA=12 ∣r×dr∣  ⇒  dAdt=12∣r×v∣=h2dA=\tfrac12\,|\mathbf r\times d\mathbf r|\;\Rightarrow\;\frac{dA}{dt}=\tfrac12|\mathbf r\times\mathbf v|=\frac{h}{2}
    L’aire balayée par unité de temps vaut la moitié du moment cinétique spécifique h.
  2. h˙=r˙×v+r×(−μr3r)=0\dot{\mathbf h}=\dot{\mathbf r}\times\mathbf v+\mathbf r\times\left(-\frac{\mu}{r^3}\mathbf r\right)=\mathbf 0
    Pour une force centrale h est constant, donc dA/dt aussi (2e loi).
  3. T=πabh/2,h=μa(1−e2),b=a1−e2T=\frac{\pi ab}{h/2},\quad h=\sqrt{\mu a(1-e^2)},\quad b=a\sqrt{1-e^2}
    Aire totale de l’ellipse divisée par la vitesse aréolaire.
  4. T=2πa3μT=2\pi\sqrt{\frac{a^3}{\mu}}
    Troisième loi : ne dépend que de a, pas de e.

Exemple résolu

Données
Rayon géostationnaire r = 42 164,17 km (circulaire).
Inconnue
La période T.
Stratégie
Troisième loi de Kepler avec a = r.
Étapes
  1. T = 2π √(a³/μ) = 2π √(42164.17³ / 398600.4418)
  2. T = 23,9345 h
Réponse
T = 23,9345 h (23 h 56 min).
Vérification
Égal à un jour sidéral (86 164 s), exactement ce qu’exige « géostationnaire ».
Portée
La loi de Kepler, trouvée en 1619 à partir des planètes, fixe encore où sont garés les satellites télé et météo.
Voir le code Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
a = 42164.17
T = 2 * math.pi * math.sqrt(a**3 / mu)
print(T / 3600)   # h

Exercices

  1. Deux orbites ont le même a mais e = 0 et e = 0,7. Laquelle a la plus longue période ?

    Voir la solution

    Aucune : T ne dépend que de a.

Erreur fréquente

Prendre 24 h pour l’orbite géostationnaire. La Terre fait un tour par rapport aux étoiles en 23 h 56 min 4 s.

Références

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.

Le problème à deux corps et l’équation de l’orbite

  • Licence (L1–L3)

Parcours : mécanique orbitale · Environ 30 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Ramener deux corps à une équation relative ; l’intégrer par calcul vectoriel pour obtenir la conique r(ν) ; identifier le vecteur excentricité.

Prérequis

Calcul vectoriel (produits scalaire/vectoriel, double produit vectoriel), EDO du premier ordre. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

En soustrayant les deux équations du mouvement on obtient une seule EDO pour la position relative. Deux intégrales vectorielles, h et e, donnent alors toute la forme de l’orbite sans résoudre en temps.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

La Terre et le satellite s’attirent l’un l’autre. On peut faire comme si la Terre ne bougeait pas et regarder seulement le satellite : son chemin est toujours un cercle, un ovale, ou une courbe qui s’échappe.

Pas à pas

  1. r¨=−μr3r,μ=G(m1+m2)\ddot{\mathbf r}=-\frac{\mu}{r^3}\mathbf r,\qquad \mu=G(m_1+m_2)
    Équation du mouvement relatif.
  2. r¨×h=−μr3 r×(r×r˙)=μddt ⁣(rr)\ddot{\mathbf r}\times\mathbf h=-\frac{\mu}{r^3}\,\mathbf r\times(\mathbf r\times\dot{\mathbf r})=\mu\frac{d}{dt}\!\left(\frac{\mathbf r}{r}\right)
    Produit vectoriel par h constant et double produit vectoriel.
  3. r˙×h−μrr=μ e\dot{\mathbf r}\times\mathbf h-\mu\frac{\mathbf r}{r}=\mu\,\mathbf e
    Intégrer une fois : e est un vecteur constant dirigé vers le périastre.
  4. r⋅(r˙×h)=h2=μr+μrecos⁡ν  ⇒  r=h2/μ1+ecos⁡ν\mathbf r\cdot(\dot{\mathbf r}\times\mathbf h)=h^2=\mu r+\mu r e\cos\nu\;\Rightarrow\; r=\frac{h^2/\mu}{1+e\cos\nu}
    Produit scalaire par r : l’équation de la conique.

Exemple résolu

Données
r = [7000, 1000, 500] km, v = [−1,0, 7,4, 1,0] km/s.
Inconnue
h, e et la taille a.
Stratégie
Utiliser les deux intégrales vectorielles h = r × v et μe = v × h − μ r/r, puis l’énergie.
Étapes
  1. |h| = |r × v| = 53398,3 km²/s
  2. |e| = 0,019306
  3. ε = v²/2 − μ/r = -27,850 km²/s²
  4. a = −μ/(2ε) = 7156,15 km
Réponse
Presque circulaire (e = 0,0193) avec a = 7156,1 km.
Vérification
Vérifier h²/μ = a(1 − e²) : les deux côtés concordent à l’arrondi près.
Portée
Deux vecteurs conservés donnent toute la forme de l’orbite à partir d’une seule mesure radar.
Voir le code Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
r = np.array([7000., 1000., 500.]); v = np.array([-1.0, 7.4, 1.0])
h = np.cross(r, v)
e = np.cross(v, h) / mu - r / np.linalg.norm(r)
eps = v @ v / 2 - mu / np.linalg.norm(r)
print(np.linalg.norm(h), np.linalg.norm(e), -mu / (2 * eps))

Exercices

  1. Montrez que e < 1 donne une orbite fermée et e > 1 une orbite ouverte.

    Voir la solution

    Le dénominateur 1 + e cosν reste positif pour tout ν seulement si e < 1 ; pour e > 1 il s’annule en cosν = -1/e, donc r → ∞.

