Endo, exo : des précisions

A la suite d'un premier billet sur la défense anti-missile, un lecteur compétent m'envoie un commentaire qui mértie, à lui-seul, tout un article. Je le remercie vivement en respectant son relatif anonymat. Il n'en reste pas moins qu'autant de précisions permettent de mieux comprendre tout un tas d'enjeux stratégiques, qui sont conditionnés par des données techniques.

Celles-ci sont souvent rebutantes, et c'est pourquoi il faut apprécier à sa juste valeur l'effort de vulgarisation (au sens noble du terme) ici effectué. Pour moi, c'est très éclairant et cela aide à raisonner...

Merci donc encore.

O. Kempf

Endo / Exo atmosphérique. Ces mots n’ont pas vraiment de sens précis si le contexte n’est pas étayé. La limite Atmosphère/Espace ? Ici pour les uns, là pour les autres ? On propose ici d’en revenir à la physique (assez simple d’ailleurs). C’est ce que je suggère dans un domaine où prudence et humilité s’imposent à tous, donc à moi.

1/ La Terre.

Entourée de son atmosphère, en mouvement dans « l’Espace » et donc au sens commun, dans le « vide spatial ». Quittons donc la Terre, progressivement.

• L’atmosphère, dense au départ (1013 millibars) va le devenir de moins en moins. A 8 kilomètres l’alpiniste au sommet de l’Everest pourrait se juger déjà dans l’espace, en EXOatmosphérique par ce qu’il « n’a plus d’air ». On sait qu’il en reste encore. ENDOatmosphérique donc.
• Allons maintenant jusqu’à la Station Spatiale Internationale (I.S.S.) à 400 kilomètres. Elle se juge en EXO, dans l’espace. Pourtant elle freinée par l’air. Il reste des molécules à cette altitude au point qu’un incrément de vitesse doit être donné de temps en temps à l’I.S.S. par les moteurs-fusées des cargos spatiaux qui l’accostent. Sans quoi la station retomberait sur terre. ENDO alors ?

Une évidence: la limite « atmosphère / espace »,

a/ n’a pas de netteté et…
b/ est très liée à l’usage que l’on va en faire.

Essayons de la préciser pour ce qui nous concerne, la Défense Anti Missiles Balistiques (DAMB).

2/ Une limite relative.

L’avion est tributaire de sa portance et de sa vitesse. C’est un objet atmosphérique. On admet qu’au-delà de 25 km aucun plus lourd que l’air utilisant l’air ne vole (avions, missiles tactiques etc.).
• A 25 km, la fusée, elle, n’est plus vraiment contrainte par l’échauffement de l’air dû à sa grande vitesse. Elle est heureuse. Elle quitte l’atmosphère et se dit alors dans l’Espace.
Pour le couple avion/fusée 25 km « environ » est accepté comme limite ENDO/EXO quand on monte en altitude.
• La météorite venant de l’Espace vers la Terre commence à être sensiblement échauffée par les molécules d’air vers 100 km. 120 km est une valeur souvent retenue comme référence de la limite espace/atmosphère pour tous les corps « rapides » venant de l’espace qui, en dessous de cette valeur, vont commencer à se détruire s’ils ne sont pas protégés

Deux chiffres 25, 120. Quid ? pour l’arme d’abord, et, ensuite, pour la défense.

3/ L’arme balistique

• Cette une arme rapide venant de l’Espace. Un cône de 2m de haut et 0,5 m de diamètre à sa base (valeurs rondes pour situer le dossier), dûment protégé contre les milliers de degrés qui vont l’affecter à la rentrée dans l’atmosphère (120 km) et contenant une arme.

Le cône a été lancé par ce qu’on appelle - indûment- un missile balistique. En effet, après « endo » et « exo » improprement utilisés le mot « missile » contribue définitivement à n’y rien comprendre.

• Le missile balistique est un lanceur. Comme tous les lanceurs il fonctionne pendant peu de temps, surtout si l’on compare ce temps qui lui sert à acquérir une vitesse « cosmique » (Tsiolkovski) - à celui mis à parcourir sa trajectoire par l’objet lancé.

