Введение

Пара зондов, запущенных в 1974 и 1976 годах американским и западногерманским космическими агентствами для изучения Солнца.

Строительство

Проект "Гелиос" был совместным предприятием космического агентства Западной Германии DLR (доля 70 процентов) и NASA (доля 30 процентов). Построенные главным подрядчиком, компанией Messerschmitt Bölkow Blohm, они стали первыми космическими зондами, созданными не в США и не в Советском Союзе, которые покинули околоземную орбиту.

Структура

Два зонда "Гелиос" выглядят похоже. Масса "Гелиоса А" составляет , а масса "Гелиоса Б" – . Масса научной аппаратуры на "Гелиосе А" составляет , а на "Гелиосе Б" – . Центральные тела представляют собой шестнадцатигранные призмы диаметром и высотой. Большая часть оборудования и приборов смонтирована в этом центральном корпусе. Исключения составляют мачты и антенны, используемые в экспериментах, и небольшие телескопы для измерения зодиакального света, которые выступают из центрального корпуса. Над и под центральным корпусом расположены две конические солнечные панели, придающие конструкции вид диаболо или катушки ниток. При запуске высота каждого зонда составляла , а максимальный диаметр – . После выхода на орбиту телекоммуникационные антенны разворачивались на вершине зондов, увеличивая их высоту до . Также были развернуты два жестких кронштейна с датчиками и магнитометрами, прикрепленными по обеим сторонам центральных тел, и две гибкие антенны для обнаружения радиоволн, которые простирались перпендикулярно осям космического аппарата на расчетную длину каждая. Космические аппараты вращаются вокруг своих осей, перпендикулярных плоскости эклиптики, со скоростью 60 оборотов в минуту.

Мощность

Электрическая энергия обеспечивается солнечными элементами, установленными на двух усеченных конусах. Для поддержания температуры солнечных панелей ниже допустимой при приближении к Солнцу, солнечные элементы чередуются с зеркалами, покрывающими 50% поверхности и отражающими часть падающего солнечного света, одновременно рассеивая избыточное тепло. Мощность, вырабатываемая солнечными панелями, составляет не менее 240 Вт, когда зонд находится в афелии. Напряжение регулируется до 28 вольт постоянного тока. Серебряно-цинковые аккумуляторы использовались только во время запуска.

Терморегулирование

Самая большая техническая проблема заключалась в предотвращении нагрева во время движения по орбите вблизи Солнца. На расстоянии от Солнца приблизительный тепловой поток составляет 11 солнечных констант (в 11 раз больше количества солнечного излучения, получаемого на околоземной орбите), или 22,4 кВт на квадратный метр освещенной поверхности. На таком расстоянии зонд мог достичь [температуры]. Солнечные элементы и центральный отсек с приборами должны были поддерживаться при значительно более низких температурах. Температура солнечных элементов не должна была превышать [значение], а центральный отсек необходимо было поддерживать в диапазоне [значений]. Эти ограничения требовали отвода 96 процентов энергии, получаемой от Солнца. Коническая форма солнечных панелей была выбрана для снижения нагрева. Наклоняя солнечные панели относительно солнечного света, падающего перпендикулярно оси зонда, можно отразить большую долю солнечного излучения. Специально разработанные NASA "зеркала второго типа" покрывают всю центральную часть корпуса и 50 процентов солнечных генераторов. Они изготовлены из кварцевого стекла с серебряной пленкой на внутренней поверхности, которая, в свою очередь, покрыта диэлектрическим материалом. Для дополнительной защиты использовалась многослойная теплоизоляция, состоящая из 18 слоев Mylar или Kapton (в зависимости от расположения), разделенных небольшими пластиковыми штифтами, предназначенными для предотвращения образования тепловых мостов, для частичного покрытия основного отсека. В дополнение к этим пассивным устройствам, зонды использовали активную систему подвижных жалюзи, расположенных в виде ставней вдоль нижней и верхней сторон отсека. Открытие и закрытие жалюзи контролируется отдельной биметаллической пружиной, длина которой изменяется в зависимости от температуры, вызывая открытие или закрытие ставней. Резисторы также использовались для поддержания температуры, необходимой для работы определенного оборудования.

Телекоммуникационная система

Телекоммуникационная система использует радиоприемопередатчик, мощность которого может регулироваться в диапазоне от 0,5 до 20 Вт. На каждом зонде установлено три антенны: антенна с высоким коэффициентом усиления (23 дБ) с шириной луча 11°, антенна со средним коэффициентом усиления (3 дБ для передачи и 6,3 дБ для приема), излучающая сигнал во всех направлениях плоскости эклиптики на высоте 15°, и низкоуровневая дипольная антенна (0,3 дБ для передачи и 0,8 дБ для приема). Для непрерывного направления антенны с высоким коэффициентом усиления к Земле, она вращается двигателем со скоростью, компенсирующей вращение зонда. Синхронизация скорости вращения осуществляется с использованием данных, предоставляемых датчиком Солнца. Максимальная скорость передачи данных, достигнутая при использовании антенны с высоким коэффициентом усиления, составляла 4096 бит в секунду в направлении Земли. Прием и передача сигналов поддерживались антеннами сети дальнего космоса (Deep Space Network) на Земле.

