Helios (veicolo spaziale): cos’è, coppia di sonde

Helios-A e Helios-B (dopo il lancio ribattezzatie) sono una coppia di sonde lanciate in orbita eliocentrica per studiare processi solari . Come joint venture tra il German Aerospace Center (DLR) e la NASA , le sonde furono lanciate dalla Cape Canaveral Air Force Station , in Florida , rispettivamente il 10 dicembre 1974 e il 15 gennaio 1976.

La navicella spaziale Helios.jpg

Il progetto Helios ha stabilito un record di velocità massima per veicoli spaziali di 252,792 km/h (157,078 mph; 70,220 m/s). Helios-B ha eseguito il sorvolo più vicino del Sole di qualsiasi veicolo spaziale fino a quel momento. Le sonde non sono più funzionanti, ma dal 2022 restano in orbite ellittiche attorno al Sole.

Costruzione

Il progetto Helios era una joint venture dell’agenzia spaziale della Germania Ovest DLR (quota del 70%) e della NASA (quota del 30%). Costruite dall’appaltatore principale, Messerschmitt-Bölkow-Blohm , sono state le prime sonde spaziali costruite al di fuori degli Stati Uniti e dell’Unione Sovietica a lasciare l’orbita terrestre.

Struttura

Le due sonde Helios sembrano simili. Helios-A ha una massa di 370 chilogrammi (820 libbre) e Helios-B ha una massa di 376,5 chilogrammi (830 libbre). I loro carichi utili scientifici hanno una massa di 73,2 chilogrammi (161 libbre) su Helios-A e 76,5 chilogrammi (169 libbre) su Helios-B . I corpi centrali sono prismi a sedici lati di 1,75 metri (5 ft 9 in) di diametro e 0,55 metri (1 ft 10 in) di altezza. La maggior parte delle attrezzature e della strumentazione è montata in questo corpo centrale. Le eccezioni sono gli alberi e le antenne utilizzate durante gli esperimenti e piccoli telescopi che misurano la luce zodiacaleed emergono dal corpo centrale. Due pannelli solari conici si estendono sopra e sotto il corpo centrale, conferendo all’insieme l’aspetto di un diabolo o rocchetto di filo.

Al lancio, ciascuna sonda era alta 2,12 metri (6 piedi 11 pollici) con un diametro massimo di 2,77 metri (9 piedi 1 pollici). Una volta in orbita, le antenne per le telecomunicazioni si sono spiegate sopra le sonde e hanno aumentato le altezze a 4,2 metri (14 piedi). Sono stati inoltre dispiegati due bracci rigidi portanti sensori e magnetometri, fissati su entrambi i lati dei corpi centrali, e due antenne flessibili utilizzate per il rilevamento delle onde radio, che si estendevano perpendicolarmente agli assi del veicolo spaziale per una lunghezza di progetto di 16 metri (52 ft) ciascuno.

La navicella ruota attorno al proprio asse, che è perpendicolare all’eclittica , a 60 giri al minuto .

Sistemi

Potenza

L’energia elettrica è fornita da celle solari fissate ai due coni troncati. Per mantenere i pannelli solari a una temperatura inferiore a 165 °C (329 °F) in prossimità del Sole, le celle solari sono intervallate da specchi, che coprono il 50% della superficie e riflettono parte della luce solare incidente dissipando il calore in eccesso . La potenza fornita dai pannelli solari è di almeno 240 watt quando la sonda è all’afelio . La sua tensione è regolata a 28 volt DC . Le batterie argento-zinco sono state utilizzate solo durante il lancio.

Controllo termico

Avvia il diagramma di configurazione

La più grande sfida tecnica era evitare il riscaldamento durante l’orbita mentre si era vicini al Sole. A 0,3 unità astronomiche (45.000.000 km; 28.000.000 mi) dal Sole, il flusso di calore approssimativo è di 11 costanti solari , (11 volte la quantità di radiazione solare ricevuta durante l’orbita terrestre), o 22,4  kW per metro quadrato esposto. A quella distanza, la sonda potrebbe raggiungere i 370 °C (698 °F).