Erreur fréquente

Oublier que μ = G(m₁+m₂). Pour un satellite m₂ est négligeable, mais pas pour le couple Terre–Lune.

Références

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.

Énergie et équation vis-viva

  • Premier cycle (DUT/BTS)
  • Licence (L1–L3)

Parcours : mécanique orbitale · Environ 20 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Montrer que l’énergie orbitale spécifique se conserve et vaut -μ/2a ; utiliser vis-viva pour trouver la vitesse en tout point.

Prérequis

Énergies cinétique et potentielle ; produit scalaire ; la conique r(ν). Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Vis-viva (« force vive ») est l’équation la plus utile en conception de mission : elle relie vitesse, distance et taille de l’orbite.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

En montant une colline on ralentit ; en descendant on accélère. Une orbite, c’est pareil : près de la Terre on va vite, loin on va lentement, et l’énergie totale reste la même.

Pas à pas

  1. r˙⋅r¨+μr3 r⋅r˙=0  ⇒  ddt ⁣(v22−μr)=0\dot{\mathbf r}\cdot\ddot{\mathbf r}+\frac{\mu}{r^3}\,\mathbf r\cdot\dot{\mathbf r}=0\;\Rightarrow\;\frac{d}{dt}\!\left(\frac{v^2}{2}-\frac{\mu}{r}\right)=0
    Produit scalaire de l’équation du mouvement par la vitesse.
  2. ε=vp22−μrp,rp=a(1−e),vp=hrp\varepsilon=\frac{v_p^2}{2}-\frac{\mu}{r_p},\quad r_p=a(1-e),\quad v_p=\frac{h}{r_p}
    Évaluer au périastre, où v est perpendiculaire à r.
  3. ε=−μ2a\varepsilon=-\frac{\mu}{2a}
    Simplifier avec h² = μa(1-e²).
  4. v2=μ(2r−1a)v^2=\mu\left(\frac{2}{r}-\frac{1}{a}\right)
    Vis-viva.

Exemple résolu

Données
Ellipse de transfert de r_p = 6678,137 km à r_a = 42 164,17 km.
Inconnue
Vitesses au périgée et à l’apogée.
Stratégie
a = (r_p + r_a)/2, puis vis-viva à chaque extrémité.
Étapes
  1. a = 24421,2 km
  2. v_p = √(μ(2/r_p − 1/a)) = 10,1515 km/s
  3. v_a = √(μ(2/r_a − 1/a)) = 1,6078 km/s
Réponse
v_p = 10,151 km/s, v_a = 1,608 km/s.
Vérification
Contrôle du moment cinétique : r_p v_p = r_a v_a (environ 67 793 km²/s).
Portée
Ces deux vitesses servent de référence aux poussées de Hohmann.
Voir le code Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
rp, ra = RE + 300, 42164.17
a = (rp + ra) / 2
vv = lambda r: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a))
print(vv(rp), vv(ra), rp*vv(rp), ra*vv(ra))

Exercices corrigés automatiquement

  1. km/s

    Solution complète

    v = √(398600,4418 × (2/8000 − 1/10000)) = 7,7324 km/s.

Exercices

  1. Quel est le signe de ε pour une trajectoire de libération (parabolique) ?

    Voir la solution

    Zéro (a → ∞). Les orbites liées ont ε < 0, les hyperboles ε > 0.

Erreur fréquente

Mélanger les unités : avec μ en km³/s², r et a doivent être en km et v sort en km/s.

Références

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.

Éléments orbitaux à partir d’un vecteur d’état

  • Licence (L1–L3)
  • Master

Parcours : mécanique orbitale · Environ 30 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Convertir position et vitesse (r, v) en six éléments classiques a, e, i, Ω, ω, ν par l’algèbre linéaire.

Prérequis

Problème à deux corps, vecteurs, choix du quadrant de arccos. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Six nombres fixent une orbite : taille (a), forme (e), inclinaison (i), nœud ascendant (Ω), argument du périastre (ω) et position actuelle (ν).

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Six nombres, c’est comme l’adresse d’une orbite : sa taille, son allongement, son inclinaison, son orientation, son point le plus proche et où est le satellite maintenant.