Les lanceurs militaires les plus aboutis (portée maximum de l’arme lancée 10 000 km, pour en rester toujours aux chiffres ronds) propulsent pendant 5 minutes seulement leur charge, alors que le parcours elliptique de l’arme (loi de Kepler) dure env. 30 minutes (aller jusqu’à l’apogée puis retour vers la Terre). Au bout de 5 minutes il ne reste définitivement plus rien du lanceur. Les étages ont été séparés et sont retombés sur terre. Le dernier, vide et séparé de l’arme, restera un moment dans l’espace mais ne sert plus à rien. Si l’on regarde donc l’ensemble de la trajectoire - propulsée (5 minutes) puis balistique (30 minutes) - la phase balistique a bien le dessus. C’est pourquoi on parle de « missiles balistiques ». Bien qu’impropre parce que on va avoir à se défendre contre des armes balistiques et non contre des missiles (balistiques de nom), on va en conserver ici l’appellation.

• Au fur et à mesure que la technologie progresse, les missiles balistiques (initialement les V2 de von Braun ou les Scuds qui en sont proches) gagnent en vitesse de lancement. L’objectif est simple comme les Lois de Kepler qui sous tendent la balistique : plus on va vite, plus on va loin. Seule compte la vitesse. Se souvenir alors que 1 km/s est la vitesse d’une balle de carabine et que les V2 comme les Scuds vont nécessairement déjà un peu plus vite, de l’ordre de 2 km/s.

2 km/s est la vitesse minimum que doit atteindre un missile pour être convenablement balistique.

Quant à la vitesse maximum, elle est connue : 7km/s, surtout pas plus! Parce qu’à 8 km/s on satellise (première vitesse cosmique) et qu’alors on mettrait une arme de destruction massive continûment dans l’espace ce qui est interdit par le traité de l’ONU de 1967. Le Traité autorise bien d’aller un moment dans l’espace (30 minutes maximum, on l’a vu), mais pas continûment.

Un missile balistique, donc, lance après un bref moment absolument pas balistique et appelé « phase propulsée » - une arme dans l’espace à une vitesse comprise entre 2 et 7 km/s et dont la trajectoire elliptique ou « phase balistique » est calculée par le programme de vol mis dans le missile à son départ pour intercepter la Terre à l’endroit où doit exploser l’arme après une très courte « phase de rentrée (atmosphérique) », à la façon des étoiles filantes.

4/ENDO/EXO pour l’arme

L’arme balistique dont on vient d »évoquer le lancement n’a rien à voir avec l’atmosphère (ENDO) sauf :

a/ au départ, si elle est lancée à faible vitesse soit env.2 km/s.

A faible vitesse l’apogée est à env. 100/200 km et le parcours « spatial » de l’arme (ou de l’arme + le missile qui ne sert plus à rien mais dont on n’a pas su la séparer, cas des V2 et Scuds) est affecté par les molécules d’air à ces altitudes. Mathématiquement le vol n’est donc pas strictement balistique (gravité + un peu de résistance de l’air et non gravité seule).
Toutefois l’effet de l’atmosphère est faible. On peut donc accepter de dire que le vol de l’arme est EXO. Ce qui devient tout à fait vrai pour les armes lancées après séparation et à forte vitesse, de 5 à 7 km/ dont l’apogée est plus haute, de 1000 à 2000 km (beaucoup plus haute que la Station Spatiale Internationale incidemment). Ces armes ne sont jamais freinées par l’atmosphère lors de leur parcours spatial, sauf…

b/ à l’arrivée dans l’atmosphère.

Evidemment. Mais cette phase est très courte. 100 km d’atmosphère à 5 km/s, cela fait 100 divisé par cinq soit 20 secondes. On pose la division pour ceux (je ne m’adresse pas à la personne qui l’a mentionné plus haut mais à ceux qui l’ont imparfaitement informée - voir commentaire du billet de référence) pour ceux, donc, qui expliquent qu’il est plus facile d’intercepter « en ENDO » i.e. dans l’atmosphère que l’arme va traverser en un peu plus de 20 secondes, effet de freinage obligeant, plutôt qu’en EXO, i.e. dans l’espace, où le parcours spatial des armes de vitesses d’env.5 km/s est de l’ordre de 20 minutes, soixante fois plus !
On commence ainsi à parler de la façon de se défendre et donc de la querelle (pour ceux qui ont suivi ce dossier) touchant à la défense : ENDO ou EXO ?