Le celle solari e il compartimento centrale degli strumenti dovevano essere mantenuti a temperature molto più basse. Le celle solari non potevano superare i 165 °C (329 °F), mentre il compartimento centrale doveva essere mantenuto tra -10 e 20 °C (14 e 68 °F). Queste restrizioni richiedevano il rifiuto del 96% dell’energia ricevuta dal Sole. La forma conica dei pannelli solari è stata scelta per ridurre il riscaldamento. Inclinando i pannelli solari rispetto alla luce solare che arriva perpendicolarmente all’asse della sonda, riflette una quota maggiore della radiazione solare . “Specchi di seconda superficie” appositamente sviluppati dalla NASAcoprono l’intero corpo centrale e il 50 per cento dei generatori solari. Questi sono realizzati in quarzo fuso, con una pellicola d’argento sulla faccia interna, a sua volta ricoperta da un materiale dielettrico. Per una protezione aggiuntiva, isolamento multistrato  – costituito da 18 strati di 0,25 millimetri (0,0098 in) Mylar o Kapton (a seconda della posizione), tenuti separati l’uno dall’altro da piccoli perni di plastica destinati a prevenire la formazione di ponti termici – è stato utilizzato per coprire parzialmente il vano principale. Oltre a questi dispositivi passivi, le sonde utilizzavano un sistema attivo di feritoie mobili disposte secondo uno schema simile a un otturatore lungo il lato inferiore e superiore del compartimento. L’apertura dello stesso è comandata separatamente da una molla bimetallica la cui lunghezza varia con la temperatura e provoca l’apertura o la chiusura dell’otturatore. I resistori sono stati utilizzati anche per aiutare a mantenere una temperatura sufficiente per determinate apparecchiature.

Sistema di telecomunicazioni

Il sistema di telecomunicazione utilizza un ricetrasmettitore radio, la cui potenza può essere regolata tra 0,5 e 20 watt. Tre antenne sono montate sopra ciascuna sonda. Un’antenna ad alto guadagno (23  dB ) di larghezza del fascio di 11°, un’antenna a medio guadagno (3 dB per la trasmissione e 6,3 dB per la ricezione) emettono un segnale in tutte le direzioni del piano dell’eclittica all’altezza di 15°, e un antenna a dipolo a basso guadagno (0,3 dB in trasmissione e 0,8 dB in ricezione). Per essere diretta continuamente verso la Terra , l’antenna ad alto guadagno viene fatta ruotare da un motore ad una velocità che controbilancia la rotazione della sonda. La sincronizzazione della velocità di rotazione viene eseguita utilizzando i dati forniti da un sensore solare. La velocità dati massima ottenuta con il grande guadagno dell’antenna era di 4096 bit al secondo a monte. La ricezione e la trasmissione dei segnali erano supportate dalle antenne del Deep Space Network sulla Terra.

Controllo dell’atteggiamento

Un tecnico si trova accanto a una delle navicelle gemelle Helios

Per mantenere l’orientamento durante la missione, la navicella ha ruotato continuamente a 60 giri/min attorno al suo asse principale. Il sistema di controllo dell’orientamento gestisce la velocità e l’orientamento degli alberi della sonda. Per determinarne l’orientamento, Helios ha utilizzato un sensore solare grezzo . Le correzioni di guida sono state eseguite utilizzando propulsori a gas freddo (7,7 kg di azoto ) con una spinta di 1 Newton . L’asse della sonda è stato mantenuto permanentemente mantenendolo sia perpendicolare alla direzione del Sole che al piano dell’eclittica.