Pas à pas

  1. h=r×v,n=k^×h,e=v×hμ−rr\mathbf h=\mathbf r\times\mathbf v,\quad \mathbf n=\hat{\mathbf k}\times\mathbf h,\quad \mathbf e=\frac{\mathbf v\times\mathbf h}{\mu}-\frac{\mathbf r}{r}
    Trois vecteurs clés.
  2. a=−μ2ε,cos⁡i=hzh,cos⁡Ω=nxn  (ny<0⇒Ω=360∘−Ω)a=-\frac{\mu}{2\varepsilon},\quad \cos i=\frac{h_z}{h},\quad \cos\Omega=\frac{n_x}{n}\;(n_y<0\Rightarrow\Omega=360^\circ-\Omega)
    Taille, inclinaison, nœud (avec choix du quadrant).
  3. cos⁡ω=n⋅ene  (ez<0⇒360∘−ω),cos⁡ν=e⋅rer  (r⋅v<0⇒360∘−ν)\cos\omega=\frac{\mathbf n\cdot\mathbf e}{ne}\;(e_z<0\Rightarrow 360^\circ-\omega),\quad \cos\nu=\frac{\mathbf e\cdot\mathbf r}{er}\;(\mathbf r\cdot\mathbf v<0\Rightarrow 360^\circ-\nu)
    Périastre et position actuelle.

Exemple résolu

Données
r = [7000, 1000, 500] km, v = [−1,0, 7,4, 1,0] km/s.
Inconnue
a, e, i, Ω, ω, ν.
Stratégie
Construire h, n, e ; lire chaque angle avec son choix de quadrant (Vallado, algorithme 9).
Étapes
  1. i = arccos(h_z/h) = 8,585°
  2. Ω = 340,20° (n_y < 0)
  3. ω = 326,44° (e_z < 0)
  4. ν = 61,76° (r·v > 0)
  5. a = 7156,15 km, e = 0,019306
Réponse
a = 7156,1 km, e = 0,0193, i = 8,59°, Ω = 340,2°, ω = 326,4°, ν = 61,8°.
Vérification
Reconvertir les éléments en r et v redonne les données (aller-retour).
Portée
Les éléments sont la façon dont les orbites sont publiées (par ex. les TLE) et comparées.
Voir le code Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
r = np.array([7000., 1000., 500.]); v = np.array([-1.0, 7.4, 1.0])
h = np.cross(r, v); n = np.cross([0, 0, 1], h)
e = np.cross(v, h) / mu - r / np.linalg.norm(r)
i = np.degrees(np.arccos(h[2] / np.linalg.norm(h)))
W = np.degrees(np.arccos(n[0] / np.linalg.norm(n))); W = 360 - W if n[1] < 0 else W
print(i, W)

Exercices

  1. Pourquoi Ω et ω sont-ils indéfinis pour une orbite circulaire équatoriale ?

    Voir la solution

    n = 0 (pas de ligne des nœuds) et e = 0 (pas de périastre) ; on utilise la longitude vraie.

Erreur fréquente

Oublier le choix du quadrant : arccos ne renvoie que 0–180°.

Références

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.

Équation de Kepler et Newton–Raphson

  • Licence (L1–L3)
  • Master

Parcours : mécanique orbitale · Environ 30 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Relier temps et position par les anomalies moyenne, excentrique et vraie ; résoudre l’équation transcendante par Newton–Raphson.

Prérequis

Dérivées, développement de Taylor au premier ordre, radians. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Il n’existe pas de forme fermée x(t) pour une ellipse. L’équation de Kepler se résout numériquement ; Newton–Raphson converge quadratiquement à partir de E₀ = M (ou M + e si e est grand).

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Certaines énigmes ne se résolvent pas d’un coup : on devine, on regarde l’erreur et on corrige. Chaque essai est bien plus proche, comme au jeu du chaud et froid.

Pas à pas

  1. M=n(t−tp),n=μ/a3M=n(t-t_p),\qquad n=\sqrt{\mu/a^3}
    L’anomalie moyenne croît uniformément.
  2. M=E−esin⁡EM=E-e\sin E
    Équation de Kepler.
  3. Ek+1=Ek−Ek−esin⁡Ek−M1−ecos⁡EkE_{k+1}=E_k-\frac{E_k-e\sin E_k-M}{1-e\cos E_k}
    Newton–Raphson : f/f′.
  4. tan⁡ν2=1+e1−etan⁡E2\tan\frac{\nu}{2}=\sqrt{\frac{1+e}{1-e}}\tan\frac{E}{2}
    Passer à l’anomalie vraie.

Exemple résolu

Données
e = 0,37255, M = 3,6029 rad (mêmes données que Curtis, exemple 3.2 ; notre propre calcul).
Inconnue
L’anomalie excentrique E à 10⁻¹⁰ rad près.
Stratégie
Newton–Raphson sur f(E) = E − e sin E − M avec f′(E) = 1 − e cos E, départ E₀ = M (e ≤ 0,8) ; arrêt quand |ΔE| < 10⁻¹⁰.
Étapes
Tableau des itérations
nE_n (rad)|ΔE|
13,47855373871.24e-01
23,47942201008.68e-04
33,47942204433.44e-08
43,47942204430.00e+00
Réponse
E = 3,479422 rad après 4 itérations.
Vérification
Remplacer : E − e sin E redonne M = 3,6029 rad. Comme M > π, le corps a passé l’apoastre, et E < M comme attendu quand sin E < 0. Curtis donne E = 3,479 rad.
Portée
L’erreur est environ élevée au carré à chaque pas (convergence quadratique) : c’est pourquoi les logiciels de vol résolvent l’équation de Kepler des milliers de fois par seconde.

