La sonde d'étude du Soleil, Solar Orbiter, de l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne s'apprête à rejoindre Cap Canaveral, en Floride, d'où elle sera lancée en février 2020. Construite par Airbus à Stevenage (Royaume-Uni), cette sonde va aller étudier le Soleil pour le compte de l'ESA et de la Nasa, qui participe à cette mission en fournissant le lanceur et deux instruments en échange d'un accès à l'ensemble des données recueillies par la mission prévue pour durer huit ans.

Doté de 10 instruments, Solar Orbiter a pour principaux objectifs d'étudier l'atmosphèreatmosphère externe du Soleil et les flux de vent solairevent solaire qui affectent la Terre. Elle réalisera également les toutes premières images des régions polaires du Soleil, fournissant ainsi des données importantes sur l'environnement magnétique encore mal compris de ces zones qui jouent un rôle clé dans le cycle solaire de 11 ans et dans les vaguesvagues régulières de tempêtestempêtes solaires. Cette mission sera complémentaire de la mission de Parker Solar Probe (Nasa) lancée en août 2018 pour s'approcher du Soleil comme aucune sonde ne l'a jamais fait. Elle sera alors en mesure d'étudier in situ la partie la plus externe de la couronne solairecouronne solaire et un peu au-delà, lorsque débute l'héliosphèrehéliosphère. Ses informations devraient permettre de mieux comprendre le célèbre problème du chauffage de la couronne solaire ainsi que l'origine du vent et des éruptions solaireséruptions solaires.

La sonde Solar Orbiter avec, au premier plan, son bouclier thermique conçu pour résister à des températures de plus de 500 °C. © ESA, S. Corvaja

Au plus près du Soleil !

Pour réaliser leur mission, ces deux sondes ont en commun de s'approcher à des distances très proches du Soleil. À son périgéepérigée, soit 0,28 unité astronomiqueunité astronomique (42 millions de km), Solar Orbiter sera plus près du Soleil que la planète MercureMercure, sur une orbiteorbite lui permettant de sortir du plan écliptiqueécliptique. Pour atteindre cette position et rejoindre son orbite au-dessus des pôles du Soleil, Solar Orbiter effectuera une série complexe de révolutions, utilisant l'assistance gravitationnelle de VénusVénus et de la Terre. Quant à l'américaine, Parker Solar ProbeParker Solar Probe, elle s'en approchera encore plus près ! Si, en novembre 2018, la sonde de la Nasa a survolé le Soleil à quelque 24 millions de kilomètres de distance, en 2024, elle s'approchera à environ six millions de kilomètres de la « surface » du Soleil. Un record !

À ces distances, les boucliers thermiques des deux sondes seront mis à rude épreuve. Solar Orbiter devra résister à des températures de plus de 500 °C tandis que Parker Solar Orbiter, au plus près du Soleil, devra résister à des températures de plus ou moins 1.600 °C.

Solar Orbiter : une sonde à proximité du Soleil conçue par Airbus DS

Article de Rémy DecourtRémy Decourt publié le 30/03/2015

Il y a quelques jours, une étape importante du développement de la sonde Solar Orbiter a été franchie avec la fin de la constructionconstruction du modèle structurel du satellite et de son bouclier thermique. Ce modèle d'essai sera testé dans les installations de IABG à Munich, pour s'assurer que ce futur satellite remplira sa mission dantesque. En effet, il doit s'approcher à seulement 42 millions de kilomètres du Soleil. Ce n'est qu'à l'issue de ces essais, et d'autres qui se déroulent dans le Centre technique de l'Agence spatiale européenne (Estec), qu'Airbus Defence and Space, en charge du programme, débutera la construction du modèle de vol.

La construction de Solar Orbiter, qui doit s'approcher du Soleil comme jamais aucun autre engin ne l'avait encore fait auparavant, avance. En effet, la sonde conçue par >Airbus Defence and Space pour le compte de l'Agence spatiale européenne (Esa) se risquera jusqu'à 42 millions de km de la surface de notre ÉtoileÉtoile. À ce jour, le record de distance à proximité du Soleil est détenu par Helios de la Nasa, qui s'en était approchée à quelque 43,5 millions de km, le 17 avril 1976. Même si elle le dépasse, celui deSolar Orbiter ne tiendra pas longtemps, car il sera pulvérisé en 2024 par Solar Probe Plus de la Nasa, laquelle devrait s'en approcher à seulement 6,3 millions de km.