Computer di bordo e archiviazione dati

I controller di bordo erano in grado di gestire 256 comandi. La memoria di massa poteva immagazzinare 500  kb , (questa era una memoria molto grande per le sonde spaziali dell’epoca), ed era usata principalmente quando le sonde erano in congiunzione superiore rispetto alla Terra (cioè il Sole si frappone tra la Terra e la navicella spaziale) . Una congiunzione può durare fino a 65 giorni.

Profilo della missione

Helios-A e Helios-B furono lanciati rispettivamente il 10 dicembre 1974 e il 15 gennaio 1976. Helios-B ha volato 3.000.000 di chilometri (1.900.000 mi) più vicino al Sole di Helios-A , raggiungendo il perielio il 17 aprile 1976, a una distanza record di 43,432 milioni di km (26.987.000 mi; 0,29032 UA), più vicino dell’orbita di Mercurio . Helios-B è stato inviato in orbita 13 mesi dopo il lancio di Helios-A . Helios-B ha eseguito il sorvolo del Sole più vicino di qualsiasi veicolo spaziale fino a Parker Solar Probe nel 2018, a 0,29 AU (43,432 milioni di km) dal Sole.

Le sonde spaziali Helios completarono le loro missioni primarie all’inizio degli anni ’80, ma continuarono a inviare dati fino al 1985.

Strumenti scientifici e indagini

Entrambe le sonde Helios avevano dieci strumenti scientifici e due indagini scientifiche passive che utilizzavano il sistema di telecomunicazione del veicolo spaziale e l’orbita del veicolo spaziale.

Indagine sull’esperimento del plasma

Misura la velocità e la distribuzione del plasma del vento solare . Sviluppato dal Max Planck Institute for Aeronomy per lo studio delle particelle a bassa energia. I dati raccolti includevano la densità, la velocità e la temperatura del vento solare. Le misurazioni sono state effettuate ogni minuto, ad eccezione della densità di flusso, che si è verificata ogni 0,1 secondi per evidenziare le irregolarità nelle onde plasmatiche. Gli strumenti utilizzati includevano:

  • Rivelatore di elettroni
  • Rilevatore di protoni e particelle pesanti
  • Un analizzatore per protoni e particelle alfa con energie comprese tra 231eV e 16.000eV

Ispezione pre-lancio di Helios-B

Magnetometro flux-gate

Il magnetometro flux-gate misura l’intensità del campo e la direzione dei campi magnetici a bassa frequenza nell’ambiente del Sole. È stato sviluppato dall’Università di Braunschweig , in Germania. Misura con alta precisione le componenti a tre vettori del vento solare e il suo campo magnetico. L’intensità viene misurata con una precisione entro 0,4 nT quando è inferiore a 102,4 nT ed entro 1,2 nT a intensità inferiori a 409,6 nT. Sono disponibili due frequenze di campionamento: ricerca ogni due secondi o otto letture al secondo.

Magnetometro flux-gate 2

Misura le variazioni dell’intensità del campo e della direzione dei campi magnetici a bassa frequenza nell’ambiente solare. Sviluppato dal Goddard Space Flight Center della NASA; misura le variazioni delle componenti a tre vettori del vento solare e del suo campo magnetico con una precisione entro 0,1 nT a circa 25 nT, entro 0,3 nT a circa 75 nT e entro 0,9 nT a un’intensità di 225 nT .

Magnetometro a bobina di ricerca

Il magnetometro della bobina di ricerca integra il magnetometro flux-gate misurando i campi magnetici tra 0 e 3 kHz. Sviluppato anche dall’Università di Braunschweig, rileva le fluttuazioni del campo magnetico nell’intervallo da 5Hz a 3000Hz. La risoluzione spettrale viene eseguita sull’asse di rotazione della sonda.

Indagine sulle onde di plasma

Il Plasma Wave Investigation sviluppato dall’Università dell’Iowa utilizza due antenne da 15 m che formano un dipolo elettrico per lo studio delle onde elettrostatiche ed elettromagnetiche nel plasma del vento solare in frequenze comprese tra 10 Hz e 3 MHz.

