Ulysses (sonde spatiale)

Au début de l'ère spatiale, les observations du Soleil effectuées à l'aide d'engins spatiaux se font depuis l'écliptique, c'est-à-dire le plan passant par la Terre et le Soleil. En effet, lancer une sonde spatiale qui s'écarte de l'écliptique nécessite une énergie considérable : une fusée géante Saturn V surmontée d'un étage Centaur parviendrait seulement à placer une sonde de 580 kg sur une orbite héliocentrique de 1 UA inclinée de 35° par rapport à l'écliptique. Atteindre une orbite héliocentrique polaire (inclinaison 90°) à la même distance du Soleil nécessite un delta-v de 42 km/s. Or, différentes observations effectuées à l'époque, comme celles de la répartition des taches solaires, de la couronne solaire et de la géométrie des queues des comètes à l'approche du Soleil, semblent indiquer que l'héliosphère proche n'a pas des propriétés identiques aux latitudes élevées du Soleil. Pour confirmer ces observations et recueillir des données, il est nécessaire de disposer d'un engin qui puisse circuler sur une orbite présentant une inclinaison importante par rapport à l'écliptique[1].

À la fin des années 1960, la NASA met en application pour la première fois la technique de l'assistance gravitationnelle ; celle-ci est utilisée par la sonde spatiale Mariner 10 en 1974 pour se propulser vers la planète Mercure. Grâce à cette technique, une sonde passant à faible distance d'une planète selon un angle soigneusement choisi peut changer radicalement son vecteur vitesse en utilisant les forces de gravité du corps céleste. Les scientifiques de la NASA envisagent à l'époque d'utiliser l'assistance gravitationnelle pour mener une mission dont la trajectoire s'écarterait de l'écliptique (mission Out of Ecliptic ou OEO). De son côté, l'ESRO — l'agence européenne dédiée aux applications spatiales scientifiques — prévoit à la même époque de lancer une mission de ce type ; celle-ci est reprise dans la liste des projets prioritaires de l'Agence spatiale européenne (ESA) lorsque celle-ci remplace en 1975 l'ESRO. Les solutions techniques envisagées par l'ESA et la NASA divergent : assistance gravitationnelle de Jupiter pour la NASA contre recours à un moteur ionique permettant d'atteindre les 60° de latitude en fin de mission pour l'agence européenne. En 1977, les deux agences spatiales décident d'associer leurs missions dans le projet International Solar Polar Mission (ISPM) pour que les deux sondes puissent faire des observations conjointes du Soleil. Les deux sondes, d'une masse comprise entre 330 et 450 kg, doivent être lancées ensemble en 1983 par la navette spatiale américaine et placées sur une trajectoire vers Jupiter. Chaque sonde utilise l'assistance gravitationnelle de la planète géante pour se placer sur une orbite héliocentrique polaire, de manière que l'une survole le pôle sud du Soleil lorsque l'autre survole le pôle nord. Les charges utiles sont identiques mis à part un coronographe et un télescope ultraviolet placés sur une plateforme fixe, embarqués par le satellite de la NASA. Mais l'agence américaine se débat dans des difficultés financières : en 1980, l'échéance du projet de la NASA est repoussée à 1986 avant d'être annulée en 1981 dans le cadre des mesures d'économie décidées par la nouvelle administration Reagan[1].

Les deux agences décident alors de fusionner leurs deux projets. La NASA fournit la moitié de l'instrumentation scientifique, le lanceur (la navette spatiale), le générateur thermoélectrique à radioisotope et les moyens nécessaires au suivi de la sonde, notamment le réseau d'antennes du Deep Space Network. Toutefois, l'abandon d'une mission double et la perte des instruments optiques prévus sur l'engin américain réduisent de manière sensible l'intérêt scientifique. La phase d'assemblage et de test s'achève en 1983 ; la sonde est placée en stockage en attendant son lancement désormais planifié en 1986 à la suite du retard pris par le programme de la navette spatiale américaine. L'accident de la navette Challenger en janvier 1986 cloue les navettes au sol et entraîne l'abandon de l'étage Centaur chargé de placer Ulysses sur sa trajectoire interplanétaire, ce qui repousse encore la date de lancement. Celle-ci est finalement fixée à 1990[2].