Essayez : solveur de Kepler, pas à pas

nE_n (rad)|ΔE|
Voir le code Python
import math
def kepler_E(M, e, tol=1e-10):
    E = math.pi if e > 0.8 else M
    while True:
        dE = (E - e*math.sin(E) - M) / (1 - e*math.cos(E))
        E -= dE
        print(E, abs(dE))
        if abs(dE) < tol:
            return E
kepler_E(3.6029, 0.37255)

Exercices corrigés automatiquement

  1. rad

    Solution complète

    Newton–Raphson converge en quelques pas vers E = 1,185324 rad.

Exercices

  1. Pourquoi M et E doivent-ils être en radians dans l’itération ?

    Voir la solution

    Car le terme E et le terme e sin E doivent avoir la même unité ; e sin E est sans dimension (radians).

Erreur fréquente

Mélanger degrés et radians dans M = E - e sin E.

Références

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.

Propagation numérique par RK4

  • Licence (L1–L3)
  • Master

Parcours : mécanique orbitale · Environ 35 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Écrire l’orbite comme un système d’EDO du premier ordre ; l’intégrer par Runge–Kutta d’ordre 4 ; contrôler la précision par conservation de l’énergie.

Prérequis

EDO, séries de Taylor, programmation de base. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Dès qu’on ajoute des perturbations (J2, traînée, troisièmes corps), il n’y a plus de solution exacte : on intègre. RK4 a une erreur locale O(Δt⁵) et globale O(Δt⁴).

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Un ordinateur fait avancer le satellite par tout petits pas, comme un folioscope : chaque page est une fraction de seconde plus tard. Des pas plus malins (RK4) regardent devant avant d’avancer.

Pas à pas

  1. y=[rv],y˙=f(y)=[v−μr/r3]\mathbf y=\begin{bmatrix}\mathbf r\\ \mathbf v\end{bmatrix},\qquad \dot{\mathbf y}=\mathbf f(\mathbf y)=\begin{bmatrix}\mathbf v\\ -\mu\mathbf r/r^3\end{bmatrix}
    L’EDO d’ordre 2 devient un système d’ordre 1 à 6 états.
  2. k1=f(yn), k2=f(yn+Δt2k1), k3=f(yn+Δt2k2), k4=f(yn+Δt k3)\mathbf k_1=\mathbf f(\mathbf y_n),\ \mathbf k_2=\mathbf f(\mathbf y_n+\tfrac{\Delta t}{2}\mathbf k_1),\ \mathbf k_3=\mathbf f(\mathbf y_n+\tfrac{\Delta t}{2}\mathbf k_2),\ \mathbf k_4=\mathbf f(\mathbf y_n+\Delta t\,\mathbf k_3)
    Quatre évaluations de pente.
  3. yn+1=yn+Δt6(k1+2k2+2k3+k4)\mathbf y_{n+1}=\mathbf y_n+\frac{\Delta t}{6}\left(\mathbf k_1+2\mathbf k_2+2\mathbf k_3+\mathbf k_4\right)
    Moyenne pondérée (type Simpson).

Exemple résolu

Données
État initial de l’exemple de Lambert : r₁ = [7000, 0, 0] km et son v₁ ; 3600 s ; 20 000 pas RK4.
Inconnue
Position finale et sa distance à la cible r₂ = [0, 8000, 0] km.
Stratégie
Intégrer ẏ = f(y) par RK4, Δt = 0,18 s.
Étapes
  1. v₁ = (4,6069, 5,8532, 0) km/s
  2. Δt = 3600 / 20000 = 0.18 s
  3. |r(3600) − r₂| = 1,7×10⁻¹⁰ km
Réponse
L’orbite atteint la cible à 1,7×10⁻¹⁰ km près.
Vérification
Deux méthodes indépendantes (Lambert, RK4) concordent : les deux fonctionnent.
Portée
Le même intégrateur, avec J2 et la traînée ajoutés à f(y), sert à prédire les orbites réelles.
Voir le code Python
import numpy as np
mu = 398600.4418
def f(y): r = y[:3]; return np.r_[y[3:], -mu * r / np.linalg.norm(r)**3]
def rk4(y, dt):
    k1 = f(y); k2 = f(y + dt/2*k1); k3 = f(y + dt/2*k2); k4 = f(y + dt*k3)
    return y + dt/6*(k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4)

Exercices

  1. Diviser Δt par deux réduit l’erreur globale de RK4 d’environ quel facteur ?

    Voir la solution

    Environ 2⁴ = 16.

Erreur fréquente

Faire confiance à une longue intégration sans vérifier une quantité conservée (énergie, h). RK4 n’est pas symplectique et dérive lentement.

Références

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • MIT OpenCourseWare, 16.346 Astrodynamics (CC BY-NC-SA 4.0).

Transfert de Hohmann

  • Premier cycle (DUT/BTS)
  • Licence (L1–L3)

Parcours : mécanique orbitale · Environ 25 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Concevoir un transfert à deux poussées entre orbites circulaires coplanaires ; calculer chaque Δv et la durée.

Prérequis

Vis-viva, troisième loi de Kepler. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Pousser vers l’avant sur l’orbite intérieure pour entrer sur une ellipse tangente à l’orbite extérieure, attendre une demi-orbite, puis pousser à nouveau pour circulariser.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Pour passer sur une piste plus haute, on accélère une fois pour s’écarter, puis encore une fois en arrivant pour y rester.