Контроль высоты

Чтобы поддерживать ориентацию во время миссии, космический аппарат непрерывно вращался со скоростью 60 оборотов в минуту вокруг своей главной оси. Система управления ориентацией контролирует скорость и ориентацию осей зонда. Для определения своей ориентации «Гелиос» использовал простой солнечный датчик. Коррекция ориентации осуществлялась с помощью газовых двигателей холодного типа (7,7 кг азота) с тягой 1 Ньютон. Ось зонда постоянно поддерживалась перпендикулярной как направлению на Солнце, так и плоскости эклиптики.

Бортовой компьютер и хранение данных

Бортовые контроллеры были способны обрабатывать 256 команд. Массовая память могла хранить 500 кб (это был очень большой объем памяти для космических зондов того времени) и использовалась главным образом, когда зонды находились в гелиоцентрическом соединении с Землей (то есть Солнце оказывалось между Землей и космическим аппаратом). Такое соединение могло длиться до 65 дней.

Профиль миссии

Гелиос А и Гелиос Б были запущены 10 декабря 1974 года и 15 января 1976 года соответственно. Гелиос B пролетел ближе к Солнцу, чем Гелиос А, достигнув перигелия 17 апреля 1976 года на рекордном расстоянии, ближе, чем орбита Меркурия. Гелиос B был выведен на орбиту через 13 месяцев после запуска Гелиоса А. До космического аппарата Parker Solar Probe в 2018 году Гелиос B совершил самый близкий пролёт мимо Солнца из всех когда-либо запущенных аппаратов, используя систему дальней космической связи и орбиту космического корабля для двух пассивных научных исследований.

Магнетометр с потоковым шлюзом

Магнетометр поточных ворот измеряет напряженность и направление низкочастотных магнитных полей в окрестностях Солнца. Он был разработан Университетом Брауншвейга (Германия). Прибор измеряет три векторные составляющие солнечного ветра и его магнитного поля с высокой точностью. Напряженность измеряется с точностью до 0,4 нТл при значениях ниже 102,4 нТл и до 1,2 нТл при значениях ниже 409,6 нТл. Доступны два режима скорости измерений: опрос каждые две секунды или восемь измерений в секунду.

Магнетометр поточного шлюза 2

Измеряет изменения напряженности и направления низкочастотных магнитных полей в солнечном окружении. Разработан в Центре космических полетов Годдарда НАСА; измеряет изменения трех векторных компонентов солнечного ветра и его магнитного поля с точностью до 0,1 нТ при уровне около 25 нТ, до 0,3 нТ при уровне около 75 нТ и до 0,9 нТ при интенсивности 225 нТ.

Магнетометр с поисковой катушкой

Магнетометр с поисковой катушкой дополняет магнитометр на эффекте Холла, измеряя магнитные поля в диапазоне от 0 до 3 кГц. Также разработанный Университетом Брауншвейга, он регистрирует изменения магнитного поля в диапазоне от 5 Гц до 3000 Гц. Спектральное разрешение осуществляется вдоль оси вращения датчика.

Исследование плазменных волн

Плазменное волновое исследование, разработанное Университетом Айовы, использует две 15-метровые антенны, формирующие электрический диполь для изучения электростатических и электромагнитных волн в плазме солнечного ветра в диапазоне частот от 10 Гц до 3 МГц.

Исследование космической радиации

Исследование космического излучения, разработанное Кильским университетом, было направлено на определение интенсивности, направления и энергии протонов и тяжелых частиц в составе космического излучения для установления распределения космических лучей. Три детектора (полупроводниковый детектор, сцинтилляционный счетчик и детектор Черенкова) были помещены в детектор антисовпадений.

Прибор космических лучей

Инструмент для измерения космических лучей, разработанный в Центре космических полетов Годдарда, измеряет характеристики протонов с энергиями от 0,1 до 800 МэВ и электронов с энергиями от 0,05 до 5 МэВ. Он использует три телескопа, охватывающих плоскость эклиптики. Пропорциональный счетчик исследует рентгеновское излучение Солнца.

Низкоэнергетический электронно-протонный спектрометр

Разработанный Институтом аэрономии Макса Планка, низкоэнергетический спектрометр электронов и протонов использует спектрометры для измерения характеристик частиц – протонов с энергиями от 20 кэВ до 2 МэВ и электронов и позитронов с энергиями от 80 кэВ до 1 МэВ.

