vignette|Autre vue du modèle structurel et thermique de Solar Orbiter en cours d'assemblage avec le bouclier thermique positionné au sommet. Solar Orbiter (en français orbiteur solaire) est un satellite d'observation du Soleil de l'Agence spatiale européenne (ESA) développé avec une participation de la NASA qui est lancé le à 5h03 (CET) et doit commencer ses observations vers 2023. L'objectif principal de cette mission scientifique est d'étudier les processus à l'origine du vent solaire, du champ magnétique héliosphérique, des particules solaires énergétiques, des perturbations interplanétaires transitoires ainsi que du champ magnétique du Soleil.

Pour réaliser ses objectifs, le satellite d'un peu plus de 1,6 tonne circule sur une orbite autour du Soleil, en passant à son périhélie à une distance de 45 rayons solaires (0,22 AU). Le satellite emporte 10 instruments combinant mesure du milieu et observations à distance du Soleil. Ces équipements sont placés derrière un bouclier thermique destiné à protéger la sonde spatiale des températures très élevées. Solar Orbiter doit réaliser des observations à haute résolution des régions polaires du Soleil, difficiles à observer depuis le plan de l'écliptique (et donc depuis la Terre). La mission doit durer en tout 7 à 10 ans.

Contexte

Premières études L'origine de la mission Solar Orbiter est un projet baptisé Messenger soumis en 1982 par un groupe de scientifiques sous la direction de Richter en réponse à un appel à idées de l'Agence spatiale européenne (ESA). Le développement d'une mission d'étude du Soleil par l'ESA fait partie des sujets abordés durant la conférence « Crossroads for European Solar and Heliospheric Physics » de . Au cours de celle-ci, la communauté scientifique européenne recommande le lancement par l'agence d'une mission d'étude du Soleil vers 2007. Une réunion destinée à initier la rédaction d'un cahier des charges se tient à le Centre européen de technologie spatiale (ESTEC) (de l'ESA) le . La mission Solar Orbiter est proposée en 2000 par E. Masch et est présélectionnée en par le comité scientifique de l'ESA avec un lancement positionné vers 2008-2013 après celui de la mission BepiColombo à destination de la planète Mercure. Des études industrielles et internes sont menées en 2004. En , le comité scientifique de l'agence confirme la place de la mission dans son programme scientifique Horizon 2000+ avec une date de lancement désormais située entre et . Les études se poursuivent en 2005 et 2006 et en , le comité scientifique demande à l’exécutif de l'agence spatiale une enveloppe financière de 300 millions d'euros pour réaliser la mission. Une étude, à laquelle participent des ingénieurs de l'ESA et de la NASA, est alors lancée pour déterminer les avantages obtenus en combinant Solar Orbiter et le programme Solar Sentinels de l'agence spatiale américaine.

Conception À l'issue de cette étude, l'ESA lance en une offre de participation (Announcement of Opportunity ou AO) pour la charge utile scientifique tandis que la NASA lance de son côté un appel d'offres pour une mission SMEX dans le cadre de son programme Explorer. L'agence spatiale européenne reçoit 14 propositions d'instruments : le Payload Review Committee (PRC) les étudie et établit sa sélection en . Entre-temps, une phase d'étude industrielle est lancée chez Astrium UK. À cette époque, la programmation scientifique de l'ESA est revue en profondeur avec la création du programme Cosmic Vision qui permet une planification à long terme des missions. La mission Solar Orbiter est incluse dans le premier cycle (2015-2025) de sélection des missions de taille moyenne (classe M) avec un lancement programmé pour 2017. La NASA a entre-temps sélectionné sa propre mission d'étude du Soleil Solar Probe Plus (SPP). L'ESA, après étude des synergies possibles entre les deux missions, confirme la pertinence de la charge utile recommandée précédemment tandis que la NASA annonce qu'elle participe à celle-ci en fournissant deux instruments et en participant au développement de deux autres. Mais en , l'agence spatiale américaine indique que pour des raisons budgétaires sa contribution se limite à la fourniture d'un seul instrument et d'un capteur.