5/ ENDO/EXO pour la défense

La DAMB, entre le moment où l’attaque se déclenche et où la défense riposte en annihilant l’attaque est une affaire de quelques dizaines de minutes. Cela dit c’est surtout un système au sens où on entend aujourd’hui un ensemble complexe d’interventions particulièrement liées. En parler autrement conduirait à l’erreur. Il faut commencer par le commencement.

• Un Satellite sensible à l’infrarouge observe le départ ( la combustion) du missile balistique assaillant. De l’analyse de la combustion il va déduire qui ? (analyse spectrale caractérisant la poudre, donc le lanceur) et comment ? (caractérisant la trajectoire après quelques minutes de suivi trajectographique).
Assez vite, 5 minutes au plus on l’a vu puisqu’après il n’y a plus de missile et donc plus de combustion, le satellite va « passer la main » à un radar.
• Le Radar va calculer avec la précision nécessaire la trajectoire de l’arme assaillante alors que la phase propulsée se termine et qu’elle est en train de débuter son parcours spatial (parfaitement prédictible, on l’a dit). Très vite encore, parce qu’il ne faut plus perdre de temps, le radar va ordonner le départ du missile balistique de l’assailli, le missile anti missile balistique.
• Ce Lanceur est le même missile balistique (« à armes égales ») que celui de l’assaillant. Mais à la place de l’arme et du programme de vol type « destruction d’une cible sur la Terre» qui conduit au retour sur terre on a mis à la place de l’arme dans le lanceur qui va défendre, un objet appelé Kill Vehicle (KV) et un programme de vol type « défense anti missile balistique » qui, lui, conduit le KV à l’impact dans le ciel contre l’arme de l’agresseur.

Pour contrer cette arme, il faut en effet « lui rentrer dedans ». Avec quelque chose qui a donc la même dimension que le cône/arme mais est (le KV) d’une forme cylindrique (cf.ci-dessous).

On lance donc le KV comme on le ferait d’une arme, mais cette fois en vue d’impacter. En effet les vitesses relatives vont être de 5 km/s pour l’assaillant et « donc » de 5 km/s pour l’assailli selon la vielle règle du « à armes égales, c’est mieux ». Règle qui a bien servi au précédent roi du Maroc quand, dans son Boeing, il s’est fait attaquer par un chasseur à réaction. Règle à démontrer toutefois. Ce serait long. On l’admet.
D’où 10 km/s (5+5), c’est la vitesse de rapprochement en première analyse entre l’arme et le KV. Soit 1 mètre en 100 nanosecondes. Il n’y a pas assez de temps, avec la technologie actuelle, pour calculer la date de déclenchement d’une charge explosive « au passage ». Voilà pourquoi il faut aller à l’impact.
On va se rassurer. Les trajectoires spatiales (des Côniques- ellipses, cercles, paraboles, hyperboles, on ne se déplace pas dans l’espace comme dans l’atmosphère et espace et atmosphère sont pour les ingénieurs deux métiers totalement différents), les trajectoires dans l’espace donc, sont parfaitement prédictibles. En 2004 Ariane a lancé la sonde Rosetta qui se posera sur la comète Cheryumov-Gerassimenko en 2014. 10 ans après, ceci à l’attention de ceux qui douteraient dudit caractère prédictif des trajectoires spatiales.

Le Kill Vehicle va donc être lancé mathématiquement, par des calculs visant à la rencontre deux objets parcourant des ellipses etc. Le KV dispose -devant-, d’un détecteur infra rouge (ce qui lui donne ce caractère cylindrique) et - sur les côtés et l’arrière - des petits moteurs fusées.

