Le vol en zéro gravité, comment ça marche ?

De nos jours, même si les missions spatiales habitées sont de plus en plus fréquentes, elles ne suffisent pas à mener à bien et dans les temps voulus les expériences en l’absence de gravité. En effet, dans l’espace, notamment les astronautes qui se trouvent dans la Station Spatiale Internationale (SSI) ne sont pas soumis à la gravité ce qui leur permet d’effectuer diverses expériences. Les vols zéro gravité ont pour but de reproduire exactement ce phénomène sans forcément aller dans l’espace, ce qui est moins coûteux et nécessite des moyens moins importants. Mais alors comment cela est-il possible, quelle est la trajectoire de l’avion qui permet cela ?

Commençons par expliquer la procédure à effectuer et la trajectoire de l’avion ainsi que les différentes phases de vol permettant la simulation de l’absence de gravité. Pour reproduire ce phénomène, l’avion doit être en chute libre, autrement dit il ne doit être soumis qu’à son poids. Le pilote de l’avion doit également effectuer une trajectoire parabolique afin que cela soit réalisable. En effet une fois à 6000m d’altitude le pilote entame la montée jusqu’à 7600m à une inclinaison de 50° par rapport à l’horizontale, cet angle se nomme l’assiette, c’est la phase de ressource d’entrée en parabole dans laquelle l’avion augmente 1,8 fois le niveau de pesanteur terrestre. On parle d’hyperpesanteur. Arrive ensuite la parabole qui débute par l’injection ; en effet alors que l’avion est en pleine ascension, le pilote réduit le régime des moteurs et place l’appareil dans sa trajectoire balistique, c’est-à-dire qu’il ne sera soumis qu’à la gravité. Ce dernier entre alors en gravité zéro et décrit une parabole au cours de laquelle il est en chute libre pendant 22 secondes. L’avion entame finalement la ressource de sortie : en effet alors que l’avion est en descente avec une assiette à 42°, le pilote redresse progressivement l’appareil tout en augmentant le régime des moteurs. A ce stade, les passagers pèsent de nouveau 1,8 fois leur poids terrestre. La réalisation d’un vol zéro gravité peut également s’effectuer dans d’autres circonstances, en planeur par exemple en réalisant la même trajectoire parabolique. L’entreprise Novespace réalise notamment des vols touristiques pour permettre à tout le monde d’expérimenter l’absence de gravité mais également des vols destinés à la recherche scientifique dans lesquels ce processus est répété 31 fois.

Schéma de la trajectoire de l’avion, airzerog.com

Passons maintenant à l’explication des différents calculs et équations qui décrivent ce phénomène. En effet, par application de la seconde loi de Newton selon laquelle la somme des forces extérieures est égale au produit de la masse de l’avion m par son accélération et en considérant que ce dernier est réduit à un point G, il est possible d’écrire la relation suivante :

Comme dit précédemment, l’avion n’est soumis qu’à son poids, la somme des forces extérieures n’est dont égale qu’au poids P, lui-même égal au produit de sa masse par l’accélération de la pesanteur g. On obtient donc la relation suivante : mg = ma. En simplifiant par la masse on obtient : g = a. On remarque que l’accélération de l’avion n’est autre que l’accélération de pesanteur.

Schéma de la situation

Or l’accélération possède une composante selon l’axe horizontal x et l’axe vertical y, soit :

Ensuite par intégration on peut obtenir une expression de la vitesse soit :

Où t représente le temps et V0 la vitesse de l’avion à l’instant initial.

On intègre une nouvelle fois pour obtenir les équations horaires du mouvement, c’est-à-dire la position de l’avion en fonction du temps :

Où x0 et y0 représentent la position de l’avion à l’instant initial.

Il suffit maintenant d’isoler t dans l’expression de x(t) puis de l’injecter dans l’expression de y(t) afin d’obtenir l’équation de la trajectoire de l’avion :

Ces équations décrivent le mouvement de l’avion lorsqu’il effectue la parabole qui place les passagers en impesanteur, en effet on reconnaît la forme mathématique de l’équation d’une parabole, ce qui est bien la trajectoire qu’effectue l’avion. On peut donc connaître la position de l’avion à n’importe quel instant t ainsi que sa hauteur à n’importe quel distance x.

L’utilisation des mathématiques est donc d’une grande d’aide lorsqu’il s’agit de comprendre et décrire des phénomènes physiques comme c’est le cas ici avec le vol zéro gravité.

Sources :