Зодиакальный световой фотометр

Зодиакальный световой прибор включает в себя три фотометра, разработанные Институтом астрономии Макса Планка для измерения интенсивности и поляризации зодиакального света в белом свете, а также в полосах длин волн 550 нм и 400 нм. Измерения проводятся с использованием трех телескопов, оптические оси которых образуют углы 15°, 30° и 90° к эклиптике. На основе этих наблюдений получают информацию о пространственном распределении межпланетной пыли, размере и природе ее частиц.

Анализатор микрометеоритов

Анализатор микрометеоритов, разработанный Институтом ядерной физики Макса Планка, способен обнаруживать частицы космической пыли, если их масса превышает 10−15 г. Он может определять массу и энергию микрометеоритов массой более 10−14 г. Эти измерения производятся, используя тот факт, что микрометеориты испаряются и ионизируются при столкновении с мишенью. Прибор разделяет ионы и электроны в плазме, генерируемой ударами, и измеряет массу и энергию падающей частицы. Масс-спектрометр с низким разрешением определяет состав частиц космической пыли массой более 10−13 г.

Небесный механический эксперимент

Небесный механический эксперимент, разработанный Гамбургским университетом, использует особенности орбиты «Гелиоса» для уточнения астрономических измерений: сплюснутости Солнца; проверки предсказанных эффектов общей теории относительности; определения массы планеты Меркурий; соотношения масс Земли и Луны; и интегрированной плотности электронов между космическим аппаратом «Гелиос» и станцией приёма данных на Земле.

Эксперимент с коронарным зондированием

Эксперимент по зондированию короны, разработанный Боннским университетом, измеряет вращение (эффект Фарадея) линейно поляризованного радиосигнала от космического аппарата при прохождении им через корону Солнца в момент противостояния. Это вращение является показателем плотности электронов и напряженности магнитного поля в проходящей области.

Гелиос-А

Helios A был запущен 10 декабря 1974 года с пускового комплекса 41 станции ВВС Кейп-Канаверал в Кейп-Канаверал, штат Флорида. Это был первый оперативный полет ракеты Titan IIIE. Испытательный полет ракеты завершился неудачей из-за того, что двигатель верхней ступени Центавр не запустился, но запуск "Гелиос А" прошел штатно. Зонд был выведен на гелиоцентрическую орбиту продолжительностью 192 дня с перигелием от Солнца. В ходе работы возникло несколько проблем. Одна из двух антенн не развернулась должным образом, что снизило чувствительность радиоплазменного прибора к низкочастотным волнам. После подключения высокоусиливающей антенны команда миссии обнаружила, что ее излучение создает помехи для анализатора частиц и радиоприемника. Чтобы уменьшить помехи, связь осуществлялась с пониженной мощностью, что потребовало использования крупных наземных приемников, уже доступных благодаря другим текущим космическим миссиям. Во время первого перигелия в конце февраля 1975 года космический аппарат приблизился к Солнцу ближе, чем любой предыдущий аппарат. Температура некоторых компонентов превысила , а температура солнечных панелей достигла , что не повлияло на работу зонда. Однако во время второго прохождения 21 сентября температура поднялась до , что сказалось на работе некоторых приборов.

Гелиос-Б

Перед запуском "Гелиос-Б" в конструкцию космического аппарата были внесены некоторые изменения, основанные на опыте эксплуатации "Гелиос-А". Усовершенствованы небольшие двигатели, используемые для управления ориентацией. Были изменены механизмы развертывания гибкой и высокочастотной антенн. Рентгеновские детекторы были улучшены для регистрации гамма-всплесков, что позволило использовать их совместно с земными спутниками для триангуляции местоположения источников вспышек. Поскольку температура на "Гелиос-А" в перигелии всегда превышала расчетный максимум, было решено вывести "Гелиос-Б" на еще более близкую к Солнцу орбиту, а теплоизоляцию усилили, чтобы аппарат мог выдерживать на 15 процентов более высокие температуры. Запуск "Гелиос-Б" в начале 1976 года был ограничен жесткими сроками. Необходимо было восстановить оборудование, поврежденное при запуске аппарата "Viking 2" в сентябре 1975 года, а посадка "Viking" на Марс летом 1976 года сделала антенны сети дальнего космоса (Deep Space Network), необходимые "Гелиос-Б" для проведения научных исследований в перигелии, недоступными. Запуск "Гелиос-Б" состоялся 10 января 1976 года с помощью ракеты-носителя Titan IIIE. Аппарат был выведен на орбиту с периодом 187 дней и перигелием. Ориентация "Гелиос-Б" относительно эклиптики была развернута на 180 градусов по сравнению с "Гелиос-А", чтобы обеспечить 360-градусный охват детекторами микрометеоритов. 17 апреля 1976 года "Гелиос-Б" совершил свой ближайший пролет к Солнцу с рекордной гелиоцентрической скоростью. Максимальная зарегистрированная температура оказалась выше, чем зафиксированная на "Гелиос-А".