Pas à pas

  1. at=r1+r22a_t=\frac{r_1+r_2}{2}
    L’ellipse de transfert touche les deux cercles.
  2. Δv1=μ(2r1−1at)−μr1\Delta v_1=\sqrt{\mu\left(\frac{2}{r_1}-\frac{1}{a_t}\right)}-\sqrt{\frac{\mu}{r_1}}
    Poussée au périgée (vis-viva moins circulaire).
  3. Δv2=μr2−μ(2r2−1at)\Delta v_2=\sqrt{\frac{\mu}{r_2}}-\sqrt{\mu\left(\frac{2}{r_2}-\frac{1}{a_t}\right)}
    Poussée à l’apogée.
  4. tt=πat3μt_{t}=\pi\sqrt{\frac{a_t^3}{\mu}}
    Demi-période de l’orbite de transfert.

Exemple résolu

Données
μ = 398 600,4418 km³/s², départ : circulaire 300 km (r₁ = 6678,1 km), cible : GEO (r₂ = 42164,2 km), même plan.
Inconnue
Δv₁, Δv₂, Δv total et durée du transfert.
Stratégie
Vitesses circulaires par v = √(μ/r) ; vitesses sur l’ellipse par vis-viva ; soustraire ; demi-période.
Étapes
  1. a_t = (r₁ + r₂)/2 = 24421,2 km
  2. v_c1 = 7,7258 km/s, v_p = 10,1515 km/s → Δv₁ = 2,4257 km/s
  3. v_a = 1,6078 km/s, v_c2 = 3,0747 km/s → Δv₂ = 1,4668 km/s
  4. t = π√(a_t³/μ) = 18990 s
Réponse
Δv total = 3,893 km/s ; durée 5,28 h.
Vérification
Conforme aux ≈ 3,9 km/s des manuels. La période de l’ellipse (5,28 h × 2) est entre celles de LEO et GEO, comme il se doit.
Portée
Un lancement à 28,5° de latitude ajoute un changement de plan ; combiné à la poussée d’apogée, le total est 4,26 km/s, le budget classique du transfert géostationnaire.

Essayez : calculateur de Hohmann

Voir le code Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137          # km^3/s^2, km
r1, r2 = RE + 300, 42164.17
at = (r1 + r2) / 2
vv = lambda r, a: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a))
dv1 = vv(r1, at) - math.sqrt(mu/r1)
dv2 = math.sqrt(mu/r2) - vv(r2, at)
tof = math.pi * math.sqrt(at**3 / mu)
print(dv1, dv2, dv1 + dv2, tof/3600)   # km/s, km/s, km/s, h

Exercices corrigés automatiquement

  1. km/s

    Solution complète

    Δv₁ = 0,1608, Δv₂ = 0,1575 ; total 0,3183 km/s.

Exercices

  1. Pourquoi les missions GEO réelles demandent-elles davantage ?

    Voir la solution

    Les sites de lancement ne sont pas sur l’équateur : il faut aussi changer de plan (voir Changements de plan).

Erreur fréquente

Additionner les vitesses circulaires au lieu des différences : Δv est la variation de vitesse à chaque poussée.

Références

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • R. R. Bate, D. D. Mueller, J. E. White, W. W. Saylor, Fundamentals of Astrodynamics, 2nd ed., Dover, 2020.
  • NASA, Basics of Space Flight.

Transfert bi-elliptique

  • Licence (L1–L3)
  • Master

Parcours : mécanique orbitale · Environ 20 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Calculer un transfert bi-elliptique à trois poussées et savoir quand il bat Hohmann.

Prérequis

Transfert de Hohmann, vis-viva. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Monter très loin jusqu’à r_b, où les vitesses sont minuscules, puis redescendre vers la cible. Pour r₂/r₁ supérieur à environ 11,94, un certain r_b bat Hohmann ; au-delà d’environ 15,58, tout r_b > r₂ le bat, au prix d’un vol bien plus long.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Parfois le grand détour coûte moins cher : monter très haut où bouger est facile, s’ajuster là-haut, puis redescendre.

Pas à pas

  1. a1=r1+rb2,a2=r2+rb2a_1=\frac{r_1+r_b}{2},\qquad a_2=\frac{r_2+r_b}{2}
    Deux ellipses de transfert.
  2. Δv=∣vp1−vc1∣+∣va2−va1∣+∣vc2−vp2∣\Delta v=\big|v_{p1}-v_{c1}\big|+\big|v_{a2}-v_{a1}\big|+\big|v_{c2}-v_{p2}\big|
    Poussées en r₁, r_b et r₂, chacune par vis-viva.