Pourquoi? L’impact est normalement le fruit de la mathématique, on l’a dit, mais le monde réel est évidemment imparfait. Il faudra quelques corrections de trajectoire. Les moteurs sont là pour agir. L’infrarouge est parfait pour observer. En effet l’arme assaillante a été réchauffée qu’on le veuille ou non pendant la phase propulsée. Elle est donc vue par le KV sur un fond de ciel très froid que l’on sait à 3°K depuis Penzias et Wilson. Tout va pour le mieux.

C’est pourquoi l’interception dans l’espace (EXO) est à préférer dès qu’elle peut être utilisée, c'est-à-dire dès que le trajet spatial de l’arme est significativement long. Parce que « long » implique que l’on va beaucoup dans l’espace dixit Kepler. Or la portée de l’infra rouge est, dans l’espace, 10 fois plus grande que dans l’atmosphère (1000 km contre moins de 100# tandis que l’on dispose de temps

Faire fonctionner un détecteur infra rouge dans l’atmosphère où l’on a par ailleurs peu de temps "phase de rentrée" implique de combattre son échauffement "dans l’air à grande vitesse" qui nuit au bon fonctionnement de l’infrarouge "besoin de froid pour fonctionner" - par un refroidissement à gaz liquide. Donc une usine à gaz, c’est le cas de la dire, qui complique la réalisation du KV ENDO et le rend moins fiable.

Pour autant il y aura toujours ‘les Scuds des primo-arrivant’ dont le parcours spatial sera trop faible être contré efficacement en défense EXO. Il faudra donc toujours être capable d’intercepter dans l’atmosphère. D’où le besoin ENDO, qui ne vaut toutefois que pour les armes de vitesses faibles "défense aérienne élargie" et donc de faibles portées maximum. Parlons-en

6/ ENDO/EXO : ne pas confondre portée et vitesse.

Ce sera là une dernière observation à vous proposer, et pour bien comprendre, il faut assimiler le lancement balistique au geste de l’archer "enlever l’air".

L’archer peut tirer le plus loin possible en visant à 45°. Mais il peut aussi viser le ciel au dessus de lui et la flèche retombera à ses pieds. Pour autant, la vitesse de la flèche à son arrivée, loin ou près, sera la même dixit Kepler encore et toujours. Là est l’essentiel.

On peut donc atteindre un objectif à courte distance - 600 km pour fixer les idées- de deux façons.

• Soit avec un Scud au maximum de ses capacités en portée.
• Soit avec un missile de portée maximum 3000 km mais utilisé via une trajectoire ad hoc. Cette trajectoire, dite plongeante, fera exploser l’arme à 600 km si on le souhaite.

Ce qui change, dans les deux cas, c’est la vitesse.

• Le Scud, à bout de bord, largement freiné parce qu’il est monobloc, arrive « lentement » "Mach 3 à 4". Il est interceptable par des moyens de défense anti aérienne améliorés. On parle alors de « défense aérienne élargie ».
• Mais l’arme plongeante "cas du missile de 3000 km de portée maximum ciblé à 600 km", arrive à Mach 15. Ce qui la rend définitivement in-interceptable par les moyens dédiés au Scuds.

Se défendre contre cette arme ne peut pas relever de la défense aérienne élargie, quelle qu’elle soit ou sera. Heureusement Kepler veille.

La trajectoire plongeante présente - obligatoirement, c’est la physique et elle est la même pour tous - un très grand parcours spatial, on l’a dit. D’où la défense EXO qui couvre à la fois les longues portées (défense de territoire) et les courtes portées (défense de théâtre pour les missiles utilisés en trajectoire plongeante).

Défense ENDO, défense EXO, chacune a sa place.

A l’approche du sommet OTAN de Lisbonne, on lit quasiment partout que c’est vers la défense de Territoire qu’il faut aller, i.e. nécessairement - physique oblige - la défense EXO dans l’espace.

Pour ceux qui ont suivi le dossier, c’est un vrai tournant. Il ne faudrait pas que le balancier ne revienne trop loin et oublier la défense ENDO, défense dans l’atmosphère qui sera toujours nécessaire.

Patrice