Helios (sonde spatiale)

thumb|Essai de la coiffe du lanceur réalisé avec un prototype des sondes Helios. thumb| et son lanceur à Cap Canaveral en 1974.

et sont deux sondes spatiales développées par la république fédérale d'Allemagne avec une participation importante de la NASA et lancées en 1974 et 1976. Placées en orbite autour du Soleil, les deux sondes ont étudié durant plus de 10 ans à l'aide de leurs 10 instruments les manifestations de l'astre durant un cycle solaire complet, les caractéristiques du milieu interplanétaire telles que le champ magnétique, le vent solaire, les rayons cosmiques et la poussière interplanétaire. Helios est le premier programme interplanétaire d'une nation européenne et constitue une réussite à la fois technique et scientifique.

Contexte

À la fin des années 1965, la NASA et le Département d'État américain lancent un programme baptisé Advanced Cooperation Project dont l'objectif est d'accroitre le niveau de coopération scientifique et technologique avec les pays d'Europe occidentale. La NASA propose notamment d'apporter son expertise pour la réalisation d'une sonde spatiale destinée à étudier soit Jupiter soit le Soleil, qui serait lancée par une fusée américaine et qui serait suivie par le réseau Deep Space Network de l'agence spatiale américaine. La proposition est accueillie favorablement par l'Italie et l'Allemagne mais la France repousse l'offre tandis que le Royaume-Uni la décline pour des raisons financières. Compte tenu de ces réactions mitigées, la NASA décide à l'automne 1966 de transformer sa proposition initiale en projet bilatéral avec l'Allemagne.

Il apparait rapidement que les techniciens allemands ne disposent pas à l'époque de l'expertise nécessaire pour développer une mission vers Jupiter. Les deux partenaires choisissent de développer une mission d'étude du Soleil par une sonde spatiale qui, soit passe à faible distance de l'astre, soit est placée sur une orbite faisant un angle important avec le plan écliptique. L'objectif fixé à la mission est l'étude du Soleil, de ses différentes manifestations et du milieu interplanétaire situé à proximité de l'astre. Deux sondes spatiales sont prévues dont la construction est confiée à la société allemande MBB. L'Allemagne doit également réaliser un centre d'opérations dédié au contrôle des sondes et à la gestion des données scientifiques collectées. L'instrumentation scientifique est fournie en majorité (7 instruments sur 10) par des instituts de recherche allemands. Le projet est formalisé en par un protocole d'accord dans lequel il est stipulé que la participation financière de l'Allemagne est de 180 millions $ pour un coût total de 267 millions $. La contribution américaine qui se monte à 87 millions $ correspond à la fourniture des lanceurs (60 millions $), le développement de trois instruments scientifiques et l'utilisation du réseau Deep Space Network. L'accord comprend également le développement d'un petit satellite d'aéronomie..

Conception de la mission

L'équipe de conception germano-américaine opte pour une orbite d'environ 180 jours située dans le plan écliptique qui doit faire passer la sonde à seulement 0,3 unité astronomique du Soleil. La durée nominale de la mission est fixée à 18 mois de manière que la sonde puisse parcourir 3 orbites complètes donnant lieu à 7 conjonctions ; ces dernières placent les instruments dans une position particulièrement favorable pour étudier la couronne solaire. Plusieurs configurations sont étudiées pour l'orientation de la sonde : stabilisation 3 axes, sonde spinnée ou engin hybride. Le choix d'une sonde spinnée est retenu. Durant le développement de la mission, un seul changement majeur a lieu. Initialement les deux sondes doivent être lancées par une fusée Atlas Centaur. À l'époque les sondes Viking vers Mars sont également en cours de développement. Du fait de leur masse, il est nécessaire d'utiliser une nouvelle version du lanceur Titan utilisant un étage supérieur Centaur. La NASA propose à l'Allemagne de lancer également les sondes Helios avec le nouveau lanceur dans le but avoué de valider son fonctionnement avant son utilisation pour les sondes Viking. Ce scénario est retenu car il permet de faire passer la masse de la sonde de à et donc d'augmenter sensiblement la charge utile. Pour pouvoir placer la sonde sur une orbite suffisamment proche du Soleil, il faut imprimer une vitesse de à la sonde : pour y parvenir le lanceur comprend un quatrième étage de type Burner II utilisant un moteur à propergol solide TE-364-4. À la même époque, la forme cylindrique de la sonde est abandonnée pour une forme en bobine qui permet de réduire le flux thermique et donc d'opter éventuellement pour un périgée plus proche du Soleil ; dans les documents de 1970, on évoque un périgée à qui ne sera finalement pas retenu.

Les sondes sont baptisées Hélios en référence au dieu personnifiant le Soleil dans la mythologie grecque.