Exemple résolu

Données
r₁ = 6678,137 km, r₂ = 20 r₁, intermédiaire r_b = 40 r₁.
Inconnue
Δv total bi-elliptique contre Hohmann.
Stratégie
Trois poussées vis-viva en r₁, r_b, r₂ ; comparer à Hohmann.
Étapes
  1. a₁ = (r₁ + r_b)/2, a₂ = (r₂ + r_b)/2
  2. Δv_bi = 4,0609 km/s
  3. Δv_H = 4,1312 km/s
Réponse
Bi-elliptique 4,061 km/s bat Hohmann 4,131 km/s.
Vérification
r₂/r₁ = 20 dépasse le seuil de 15,58 : tout r_b > r₂ doit gagner, c’est cohérent.
Portée
Le gain (environ 70 m/s ici) coûte un vol bien plus long : la conception de mission est un compromis.
Voir le code Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
vv = lambda r, a: math.sqrt(mu * (2/r - 1/a)); vc = lambda r: math.sqrt(mu / r)
r1 = RE + 300; r2, rb = 20*r1, 40*r1
a1, a2 = (r1+rb)/2, (r2+rb)/2
dv = (vv(r1,a1)-vc(r1)) + (vv(rb,a2)-vv(rb,a1)) + (vv(r2,a2)-vc(r2))
print(abs(dv))

Exercices

  1. De LEO à GEO (r₂/r₁ ≈ 6,3), faut-il un transfert bi-elliptique ?

    Voir la solution

    Non : en dessous d’un rapport d’environ 11,94, Hohmann est toujours moins cher.

Erreur fréquente

Oublier la durée : le gain bi-elliptique peut coûter des jours ou des semaines.

Références

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.

Changements de plan

  • Licence (L1–L3)

Parcours : mécanique orbitale · Environ 20 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Établir le Δv de changement de plan par la loi des cosinus ; montrer pourquoi le combiner à la poussée d’apogée économise du carburant.

Prérequis

Vecteurs, loi des cosinus, transfert de Hohmann. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Tourner le vecteur vitesse coûte proportionnellement à la vitesse : les changements de plan sont moins chers là où l’orbite est la plus lente.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Tourner avec un vélo rapide est difficile ; avec un vélo lent, c’est facile. Les engins inclinent leur orbite là où ils vont le plus lentement.

Pas à pas

  1. Δv=v12+v22−2v1v2cos⁡Δi\Delta v=\sqrt{v_1^2+v_2^2-2v_1v_2\cos\Delta i}
    Loi des cosinus sur les deux vecteurs vitesse.
  2. v1=v2=v  ⇒  Δv=2vsin⁡Δi2v_1=v_2=v\;\Rightarrow\;\Delta v=2v\sin\frac{\Delta i}{2}
    Changement de plan pur à vitesse constante.

Exemple résolu

Données
Insertion GEO depuis une orbite de transfert à 28,5° : v_a = 1,6078 km/s, v_GEO = 3,0747 km/s.
Inconnue
Δv combiné contre séparé.
Stratégie
Loi des cosinus sur les deux vecteurs vitesse.
Étapes
  1. Δv_comb = √(v_a² + v_GEO² − 2 v_a v_GEO cos 28.5°) = 1,8302 km/s
  2. Δv_sep = (v_GEO − v_a) + 2 v_GEO sin 14.25° = 2,9805 km/s
Réponse
Combiné : 1,830 km/s ; séparé : 2,980 km/s.
Vérification
La poussée combinée est inférieure à la somme, comme l’exige l’inégalité triangulaire.
Portée
Économiser environ 1,15 km/s explique pourquoi les lancements vers GEO combinent toujours le virage et la poussée d’apogée.
Voir le code Python
import math
va, vg, di = 1.6078, 3.0747, math.radians(28.5)
comb = math.sqrt(va**2 + vg**2 - 2*va*vg*math.cos(di))
sep = (vg - va) + 2*vg*math.sin(di/2)
print(comb, sep)

Exercices corrigés automatiquement

  1. km/s

    Solution complète

    Δv = 2 × 7,5 × sin 5° = 1,3073 km/s.

Exercices

  1. Où un changement de plan est-il le moins cher sur une ellipse ?

    Voir la solution

    À l’apoastre (vitesse minimale), et sur un nœud.

Erreur fréquente

Oublier qu’un changement de plan se fait à l’intersection des deux plans (un nœud).

Références

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.

L’équation de la fusée

  • Ados
  • Premier cycle (DUT/BTS)
  • Licence (L1–L3)

Parcours : mécanique orbitale · Environ 15 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Établir l’équation de Tsiolkovski par conservation de la quantité de mouvement et séparation des variables ; traduire un budget Δv en masse d’ergols.

Prérequis

Quantité de mouvement, intégrale de 1/m (logarithme). Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Le Δv est la monnaie du vol spatial. Comme la fusée emporte ses ergols, la masse croît exponentiellement avec le Δv.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Une fusée éjecte de la matière très vite vers l’arrière, ce qui la pousse en avant, comme un ballon qu’on lâche. Mais elle doit tout emporter : aller plus vite demande beaucoup plus de carburant.

Pas à pas

  1. m dv=−ve dmm\,dv=-v_e\,dm
    Bilan de quantité de mouvement sur une courte poussée (sans gravité ni traînée).
  2. ∫0Δvdv=−ve∫m0mfdmm\int_{0}^{\Delta v}dv=-v_e\int_{m_0}^{m_f}\frac{dm}{m}
    Séparer les variables et intégrer.
  3. Δv=veln⁡m0mf,ve=Isp g0\Delta v=v_e\ln\frac{m_0}{m_f},\qquad v_e=I_{sp}\,g_0
    Tsiolkovski ; g₀ = 9,80665 m/s².