Sélection de la mission et développement Solar Orbiter est une des trois missions de taille moyenne (M-Class) du programme scientifique Cosmic Vision de l'Agence spatiale européenne dont le financement est proposé en 2011. À l'issue du processus de sélection qui l'oppose aux projets PLATO et Euclid, Solar Orbiter est sélectionnée en avec Euclid. Son lancement est planifié pour 2018.. Solar Orbiter doit être lancé par un lanceur de type Atlas V. Fin , l'Agence spatiale européenne confie à Astrium UK le développement de Solar Orbiter avec un objectif de lancement positionné pour 2017. Le contrat se monte à 300 millions d'euros. Le développement des 10 instruments scientifiques est par ailleurs directement pris en charge sur le plan financier par les pays qui y contribuent notamment le Royaume-Uni, l'Allemagne, la Belgique, l'Espagne, La France, l'Italie, la Suisse et les États-Unis.. La participation de la NASA qui fournit le lanceur Atlas V, l'instrument SoloHi et le capteur HIS en échange d'un accès à l'ensemble des données recueillies par la mission, est évaluée par l'agence spatiale américaine début 2017 à 379 millions de dollars américains.

Objectifs scientifiques Plusieurs satellites scientifiques destinés à l'étude du Soleil dont six construits en Europe depuis le début des années 1990 (Ulysses, SoHO, constellation des 4 satellites Cluster) ont permis d'effectuer de nombreuses découvertes sur notre astre. Mais le Soleil présente toujours de nombreuses inconnues. Avec les éléments dont ils disposent, les scientifiques ne parviennent notamment toujours pas à comprendre et anticiper les changements qui affectent le Soleil alors que ceux-ci ont des répercussions sur la Terre et l'activité humaine ..

Les objectifs scientifiques de Solar Orbiter sont . :

déterminer in-situ les propriétés et la dynamique du plasma, des champs et des particules dans l'héliosphère proche du Soleil ; étudier les caractéristiques à faible échelle de l'atmosphère magnétisée du Soleil ; identifier les corrélations entre l'activité à la surface du Soleil et l'évolution de la couronne et de l'héliosphère interne. À cet effet, le satellite effectuera des passages en co-rotation avec le Soleil ; observer et caractériser les régions polaires et la couronne équatoriale du Soleil depuis les hautes latitudes.

+Comparaison des missions Solar Orbiter (ESA) et Parker Solar Probe (NASA) CaractéristiqueSolar Orbiter (ESA) Parker Solar Probe (NASA) Solar Probe (NASA) étude de 2005Date lancement 2020 août 2018 2014Début phase scientifique 2022 fin 2018 2018Fin phase scientifique 2027 à 2030 2025 2023 Nombre orbites avec périhélie < 0,3 UA 14 24 2 Inclinaison orbitale entre 15 et 34° quelques degrés 90° Distance minimale Soleil 0,25 UA (55 rayons solaires) 0,04 UA (9,86 rayons solaires) 3 rayons solairesÉquivalent flux thermique Terre au périhélie 20 fois (520 °C) 510 fois 3 000 fois (21 mégawatts)Suites instrumentales 10 (180 kg) 4 (47 kg) 11 instruments (45,7 kg)Masse 1 800 kg 610 kg 856 kgVitesse au lancement au-delà de la vitesse de libération 3,66 km/s 12,4 km/s 11,2 km/s

Caractéristiques techniques

Solar Orbiter est un satellite stabilisé sur 3 axes d'une masse d'environ dont d'instruments scientifiques. Il dispose d'un bouclier thermique qui lui permet de résister au fort rayonnement solaire qu'il doit subir lorsqu'il passe au plus près du Soleil (périhélie). Solar Orbiter reprend de nombreux éléments de la sonde européenne BepiColombo qui doit se placer en orbite autour de Mercure et qui doit également faire face, mais dans une moindre mesure, à des températures élevées liées à la proximité du Soleil.