Indagine sulle radiazioni cosmiche

La Cosmic Radiation Investigation sviluppata dall’Università di Kiel ha cercato di determinare l’intensità, la direzione e l’energia dei protoni e delle particelle costituenti pesanti nella radiazione per determinare la distribuzione dei raggi cosmici. I tre rivelatori (rivelatore a semiconduttore , contatore a scintillazione e rivelatore Cherenkov ) sono stati incapsulati in un rivelatore anti-coincidenza.

Strumento a raggi cosmici

Il Cosmic Ray Instrument sviluppato presso il Goddard Space Flight Center misura le caratteristiche di protoni con energie comprese tra 0,1 e 800 MeV ed elettroni con energie comprese tra 0,05 e 5 MeV. Utilizza tre telescopi, che coprono il piano dell’eclittica. Un contatore proporzionale studia i raggi X del Sole.

Spettrometro per elettroni e protoni a bassa energia

Sviluppato dal Max Planck Institute for Aeronomy , lo spettrometro di elettroni e protoni a bassa energia utilizza spettrometri per misurare le caratteristiche delle particelle (protoni) con energie comprese tra 20 keV e 2 MeV ed elettroni e positroni con un’energia compresa tra 80 keV e 1 MeV.

Fotometro a luce zodiacale

Lo strumento di luce zodiacale comprende tre fotometri sviluppati dal Max Planck Institute for Astronomy per misurare l’intensità e la polarizzazione della luce zodiacale in luce bianca e nelle bande di lunghezza d’onda di 550nm e 400 nm, utilizzando tre telescopi i cui assi ottici formano angoli di 15, 30, e 90° rispetto all’eclittica. Da queste osservazioni si ottengono informazioni sulla distribuzione spaziale della polvere interplanetaria e sulla dimensione e natura delle particelle di polvere.

Una sonda Helios viene incapsulata per il lancio

Analizzatore di micrometeoroidi

L’ analizzatore Micrometeoroide sviluppato dal Max Planck Institute for Nuclear Physics è in grado di rilevare particelle di polvere cosmica se la loro massa è maggiore di 10 −15 g. Può determinare la massa e l’energia di un micro-meteorite maggiore di 10 −14 g. Queste misurazioni vengono effettuate sfruttando il fatto che i micrometeoriti vaporizzano e ionizzano quando colpiscono un bersaglio. Lo strumento separa gli ioni e gli elettroni nel plasma generato dagli impatti e misura la massa e l’energia della particella incidente. Uno spettrometro di massa a bassa risoluzione determina la composizione delle particelle di polvere cosmica impattanti con una massa maggiore di 10-13 g.

Esperimento di meccanica celeste

Il Celestial Mechanic Experiment sviluppato dall’Università di Amburgo utilizza le specifiche dell’orbita di Helios per chiarire le misurazioni astronomiche: appiattimento del Sole; verifica degli effetti della relatività generale previsti ; determinare la massa del pianeta Mercurio ; il rapporto di massa Terra-Luna; e la densità elettronica integrata tra il veicolo spaziale Helios e la stazione di ricezione dati sulla Terra.

Esperimento di suono coronale

Il Coronal Sounding Experiment sviluppato dall’Università di Bonn misura la rotazione ( Effetto Faraday ) del raggio radio lineare polarizzato proveniente dalla navicella quando passa durante l’opposizione attraverso la corona del sole. Questa rotazione è una misura della densità degli elettroni e dell’intensità del campo magnetico nella regione attraversata.

Specifiche della missione

Helios-A

Helios-A è stato lanciato il 10 dicembre 1974 dal complesso di lancio 41 della Cape Canaveral Air Force Station a Cape Canaveral, in Florida . Questo è stato il primo volo operativo del razzo Titan IIIE . Il volo di prova del razzo era fallito quando il motore sullo stadio Centaur superiore non si era acceso, ma il lancio dell’Helios-A è stato tranquillo.