Objectifs

La mission des sondes Helios a pour objectif de mieux comprendre les processus solaires fondamentaux ainsi que les relations entre le Soleil et la Terre en effectuant des mesures du vent solaire, des champs électriques et magnétique, des rayons cosmiques, de la poussière interplanétaire et du disque solaire. De manière détaillée, les instruments des deux sondes doivent : mesurer le champ magnétique, la température, la vitesse et la direction du vent solaire ; étudier les discontinuités et phénomènes de choc électriques et magnétiques du milieu interplanétaire en observant les particules de vent solaire ; étudier les oscillations des ondes radio et du plasma d'électrons dans leur état naturel ; mesurer la propagation et le gradient spatial des rayons cosmiques d'origine solaire et galactique ; étudier le gradient spatial et la dynamique de la poussière interplanétaire ainsi que la composition chimique des grains de poussière ; mesurer le rayonnement X émanant du disque solaire au moyen de compteurs Geiger-Müller ; vérifier les effets de la théorie de la Relativité générale sur l'orbite et la propagation des signaux.

Caractéristiques de la sonde spatiale thumb|Une sonde Helios subit des tests. La sonde Helios est un engin spatial stabilisé par rotation et ne disposant d'aucune capacité de manœuvre orbitale. Le système de contrôle thermique a largement contribué à définir son architecture.

Structure

Les deux sondes Helios ont des caractéristiques identiques à quelques détails près. Les sondes ont une masse totale de (Helios 1) et (Helios 2) ; sur ce total, la charge utile, constituée par 8 instruments scientifiques, représente (Helios 1) et (Helios 2). Le corps central est un cylindre à 16 côtés d'un diamètre de pour une hauteur de . La majorité des équipements ainsi que de l'instrumentation est montée sur ce corps central. Les exceptions sont les mâts et antennes utilisées par les expériences scientifiques et les petits télescopes mesurant la lumière zodiacale qui émergent sous le corps central. Deux panneaux solaires en forme de cône prolongent le cylindre au-dessus et au-dessous donnant à l'ensemble l'apparence d'une bobine de fil. La sonde avant déploiement en orbite est haute de et atteint un diamètre maximal de . Une fois en orbite, une antenne de télécommunications se déploie au sommet de la sonde et porte la hauteur totale à . Sont également déployés en orbite deux bômes rigides portant les capteurs des magnétomètres et attachés de part et d'autre du corps central ainsi que deux antennes souples utilisées pour la détection des ondes radio perpendiculaires aux précédentes et ayant une longueur de de bout en bout..

Énergie

L'énergie électrique est fournie par les cellules solaires fixées sur les deux troncs de cône. Pour maintenir, à proximité du Soleil, les panneaux solaires à une température inférieure à , les cellules solaires sont intercalées avec des miroirs qui couvrent 50 % de la surface et renvoient les rayons incidents tout en dissipant l’excès de chaleur. L'énergie fournie par les panneaux solaires est au minimum de lorsque la sonde est sur la partie de son orbite la plus éloignée du Soleil. L'électricité dont la tension est régulée à est stockée dans une pile à l'oxyde d'argent de 8 Ah.

Contrôle thermique

Le défi technique le plus important auquel ont dû faire face les concepteurs de la sonde est la chaleur à laquelle celle-ci est soumise lorsqu'elle se situe près du Soleil. À 0,3 unité astronomique du Soleil, le flux thermique qu'elle subit est de 11 constantes solaires (11 fois la quantité de chaleur reçue au niveau de l'orbite terrestre) soit par mètre carré exposé. La température peut alors atteindre . Les cellules solaires et le compartiment central dans lequel se trouvent les équipements et les instruments scientifiques doivent être maintenus à des températures bien plus faibles. Celle des cellules solaires ne doit pas dépasser tandis que le compartiment central doit être maintenu entre et +. Ces contraintes imposent de rejeter 96 % de la chaleur reçue du Soleil. La forme conique des panneaux solaires est une des mesures prises pour réduire le flux thermique. En inclinant les panneaux solaires par rapport aux rayons du Soleil qui arrivent perpendiculairement à l'axe de la sonde, on réfléchit une plus grande partie du rayonnement solaire. Par ailleurs, comme vu plus haut, les panneaux solaires sont recouverts sur 50 % de leur surface de miroirs développés par la NASA baptisés Seconde Surface Mirrors (SSM). Ceux-ci sont réalisés à partir de silicium fondu avec un film en argent sur la face interne qui est lui-même recouvert d'un matériau diélectrique. Les faces latérales du compartiment central sont entièrement recouvertes par ces miroirs. Un matériau isolant recouvre en partie le compartiment central pour assurer une protection supplémentaire. Il est constitué de 18 couches successives de de Mylar ou de Kapton (selon l'emplacement) isolées les unes des autres par de petits plots en plastique destinés à éviter la formation de ponts thermiques. À côté de ces dispositifs passifs, la sonde utilise un système actif reposant sur un système de persiennes mobiles disposées en étoile qui recouvrent la face inférieure et supérieure du compartiment. L'ouverture de celles-ci est déclenchée individuellement par un ressort bimétallique dont la longueur varie en fonction de la température et entraine l'ouverture ou la fermeture de la persienne. Des résistances sont également utilisées pour maintenir à une température suffisante certains équipements..

Système de télécommunications thumb|300px|Contrôle d'attitude.