Durant la phase opérationnelle, le satellite maintient en permanence le bouclier thermique face au Soleil pour protéger le corps du satellite du flux thermique qui est jusqu'à 20 fois supérieur à celui reçu au niveau de l'orbite terrestre (28 kW/m), lorsque le satellite est au plus proche du Soleil (0,22 Unité Astronomique soit 45 rayons solaires). Les dimensions du satellite sont soumises à de fortes contraintes car il doit être entièrement placé derrière le bouclier thermique dont la taille est limitée par sa masse. Par ailleurs, la surface de celui-ci doit comporter une marge pour prendre en compte des anomalies de fonctionnement temporaires du système de contrôle d'attitude (bouclier thermique non perpendiculaire à la direction du Soleil). En conséquence, le volume du satellite est réduit à 2 m ce qui limite considérablement la place accordée aux 33 équipements scientifiques embarqués. Avec les panneaux solaires et antennes repliés, les dimensions du satellite sont de 2,5 x 3 x 2,5 mètres. Les seuls équipements qui ne sont pas situés à l'ombre du corps du satellite sont l'antenne parabolique grand gain orientable et les trois antennes de l'instrument de mesure des ondes radio et de plasma. Ces appendices ainsi que la bôme servant de support aux capteurs du magnétomètre située à l'opposé du bouclier, sont déployés en orbite. La plate-forme du satellite est dérivée de Eurostar 3000 utilisée par le constructeur Astrium (Airbus Defence and Space) pour la réalisation de nombreux satellites de télécommunications géostationnaires. Ce choix permet de limiter les risques liés à un nouveau développement tout en réduisant les coûts.

Contrôle d'attitude Le bouclier thermique de Solar Orbiter est maintenu en permanence face au Soleil. L'écart par rapport à la direction du Soleil ne doit pas dépasser 6,5° avec un maximum de 2,3° durant 50 secondes. La précision du pointage absolue est de 42 secondes d'arc avec une erreur de mesure de 25 secondes d'arc. La dérive sur 24 heures ne doit pas dépasser 13 secondes d'arc. Le système de contrôle d'attitude repose sur deux viseurs d'étoiles, deux centrales à inertie et deux paires de capteurs solaires fins. Les corrections d'orientation sont effectuées à l'aide de quatre roues de réaction et un système de propulsion à ergols liquides redondant développé par OHB-System utilisant deux grappes de 9 propulseurs. Ces derniers fournissent un Delta-v d'environ 250m/s pour effectuer les manœuvres d'assistance gravitationnelles, ainsi que 30m/s pour le contrôle d'orientation, grâce aux 204 kg d'ergols (173kg pour le transfert, et 30kg pour le contrôle d'orientation).

Production d'énergie L'énergie électrique est produite par des cellules solaires triple jonction d'arséniure de gallium fixées sur une structure en carbone/carbone. Les panneaux solaires sont orientables (1 degré de liberté). Pour résister au flux thermique à proximité du Soleil, la surface des panneaux solaires est en partie recouverte de réflecteurs OSR (Optical Surface Reflector) qui renvoient le rayonnement incident. Pour réduire la montée en température, les panneaux solaires sont inclinés lorsque le satellite s'approche du Soleil de manière à réduire l'angle d'incidence du rayonnement. Les panneaux solaires, qui dérivent de ceux développés pour la mission BepiColombo, sont conçus pour fonctionner à une température de 230 °C. Les panneaux solaires sont dimensionnés de manière à fournir suffisamment d'énergie lorsque le satellite se trouve à sa plus grande distance du Soleil (environ 1,4 unité astronomique durant le vol de transit entre le premier et le deuxième survol de la planète Vénus). La demande d'énergie maximale est de 1 000 watts dont 180 à 250 watts sont consommés par les instruments scientifiques.

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