Helios (sonde spatiale)

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[1].

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 juin 1969 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[2]^, [3]^,[4].

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 254 kg à 370 kg 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 14,326 km/s 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 0,25 ua qui ne sera finalement pas retenu[5]^,[6]^, [7].

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

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[8] :

• 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.

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.

Système de télécommunications

Contrôle d'attitude.

Le système de télécommunications utilise un émetteur-récepteur radio dont la puissance peut être modulée entre 0,5 et 20 watts. Trois antennes sont superposées au sommet de la sonde : une antenne grand gain (23 décibels) émet un pinceau haut de 5,5° de part et d'autre de l'écliptique et de 14° de large, une antenne moyen gain (7,3 db à l'émission et 6,3 db en réception) émet un signal dans toutes les directions du plan de l'écliptique sur une hauteur de 15° et une antenne omnidirectionnelle de type dipôle (0,3 db en émission et -0,8 db en réception). Une antenne cornet à faible gain est située sous la sonde décentrée à cause de l'adaptateur qui fixe la sonde sur son lanceur. Avec l'antenne omnidirectionnelle, elle permet d'assurer une couverture à 360°. Pour pouvoir être pointée en permanence vers la Terre, l'antenne grand gain est maintenue en rotation par un moteur à une vitesse qui contrebalance exactement celle du corps de la sonde. La synchronisation de la vitesse de rotation est effectuée à l'aide des données fournies par le senseur de Soleil. Le débit maximal obtenu en utilisant l'antenne grand gain est de 4096 bits par seconde en émission. La réception et l'émission des signaux sont prises en charge sur Terre par le réseau d'antennes Deep Space Network de la NASA de manière continue en début de mission puis de manière partielle par la suite. En complément, l'antenne de 100 de diamètre du radiotélescope d'Effelsberg (Allemagne) assure de manière partielle la réception de signaux[6]^,[10]^,[7].

Ordinateur de bord et stockage des données

L'ordinateur de bord est capable de traiter 256 commandes. Une mémoire de masse permet de stocker 500 kilobits et est utilisée notamment lorsque la sonde est en conjonction supérieure par rapport à la Terre (c'est-à-dire que le Soleil s'interpose entre la Terre et la sonde spatiale). La période de conjonction peut durer jusqu'à 65 jours[6].

Schéma d'une sonde Helios.

Orbites d'Helios 1 (vert) et 2 (rouge) par rapport à celles de Mercure, Vénus et la Terre.

Helios 1 est lancée le 10 décembre 1974 depuis la base de Cape Canaveral par une fusée Titan 3E/Titan dont c'est le premier vol opérationnel. Le seul essai de ce lanceur a été un échec dû à une défaillance du moteur de l'étage Centaur. Mais le lancement d'Helios 1 se déroule sans encombre et la sonde spatiale est placée sur une orbite héliocentrique de 192 jours dont le périgée l'amène à seulement 46,5 millions de kilomètres (0,31 ua) du Soleil. Plusieurs problèmes affectent toutefois le fonctionnement d'Helios 1. Une des deux antennes souples ne parvient pas à se déployer ce qui réduit la sensibilité de l'instrument radio plasma pour la réception des ondes à basse fréquence. Lorsque l'antenne à grand gain est mise en marche, on se rend compte que ses émissions interfèrent avec l'analyseur de particules et le récepteur d'ondes radio. Pour réduire ces interférences, les communications doivent se faire avec une puissance réduite mais cette mesure impose en retour d'avoir recours sur Terre aux réseaux d'antenne de réception de grand diamètre déjà très sollicitées par les autres missions spatiales en cours. Fin février 1975, la sonde spatiale se trouve au plus près du Soleil. À l'époque, aucune sonde spatiale ne s'était approchée aussi près du Soleil. La température de nombreux composants montent à plus de 100 °C et les panneaux solaires sont mesurés à 127 °C sans que le fonctionnement de la sonde soit affecté. Toutefois, au cours du deuxième passage à proximité du Soleil qui a lieu le 21 septembre, la température atteint un pic de 132 °C et le fonctionnement de certains instruments est perturbé par la chaleur et le rayonnement[15].

Certaines leçons sont tirées du fonctionnement d'Helios 1 avant le lancement de la deuxième sonde Helios. Les petits moteurs utilisés pour le contrôle d'attitude sont améliorés. Des modifications sont apportées au mécanisme de déploiement de l'antenne souple et aux émissions de l'antenne grand gain. Les détecteurs de rayons X sont améliorés pour leur permettre de détecter les sursauts gamma découverts par les instruments des satellites militaires américains Vela afin de permettre des opérations de triangulation des sources de ces émissions avec d'autres satellites. Ayant constaté que la température de la sonde n'excédait pas 20 °C au plus près du Soleil, il est décidé d'adopter une orbite plus proche du Soleil en renforçant l'isolation thermique de manière à que le satellite puisse résister à une augmentation de 15 % du flux thermique. Le lancement d'Helios 2 qui doit être effectué début 1976 subit de fortes contraintes calendaires. Le pas de tir endommagé par le lancement de la sonde Viking 2 en septembre 1975 doit être remis en état et l'atterrissage de Viking sur la planète Mars doit mobiliser durant l'été 1976 le réseau d'antennes du Deep Space Network qui ne sera plus disponible pour le passage d'Helios 2 au périgée de son orbite. Finalement, Helios 2 est lancée dans l'étroite fenêtre de tir disponible, le 10 janvier 1976, par une fusée Titan/Centaur. La sonde spatiale est placée sur une orbite de 187 jours qui la fait passer à 43,5 millions de km (0,29 ua) du Soleil. L'orientation d'Helios 2 est inversée de 180° par rapport à celle adoptée par la première sonde de manière que les détecteurs de micrométéorites réalisent leurs observations avec une couverture à 360°. Le 17 avril 1976, Helios 2 effectue son passage au plus près du Soleil en atteignant la vitesse héliocentrique record de 70 km/s. La température mesurée est de 20 °C supérieure à celle subie par Helios 1[16]^,[17]^,[18].