La sonda è stata collocata in un’orbita eliocentrica di 192 giorni con un perielio di 46.500.000 km (28.900.000 mi; 0,311 UA) dal Sole. Diversi problemi hanno interessato le operazioni. Una delle due antenne non si è dispiegata correttamente, riducendo la sensibilità dell’apparato radio plasma alle onde a bassa frequenza. Quando l’antenna ad alto guadagno è stata collegata, il team della missione si è reso conto che le loro emissioni interferivano con le particelle dell’analizzatore e il ricevitore radio. Per ridurre l’interferenza le comunicazioni sono state effettuate a potenza ridotta, ma ciò ha richiesto l’utilizzo dei ricevitori terrestri di grande diametro già presenti grazie ad altre missioni spaziali in corso.

Durante il primo perielio alla fine di febbraio 1975, il veicolo spaziale si avvicinò al Sole più di qualsiasi altro veicolo spaziale precedente. La temperatura di alcuni componenti ha superato i 100 °C (212 °F), mentre i pannelli solari hanno raggiunto i 127 °C (261 °F), senza pregiudicare il funzionamento della sonda. Durante il secondo passaggio, il 21 settembre, invece, le temperature hanno raggiunto i 132 °C (270 °F), il che ha influito sul funzionamento di alcuni strumenti.

Helios-B

Un razzo Titan 3E seduto sulla sua rampa di lancio alla Cape Canaveral Air Force Station.

Helios-A seduto in cima al razzo Titan IIIE / Centaur

Prima del lancio di Helios-B , sono state apportate alcune modifiche al veicolo spaziale sulla base delle lezioni apprese dalle operazioni di Helios-A . I piccoli motori utilizzati per il controllo dell’assetto sono stati migliorati. Sono state apportate modifiche al meccanismo di implementazione dell’antenna flessibile e alle emissioni dell’antenna ad alto guadagno. I rilevatori di raggi X sono stati migliorati in modo da poter rilevare i lampi di raggi gamma , consentendo loro di essere utilizzati insieme ai satelliti in orbita terrestre per triangolare la posizione dei lampi. Poiché le temperature su Helios-A erano sempre superiori a 20 ° C (36 ° F) al di sotto del massimo di progetto al perielio, è stato deciso che Helios-Borbiterebbe ancora più vicino al Sole e l’isolamento termico è stato migliorato per consentire al satellite di resistere a temperature superiori del 15%.

Il lancio di Helios-B all’inizio del 1976 era condizionato da rigidi vincoli di programma . Le strutture danneggiate durante il lancio della navicella spaziale Viking 2 nel settembre 1975 dovettero essere riparate, mentre l’ atterraggio di Viking su Marte nell’estate 1976 rese le antenne Deep Space Network che Helios- B aveva bisogno di condurre la sua scienza mentre era al perielio non disponibile.

Helios-B è stato lanciato il 10 gennaio 1976, utilizzando un razzo Titan IIIE. La sonda è stata posta in un’orbita con un periodo di 187 giorni e un perielio di 43.500.000 km (27.000.000 mi; 0,291 UA). L’orientamento di Helios-B rispetto all’eclittica è stato invertito di 180 gradi rispetto a Helios-A in modo che i rilevatori di micrometeoriti potessero avere una copertura a 360 gradi. Il 17 aprile 1976, Helios-B fece il suo passaggio più vicino al Sole a una velocità eliocentrica record di 70 chilometri al secondo (250.000 km / h; 160.000 mph). La temperatura massima registrata è stata di 20 °C (36 °F) superiore a quella misurata da Helios-A .