La sonde utilise huit petits propulseurs de deux newtons de poussée regroupés par paire, qui utilisent un carburant hypergolique, l'hydrazine, dont elle emporte 33 kg. Ces propulseurs sont utilisés pour les corrections de trajectoire ainsi que pour le maintien de l'orientation et de la vitesse de rotation. Comme la majorité des sondes spatiales affectées à l'étude des champs et des particules, la sonde est « spinnée », c'est-à-dire qu'elle tourne sur un de ses axes, ce qui facilite le contrôle d'attitude tout en permettant aux instruments de balayer une grande portion d'espace. La vitesse de rotation, constante, est de cinq tours par minute. L'axe de rotation est maintenu pointé vers la Terre pour permettre à l'antenne grand gain d'émettre et recevoir les communications. Le système de contrôle d'attitude utilise quatre senseurs solaires pour détecter et corriger les écarts d'orientation[5].

La sonde est placée sur une orbite qui l'amène au niveau de Jupiter, donc à une distance du Soleil (cinq unités astronomiques) où les panneaux solaires de l'époque ne permettent plus de fournir assez d’énergie. En conséquence, celle-ci est produite par un générateur thermoélectrique à radioisotope analogue à l'un de ceux montés sur la sonde Galileo, qui fournit en début de mission 4 500 watts d'énergie thermique convertis en 280 watts électriques. L'énergie produite par la désintégration radioactive du plutonium 238 sous forme de dioxyde de plutonium ²³⁸PuO₂ décroît progressivement au cours de la mission, atteignant 220 watts à la fin de 2001. L'électricité produite est fournie aux équipements scientifiques et à la plateforme sous une tension de 28 volts[4].

La sonde communique avec la Terre en bande S pour le téléchargement des commandes et l'envoi des données télémétriques en utilisant deux émetteurs-récepteurs d'une puissance de cinq watts. L'envoi des données scientifiques se fait en bande X ; le signal est amplifié par deux tubes à ondes progressives redondants d'une puissance de 20 watts. L'émission et la réception utilisent l'antenne parabolique grand gain de 1,65 mètre ainsi que dans certains cas — à proximité de la Terre ou en cas de dépointage de l'antenne parabolique — deux antennes à faible gain installées l'une au sommet de l'antenne parabolique, l'autre sur la face opposée. La période durant laquelle la sonde peut communiquer avec la Terre est en moyenne limitée à dix heures par jour et les données recueillies dans l'intervalle sont stockées sur des enregistreurs d'une capacité unitaire de 45 mégabits. Le système de télécommunications permet théoriquement des taux de transfert pouvant aller jusqu'à 8 192 bits par seconde. Le débit adopté en pratique est de 1 024 bits par seconde lorsque la transmission se fait en temps réel et 512 bits par seconde en différé[4].

Le contrôle thermique de la sonde repose sur une combinaison de moyens passifs, d'un système de rejet des excédents thermiques et de résistances chauffantes. Les principales contraintes sont de maintenir la température de l'hydrazine au-dessus de 5 °C et celles des détecteurs utilisant des composants électroniques en dessous de 35 °C. Toutes les parois externes de la sonde sont recouvertes d'un revêtement isolant constitué généralement de vingt couches de PET aluminé. La couche extérieure est une feuille de kapton comportant un revêtement conducteur en oxyde de zinc afin d'éviter l'accumulation de charges électrostatiques[4].