Exemple résolu

Données
Δv = 3,8926 km/s (Hohmann LEO→GEO), I_sp = 450 s, g₀ = 9,80665 m/s².
Inconnue
Rapport de masse et fraction d’ergols.
Stratégie
v_e = I_sp g₀, puis m₀/m_f = exp(Δv/v_e).
Étapes
  1. v_e = 450 · 9.80665 m/s = 4.413 km/s
  2. m₀/m_f = exp(3,8926 / 4.413) = 2,4159
  3. 1 − 1/2,4159 = 58,6 %
Réponse
m₀/m_f = 2,416 ; 58,6 % de la masse initiale est de l’ergol.
Vérification
Δv est inférieur à v_e, donc le rapport doit être sous e ≈ 2,72 : c’est le cas.
Portée
Plus de la moitié de l’étage est du carburant rien que pour aller de LEO à GEO : d’où les moteurs à fort I_sp des étages supérieurs.
Voir le code Python
import math
dv, isp, g0 = 3.8926, 450, 9.80665e-3   # km/s, s, km/s^2
mr = math.exp(dv / (isp * g0))
print(mr, 1 - 1/mr)

Exercices corrigés automatiquement

    Solution complète

    m₀/m_f = exp(2/2,942) = 1,974.

Exercices

  1. Doubler le Δv à I_sp fixe fait quoi au rapport de masse ?

    Voir la solution

    Il est élevé au carré, pas doublé : e^(2x) = (e^x)².

Erreur fréquente

Utiliser g en altitude pour g₀. Dans I_sp, g₀ est une constante fixe, 9,80665 m/s².

Références

  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.
  • NASA, Basics of Space Flight.

Perturbations J2 et orbites héliosynchrones

  • Master

Parcours : mécanique orbitale · Environ 40 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Modéliser le renflement équatorial par le terme J2 du potentiel ; établir la dérive séculaire du nœud par moyennage ; concevoir une orbite héliosynchrone.

Prérequis

Gradient d’un potentiel, polynômes de Legendre, équations planétaires de Lagrange (énoncé). Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

La masse supplémentaire à l’équateur tire sur l’orbite et fait précesser son plan. En moyenne sur une orbite, les effets à courte période s’annulent et il reste une dérive régulière de Ω et ω.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

La Terre est un peu ronde au milieu. Ce bourrelet tire sur les satellites et fait tourner lentement leur orbite ; les ingénieurs s’en servent pour garder certains satellites au pas du Soleil.

Pas à pas

  1. U=−μr[1−J2(R⊕r)23sin⁡2ϕ−12]U=-\frac{\mu}{r}\left[1-J_2\left(\frac{R_\oplus}{r}\right)^2\frac{3\sin^2\phi-1}{2}\right]
    Potentiel avec le terme zonal J2 (φ = latitude).
  2. Ω˙=−32 n J2(R⊕p)2cos⁡i,p=a(1−e2)\dot\Omega=-\frac{3}{2}\,n\,J_2\left(\frac{R_\oplus}{p}\right)^2\cos i,\qquad p=a(1-e^2)
    Vitesse séculaire du nœud après moyennage (équations de Lagrange).
  3. Ω˙SSO=360∘365.2422 d≈0.9856∘/d  ⇒  cos⁡i=Ω˙SSO−32nJ2(R⊕/p)2\dot\Omega_{SSO}=\frac{360^\circ}{365.2422\ \text{d}}\approx 0.9856^\circ/\text{d}\;\Rightarrow\;\cos i=\frac{\dot\Omega_{SSO}}{-\tfrac32 nJ_2(R_\oplus/p)^2}
    Héliosynchrone : le nœud suit le Soleil une fois par an.

Exemple résolu

Données
Orbite circulaire à 700 km ; J2 = 1,08263×10⁻³ ; vitesse de nœud visée 360°/365,2422 j.
Inconnue
L’inclinaison héliosynchrone i.
Stratégie
Égaler la vitesse séculaire du nœud à la cible et résoudre en cos i.
Étapes
  1. a = 7078.137 km, n = √(μ/a³)
  2. cos i = −Ω̇_SSO / (1.5 n J2 (R⊕/a)²)
  3. i = 98,188°
Réponse
i = 98,19°.
Vérification
Les missions héliosynchrones publiées vers 700 km volent à environ 98,2° : cohérent.
Portée
Une petite perturbation naturelle, utilisée exprès, donne gratuitement un éclairage constant aux satellites d’imagerie.
Voir le code Python
import math
mu, RE = 398600.4418, 6378.137   # km^3/s^2, km
J2 = 1.08262668e-3
a = RE + 700; n = math.sqrt(mu / a**3)
target = 2*math.pi / (365.2422*86400)
print(math.degrees(math.acos(-target / (1.5*n*J2*(RE/a)**2))))

Exercices corrigés automatiquement

  1. °

    Solution complète

    cos i est négatif et i = 98,60°, un peu plus qu’à 700 km.

Exercices

  1. Pourquoi les orbites héliosynchrones sont-elles légèrement rétrogrades (i > 90°) ?

    Voir la solution

    Le nœud doit avancer vers l’est (vitesse positive) ; la formule contient -cos i, donc cos i < 0.

Erreur fréquente

Utiliser le jour solaire : le nœud doit tourner de 360° par année tropique, environ 0,9856°/jour.

Références

  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • N. K. Pavlis et al., "The development and evaluation of the Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008)", J. Geophys. Res. 117, B04406 (2012). doi:10.1029/2011JB008916
  • R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.