Comme nous l'expliquait Orlane Bergogne, architectearchitecte opérations du programme Solar Orbiter, au moment de la sélection de la mission par l'Esa en mai 2012, « la protection thermique de la sonde ainsi que la neutralité magnétique et moléculaire requise pour pouvoir effectuer efficacement les mesures scientifiques les plus sensibles » étaient les deux principaux points durs technologiques qui conditionnaient la réussite ou non de la mission.

Trois ans plus tard, son développement a bien avancé. Les points durs du début ont fait place à des choix technologiques. Si certains d'entre eux sont nouveaux, d'autres sont dérivés de la mission BepiColomboBepiColombo, à destination de Mercure. C'est ce que nous explique Nicolas Croisard, ingénieur système Solar Orbiter chez Airbus Defence and Space.

Le modèle structurel du bouclier thermique du satellite Solar Orbiter, vu ici en mars 2015 dans l’établissement de Stevenage. © Airbus Defence & Space

Ainsi, concernant la protection thermique, les panneaux solaires de Solar Orbiter sont « basés, en grande partie, sur la technologie développée par Airbus Defence and Space pour BepiColombo », car les températures atteintes sont similaires avec celles de cette sonde. Lorsqu'elle sera en orbite autour de Mercure, la face exposée au Soleil devra résister à des températures supérieures à 300 °C et quelques expositions thermiques ponctuelles de la grande antenne pouvant atteindre 400 °C ou plus sont prévues. Quant à Solar Orbiter, « on s'attend à des pointes de températures d'environ 600 °C ». Les antennes, et en particulier celle à grand gain utilisée pour transmettre les données vers la Terre à longue distance (jusqu'à près de deux unités astronomiques), sont aussi similaires à celles développées pour BepiColombo.

En plus des matériaux utilisés, la protection thermique du satellite repose sur le bouclier thermique au design innovant « basé sur deux couches de protections thermiques, une à très haute température, l'autre plus conventionnelle », séparées d'un espace vide permettant la dissipation d'une partie importante de la chaleurchaleur sur les côtés. Le bouclier est également « séparé du reste du satellite par un autre espace vide », augmentant encore la dissipation de chaleur. Ce concept permet à « la température derrière le bouclier d'être à un niveau raisonnable de 80 °C, contre plus de 500 °C pour la surface du bouclier ». Solar Orbiter profite ainsi de l'expertise inégalée développée par Airbus Defence and Space dans le domaine des boucliers.

Comme presque toutes les missions d'exploration interplanétaire, de « nouvelles technologies ont été développées spécifiquement pour Solar Orbiter ». On citera en particulier le développement de « couches extérieures résistantes aux températures extrêmes (SolarBlack pour le bouclier thermique) ou de procédés industriels pour les déposer (PVD, pour Physical Vapour Deposition) ».

Étudier le Soleil sans brûler le satellite

« La neutralité magnétique et moléculaire requise pour pouvoir effectuer efficacement les mesures scientifiques et notamment pour permettre des mesures du champ magnétiquechamp magnétique généré par le Soleil les plus précises possible » est l'autre contrainte forte qui résulte de cette proximité au Soleil. Ainsi, certains instruments seront « montés sur un bras qui se déploie après le lancement ». Un très grand soin a également été « apporté à la mesure systématique de l'empreinte électromagnétique de tous les équipements existants ou la minimiser pour les nouveaux équipements ». Enfin, certains équipements sont entourés d'un blindage pour limiter encore plus la signature électromagnétique du satellite.

Autre point critique, « la définition et la validation des modes de survie du satellite ». Ils permettent la sauvegardesauvegarde du satellite en cas de pannes graves. Il consiste en un mode de contrôle d'attitude où le satellite est maintenu pointé vers le soleil afin qu'il ne tombe pas en panne d'électricité.

Dans le cas de Solar Orbiter, il n'est évidemment pas question de le pointer directement face au Soleil comme le ferait un satellite autour de la Terre ou d'une autre planète. C'est pourquoi le « contrôle extrêmement fin de l'attitude du satellite » est une des particularités de la mission, car une erreur en dépointage supérieur à 6,5° et « la survie du satellite est en jeu ». Ainsi, « plusieurs unités de surveillance sont utilisées pour garantir la détection rapide de dépointages ». En cas d'anomalieanomalie, « le système est capable de réagir extrêmement rapidement, gardant ainsi le corps du satellite dans l'ombre du bouclier thermique ». Le système est tel qu'après une anomalie, un « retour autonome en mode nominal [où les observations scientifiques sont effectuées] est possible, sans attendre l'intervention du centre de contrôle ».