La navette spatiale Discovery décolle le 6 octobre 1990 du centre spatial Kennedy pour la mission STS-41 en emportant dans sa soute Ulysses. Pour pouvoir atteindre la planète Jupiter avec une vitesse suffisante, la sonde spatiale a été assemblée avec trois étages de fusée. Une fois la navette placée en orbite autour de la Terre, l'ensemble constitué par Ulysses et les étages IUS et PAM-S est largué dans l'espace. Le premier étage de l'IUS est alors mis à feu une fois que la navette s'est suffisamment éloignée. L'Inertial Upper Stage (IUS) long de 5,18 mètres pour un poids total de 14,742 tonnes comprend deux étages utilisant chacun un propulseur à propergol solide. Le Payload Assist Module (PAM) est un étage plus petit également motorisé par propergol solide. Les trois étages sont mis à feu successivement. L'IUS dispose d'un système de guidage, par contre le PAM-S est stabilisé par une mise en rotation rapide (80 tours par minute). Une fois que l'étage PAM-S a rempli son office, Jean-Paul Dufour, Ulysses a atteint une vitesse de 15,4 km/s par rapport à la Terre et de 45,2 km/s dans le référentiel héliocentrique, la plus grande vitesse jamais atteinte à l'époque par une sonde spatiale[18]. Celle-ci ne sera dépassée que par la sonde New Horizons. La vitesse de rotation est abaissée à moins de huit tours par minute par un système de yoyo puis l'étage PAM-S est largué.

La sonde est placée sur une orbite de transfert de Hohmann dont l'apogée se situe au niveau de l'orbite de Jupiter à cinq UA du Soleil et le périgée au niveau de l'orbite de la Terre. Après 16 mois de voyage, la sonde effectue une correction de trajectoire le 19 juillet 1991 et survole Jupiter le 8 février 1992 à 376 000 km de distance. Elle utilise son assistance gravitationnelle pour quitter le plan écliptique des planètes du Système solaire, ce qui lui permet de survoler les hautes latitudes du Soleil[19]. Durant son passage à proximité de Jupiter, Ulysses étudie la magnétosphère de la planète géante[20].

En 1994, Ulysses effectue son premier passage au-dessus des hautes latitudes du Soleil : la sonde est le 13 septembre 1994 à l'aplomb des régions du pôle sud du Soleil (inclinaison -80,2°)[20] et le 31 juillet 1995 à l'aplomb des régions du pôle nord (inclinaison 80,2°) avant de s'éloigner vers Jupiter[21].

Le 1^er mai 1996, Ulysses traverse la queue de la comète Hyakutake. En mars 1997, Ulysses étudie l'influence des vents solaires sur la comète Hale-Bopp alors que celle-ci s'approche du Soleil. En 2000, la sonde est de retour à proximité du Soleil dont l'activité est alors proche du maximum du cycle solaire de onze ans. Ulysses passe au-dessus du pôle sud en septembre 2000, puis du pôle nord en octobre 2001. La sonde achève sa deuxième orbite solaire en recoupant l'orbite de Jupiter entre novembre 2003 et avril 2004 mais à une distance bien plus importante qu'en 1992.

En novembre 2007, alors qu'Ulysses a entamé son troisième survol du pôle sud du Soleil, la mission est prolongée pour la quatrième et dernière fois de douze mois, jusqu'à mars 2009, notamment pour permettre des mesures conjointes avec les satellites STEREO qui viennent d'être lancés[22]. Mais l'énergie disponible est de plus en plus réduite car le générateur thermoélectrique à radioisotope, comme prévu, a une production de plus en plus faible. La sonde a de plus en plus de mal à maintenir ses équipements à une température suffisante et à faire fonctionner son instrumentation scientifique tout en enregistrant et transmettant les données scientifiques recueillies. Notamment, le réchauffement des réservoirs d'hydrazine utilisée par les propulseurs pour maintenir l'orientation de la sonde est de plus en plus difficile, tandis que les données recueillies par les instruments scientifiques doivent être transmises immédiatement car l'énergie disponible ne permet plus leur stockage à bord[23]. Face à des conditions de fonctionnement de plus en plus dégradées, la mission de la sonde est officiellement arrêtée le 30 juin 2009, ce qui permet de réaffecter les plages d'écoute des antennes de 70 mètres du Deep Space Network à d'autres missions[24].

• (en) Paolo Ulivi et David M. Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 2 Hiatus and Renewal 1983-1996, Chichester, Springer Praxis, 2009, 535 p. (ISBN 978-0-387-78904-0).
  Description détaillée des missions (contexte, objectifs, description technique, déroulement, résultats) des sondes spatiales lancées entre 1983 et 1996.

• Vent solaire
• Héliosphère

• (en) Site officiel du programme Ulysses sur le site de la NASA et du JPL
• (en) Site officiel du programme Ulysses sur le site de l'ESA