Fine delle operazioni

La missione principale di ciascuna sonda è durata 18 mesi, ma hanno operato molto più a lungo. Il 3 marzo 1980, quattro anni dopo il suo lancio, il ricetrasmettitore radio su Helios-B fallì. Il 7 gennaio 1981 fu inviato un comando di arresto per prevenire possibili interferenze radio durante le future missioni. Helios-A ha continuato a funzionare normalmente, ma con le antenne DSN di grande diametro non disponibili, i dati sono stati raccolti da antenne di piccolo diametro a una velocità inferiore. Alla sua quattordicesima orbita, le celle solari degradate di Helios-A non potevano più fornire energia sufficiente per la raccolta e la trasmissione simultanee di dati a meno che la sonda non fosse vicina al suo perielio. Nel 1984, i ricevitori radio principale e di riserva fallirono, indicando che l’antenna ad alto guadagno non era più puntata verso la Terra. L’ultimoi dati di telemetria sono stati ricevuti il ​​10 febbraio 1986.

Risultati della missione

Traiettoria delle sonde spaziali Helios

Entrambe le sonde hanno raccolto dati importanti sui processi del vento solare e sulle particelle che compongono il mezzo interplanetario ei raggi cosmici . Queste osservazioni sono state effettuate in un periodo compreso tra il minimo solare nel 1976 e il massimo solare nei primi anni ’80.

L’osservazione della luce zodiacale ha stabilito alcune delle proprietà delle polveri interplanetarie presenti tra 0,1 e 1 UA dal Sole, come la loro distribuzione spaziale, il colore e la polarizzazione . La quantità di polvere è stata osservata essere 10 volte quella attorno alla Terra. Generalmente ci si aspettava una distribuzione eterogenea a causa del passaggio delle comete, ma le osservazioni non lo hanno confermato.

Helios ha raccolto dati sulle comete, osservando il passaggio di C/1975 V1 (West) nel 1976, C/1978 H1 (Meir) nel novembre 1978 e C/1979 Y1 (Bradfield) nel febbraio 1980. Durante l’ultimo evento, la sonda ha rilevato disturbi nel vento solare in seguito spiegato da un’interruzione nella coda della cometa. L’analizzatore al plasma ha mostrato che i fenomeni di accelerazione del vento solare ad alta velocità erano associati alla presenza di buchi coronali. Questo strumento ha anche rilevato, per la prima volta, ioni di elio isolati nel vento solare. Nel 1981, durante il picco di attività solare, i dati raccolti da Helios-Aa breve distanza dal Sole ha contribuito a completare le osservazioni visive delle espulsioni di massa coronale eseguite dall’orbita terrestre. I dati raccolti dai magnetometri Helios hanno integrato i dati raccolti da Pioneer e Voyager e sono stati utilizzati per determinare la direzione del campo magnetico a distanze sfalsate dal Sole.

I rilevatori di onde radio e plasma sono stati utilizzati per rilevare esplosioni radio e onde d’urto associate ai brillamenti solari, di solito durante il massimo solare. I rivelatori di raggi cosmici hanno studiato come il Sole e il mezzo interplanetario influenzassero la diffusione degli stessi raggi, di origine solare o galattica. È stato misurato il gradiente dei raggi cosmici, in funzione della distanza dal Sole. Queste osservazioni, combinate con quelle fatte da Pioneer11 tra il 1977 e il 1980 a una distanza di 12-23 UA dal Sole, hanno prodotto un buon modello di questo gradiente. Alcune caratteristiche della corona solare interna sono state misurate durante le occultazioni. A tale scopo, è stato inviato un segnale radio dalla navicella alla Terra o la stazione di terra ha inviato un segnale che è stato restituito dalla sonda. I cambiamenti nella propagazione del segnale risultanti dall’attraversamento della corona solare hanno fornito informazioni sulle fluttuazioni di densità.

A partire dal 2020, le sonde non sono più funzionanti, ma rimangono in orbita attorno al Sole.


https://en.wikipedia.org/wiki/Helios_(spacecraft)

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