Les deux sondes font preuve d'une grande longévité. La durée de la mission primaire des deux sondes est de 18 mois mais celles-ci vont fonctionner bien plus longtemps. Le 3 mars 1980, 4 ans après son lancement, l'émetteur-radio de Helios 2 tombe en panne et malgré plusieurs tentatives, ne permet plus par la suite de récupérer des données utilisables. Le 7 janvier 1981, une commande d'arrêt est envoyée pour éviter les interférences radio éventuelles avec de futures missions. Helios 1 continue de son côté à fonctionner normalement mais ses données sont désormais collectées par des antennes de petit diamètre ne permettant qu'un débit plus faible. À compter de la 14^e orbite, la dégradation de ses cellules solaires ne permet plus de collecter les données et de les transmettre simultanément sauf lorsque la sonde est proche de son périgée. En 1984, le récepteur radio principal et de rechange tombent tous deux en panne et l'antenne grand gain n'est plus pointée vers la Terre. Les dernières données télémétriques sont reçues le 10 février 1986[19]^,[6].

Les deux sondes spatiales ont collecté des données importantes sur les processus à l'origine du vent solaire et de l'accélération des particules qui le composent, sur le milieu interplanétaire et sur les rayons cosmiques. Ces observations ont été effectuées à la fois au minimum du cycle solaire (1976) et à son maximum au début des années 1970.

L'observation de la lumière zodiacale a permis d'établir certaines propriétés de la poussière interplanétaire présente entre 0,1 et 1 ua du Soleil, telles que sa répartition spatiale, sa couleur et sa polarisation. Il a pu être établi que la poussière était plus sensible aux forces gravitationnelles qu'aux forces électromagnétiques. La quantité de poussière observée était jusqu'à 10 fois plus importante qu'aux abords de la Terre. Une distribution non homogène de celle-ci était généralement attendue du fait du passage des comètes mais les observations n'ont pas confirmé cette hypothèse. Les instruments de la sonde ont détecté de la poussière à proximité du Soleil prouvant que malgré la chaleur de l'astre, celle-ci est encore présente à 0,09 ua de distance[20].

Helios a également permis de collecter des données intéressantes sur les comètes en observant le passage de C/1975V1 West en 1976, C1978H1 Meir en novembre 1978 et C/1979Y1 Bradfield en février 1980. Pour cette dernière, les instruments de la sonde ont observé une perturbation du vent solaire qui s'est traduit plus tard par une césure dans la queue de la comète. L'analyseur de plasma a démontré que les phénomènes d'accélération à grande vitesse du vent solaire étaient liés à la présence de trous coronaux. Cet instrument a également détecté pour la première fois des ions d'hélium isolés dans le vent solaire. En 1981, durant le pic de l'activité solaire, les données collectées par Helios 1 à faible distance du Soleil ont permis de compléter les observations visuelles des éjections de masse coronale effectuées depuis l'orbite terrestre. Les données recueillies par les magnétomètres des deux sondes Helios complétées avec celles des sondes interplanétaires Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 et Voyager 2 ont permis de déterminer la direction du champ magnétique à des distances échelonnées du Soleil[21].

Les détecteurs d'ondes radio et plasma ont été utilisés pour détecter les sursauts radio et les ondes de choc associées aux éruptions solaires généralement durant le maximum solaire. Les détecteurs de rayons cosmiques ont étudié comment le Soleil et le milieu interplanétaire influençaient la propagation de ceux-ci, qu'ils soient d'origine solaire ou galactique. Le gradient des rayons cosmiques en fonction de la distance au Soleil a été mesuré. Ces observations conjuguées avec celles effectuées par Pioneer 11 entre 1977 et 1980 dans la partie externe du système solaire (12 à 23 AU du Soleil) ont permis d'obtenir une bonne modélisation de ce gradient. Le détecteur de sursauts gamma d'Helios 2 a identifié 18 événements durant les trois premières années de fonctionnement de l'instrument dont la source a pu, pour certains, être identifiée avec l'aide de relevés effectués par des satellites en orbite terrestre. Certaines caractéristiques de la couronne solaire intérieure ont été mesurées durant les occultations. À cet effet, soit un signal radio était envoyé par la sonde spatiale vers la Terre soit la station terrestre envoyait un signal qui était renvoyé par la sonde spatiale. Les changements dans la propagation du signal découlant de la traversée de la couronne solaire ont fourni des informations sur les fluctuations de densité, les vitesses de déplacement des structures de la couronne jusqu'à 1,7 rayon solaire[22].