Le problème de Lambert

  • Master
  • Doctorat / recherche

Parcours : mécanique orbitale · Environ 60 min · Nombres vérifiés à la génération:

Vous saurez

Étant donnés deux positions et un temps de vol, trouver l’orbite qui les relie par variables universelles et recherche de racine ; vérifier par propagation numérique ; connaître la littérature de recherche.

Prérequis

Variables universelles, fonctions de Stumpff, recherche de racines (dichotomie, Newton, Halley), RK4. Les orbites expliquées

D’abord l’intuition

Le problème de Lambert est au cœur du rendez-vous, du ciblage et des diagrammes interplanétaires « porkchop ». C’est un problème aux limites en deux points ; le théorème de Lambert dit que le temps de vol ne dépend que de a, r₁ + r₂ et de la corde c.

🧒 Explique-moi comme si j’avais 10 ans

Tu veux lancer une balle d’ici à là-bas et qu’elle arrive en exactement une heure. Le problème de Lambert trouve le lancer exact.

Pas à pas

  1. A=sin⁡Δνr1r21−cos⁡Δν,y(z)=r1+r2+A zS(z)−1C(z)A=\sin\Delta\nu\sqrt{\frac{r_1r_2}{1-\cos\Delta\nu}},\qquad y(z)=r_1+r_2+A\,\frac{zS(z)-1}{\sqrt{C(z)}}
    Constante géométrique A et auxiliaire y(z) (Stumpff C, S).
  2. μ Δt=(yC)3/2S+Ay\sqrt{\mu}\,\Delta t=\left(\frac{y}{C}\right)^{3/2}S+A\sqrt{y}
    Équation du temps de vol : résoudre en z par recherche de racine.
  3. f=1−yr1,g=Ayμ,g˙=1−yr2,v1=r2−fr1g,v2=g˙ r2−r1gf=1-\frac{y}{r_1},\quad g=A\sqrt{\frac{y}{\mu}},\quad \dot g=1-\frac{y}{r_2},\quad \mathbf v_1=\frac{\mathbf r_2-f\mathbf r_1}{g},\quad \mathbf v_2=\frac{\dot g\,\mathbf r_2-\mathbf r_1}{g}
    Les coefficients de Lagrange donnent les vitesses.

Exemple résolu

Données
r₁ = [7000, 0, 0] km, r₂ = [0, 8000, 0] km, Δt = 3600 s, prograde.
Inconnue
v₁ et v₂.
Stratégie
Équation du temps de vol en variables universelles ; z par dichotomie ; f, g, ġ de Lagrange donnent les vitesses (Curtis, algorithme 5.2).
Étapes
  1. Δν = 90°, A = √(r₁r₂)
  2. v₁ = (4,6069, 5,8532, 0) km/s
  3. v₂ = (-5,1216, -3,8753, 0) km/s
  4. RK4 check: 1,7×10⁻¹⁰ km
Réponse
v₁ = (4,607 ; 5,853 ; 0) km/s ; v₂ = (-5,122 ; -3,875 ; 0) km/s.
Vérification
L’énergie et le moment cinétique sont égaux aux deux extrémités, et RK4 depuis (r₁, v₁) atteint r₂.
Portée
Répété sur une grille de dates de départ et d’arrivée, cela donne les diagrammes « porkchop » utilisés pour planifier les missions vers Mars.
Voir le code Python
# universal-variable Lambert (Curtis Alg. 5.2): see scripts/learn_calc.py lambert()
from learn_calc import lambert, propagate
v1, v2 = lambert([7000, 0, 0], [0, 8000, 0], 3600)
print(v1, v2)

Exercices

  1. Recherche : qu’apporte Izzo (2015) par rapport aux variables universelles ?

    Voir la solution

    Une seule variable adimensionnelle x avec une bonne estimation initiale et des itérations de Householder (ordre 3), traitant les cas multi-révolutions de façon robuste en très peu d’itérations.

Erreur fréquente

Choisir le mauvais sens : Δν et 360° - Δν donnent deux orbites différentes.

Références

  • D. Izzo, "Revisiting Lambert’s problem", Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 121, 1–15 (2015). doi:10.1007/s10569-014-9587-y
  • R. H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, rev. ed., AIAA, 1999.
  • D. A. Vallado, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed., Microcosm Press, 2013.
  • H. D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students, 4th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2020.

Vérifiez votre compréhension

Doubler le rayon de l’orbite rend la vitesse circulaire…

Où un changement de plan est-il le moins cher sur une ellipse ?

Quelle anomalie croît uniformément avec le temps ?

Pour aller plus loin

Ensuite : les parcours génie aéronautique et physique (à venir), les algorithmes de Vallado et le solveur de Lambert d’Izzo pour la recherche.

Pour les enseignants

Usage conseillé : une séance de 50 minutes pour deux sections. Parcours licence : circulaire → Kepler → vis-viva → Hohmann → équation de la fusée, avec l’Orbit Lab comme démonstration de l’exemple de Hohmann. Parcours master : éléments → équation de Kepler → RK4 → J2 → Lambert (les extraits Python servent de TP). Chaque réponse numérique est calculée par le script de génération : les exercices servent aussi de corrigé. Aligné sur les thèmes du cours MIT OCW 16.346.

Références

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