ヘリオス（宇宙船）

2機のヘリオス探査機はよく似ている。ヘリオスAの質量は370キログラム（820ポンド）、ヘリオスBの質量は376.5キログラム（830ポンド）である。科学ペイロードの質量は、ヘリオスAが73.2キログラム（161ポンド）、ヘリオスBが76.5キログラム（169ポンド）である。中央の本体は、直径1.75メートル（5フィート9インチ） 、高さ0.55メートル（1フィート10インチ）の16面体のプリズムである。ほとんどの機器と計測機器はこの中央本体に搭載されている。例外は、実験中に使用されるマストとアンテナ、および黄道光を測定する小型望遠鏡で、これらは中央本体から突き出ている。2枚の円錐形の太陽電池パネルが中央本体の上下に伸びており、アセンブリ全体がディアボロまたは糸巻きのように見える。        

打ち上げ時、各探査機の高さは2.12メートル（6フィート11インチ）、最大直径は2.77メートル（9フィート1インチ）でした。軌道に乗ると、通信アンテナが探査機の上部に展開し、高さは4.2メートル（14フィート）に増加しました。また、センサーと磁力計を搭載した2本の硬質ブームが中央部の両側に取り付けられ、電波の検出に使用される2本の柔軟なアンテナが展開されました。これらのアンテナは宇宙船の軸に垂直に伸び、設計上の長さはそれぞれ16メートル（52フィート）でした。^{[ 5 ]}      

宇宙船は、黄道面に垂直な軸を中心に毎分60回転で回転する。 

電力は、2つの切頭円錐に取り付けられた太陽電池によって供給されます。太陽に接近した際に太陽電池パネルの温度を165 ℃（329 °F）以下に保つため、太陽電池パネルの間には鏡が配置され、表面の50%を覆い、入射する太陽光の一部を反射しながら余分な熱を放散します。探査機が遠日点にあるとき、太陽電池パネルから供給される電力は最低240ワットです。電圧は28ボルトの直流に調整されます。銀亜鉛電池は打ち上げ時のみ使用されました。    

最大の技術的課題は、太陽に近い軌道上での加熱を回避することだった。太陽から0.3天文単位（45,000,000 km、28,000,000マイル）の距離では、熱流量はおよそ11太陽定数（地球軌道上で受ける太陽放射量の11倍）で、露出した1平方メートルあたり15 kWとなる。この距離では、探査機は370 °C（698 °F）に達する可能性がある。     

太陽電池と機器の中央コンパートメントは、はるかに低い温度に維持する必要がありました。太陽電池は165 °C (329 °F)を超えてはならず、中央コンパートメントは-10 ～ 20 °C (14 ～ 68 °F)の間に維持する必要がありました。これらの制約により、太陽から受け取るエネルギーの 96 パーセントを遮断する必要がありました。加熱を減らすために、太陽電池パネルの円錐形が決定されました。探査機の軸に垂直に入射する太陽光に対して太陽電池パネルを傾けると、太陽放射のより大きな割合が反射されます。NASAが特別に開発した「第二面鏡」は、中央ボディ全体と太陽電池発電機の 50 パーセントを覆っています。これらは溶融石英でできており、内面には銀膜があり、その内側は誘電体材料で覆われています。さらなる保護のため、コアコンパートメントを部分的に覆うために、0.25ミリメートル（0.0098インチ）のマイラーまたはカプトン（場所によって異なる）の18層からなる多層断熱材が使用され、熱橋の形成を防ぐために小さなプラスチックピンで各層が離間されていた。これらの受動デバイスに加えて、プローブは、コンパートメントの底面と上面に沿ってシャッター状に配置された可動ルーバーの能動システムを使用した。その開閉は、温度に応じて長さが変化するバイメタルスプリングによって個別に制御され、シャッターの開閉を引き起こす。抵抗器も、特定の機器に十分な温度を維持するのに役立てるために使用された。^{[ 6 ]}       

 この通信システムは、出力が0.5～20ワットに調整可能な無線トランシーバーを使用しています。各探査機の上部には3つのアンテナが搭載されています。ビーム幅11°の高利得アンテナ（23 dB）、黄道面のあらゆる方向に15°の高さで信号を送信する中利得アンテナ（送信3 dB、受信6.3 dB）、および低利得ダイポールアンテナ（送信0.3 dB、受信0.8 dB）です。高利得アンテナは、探査機の回転と釣り合う速度でモーターによって回転し、常に地球に向けられるようになっています。回転速度の同期は、太陽センサーから提供されるデータを使用して行われます。高利得アンテナで得られた最大データレートは、上りで毎秒4096ビットでした。信号の受信と送信は、地球上の深宇宙ネットワークアンテナによってサポートされました。     

ミッション中、探査機の姿勢を維持するため、探査機は主軸を中心に毎分60回転で連続的に回転した。姿勢制御システムは、探査機の軸の速度と姿勢を管理する。ヘリオスは、姿勢を決定するために、簡素な太陽センサーを使用した。誘導補正は、1ニュートンの推力を持つ冷ガススラスタ（窒素7.7キログラム）を使用して行われた。探査機の軸は、太陽の方向と黄道面の両方に対して垂直になるように常に維持された。  

搭載された制御装置は256個のコマンドを処理することができた。大容量メモリは500KBを保存でき（これは当時の宇宙探査機としては非常に大きなメモリ容量だった）、主に探査機が地球に対して外合（つまり、太陽が地球と探査機の間にある状態）にあるときに使用された。外合は最大65日間続くことがあった。 

太陽風プラズマの速度と分布を測定します。マックス・プランク大気科学研究所が低エネルギー粒子の研究のために開発しました。収集されたデータには、太陽風の密度、速度、温度が含まれます。測定は1分ごとに行われましたが、フラックス密度はプラズマ波の不規則性を強調するために0.1秒ごとに行われました。使用された機器には以下が含まれます。^{[ 9 ]}

• 電子検出器
• 陽子および重粒子検出器
•  231 eVから16,000  eVのエネルギー範囲の陽子およびアルファ粒子を分析する装置

フラックスゲート磁力計は、太陽周辺の低周波磁場の強度と方向を測定します。これはドイツのブラウンシュバイク大学によって開発されました。太陽風の3つのベクトル成分とその磁場を高精度で測定します。強度は、102.4 nT未満の場合は0.4 nT以内、409.6 nT未満の場合は1.2 nT以内の精度で測定されます。サンプリングレートは2つあり、2秒ごとに検索するか、1秒間に8回測定するかを選択できます。^{[ 10 ]}    

太陽環境における低周波磁場の強度と方向の変化を測定します。NASAのゴダード宇宙飛行センターによって開発され、太陽風の3つのベクトル成分とその磁場の変化を、約 25 nTで0.1 nT以内、約75 nTで 0.3 nT以内、 225 nTの強度で0.9 nT以内の精度で測定します。^{[ 11 ]}    

サーチコイル磁力計は、 0～3 kHz の磁場を測定することでフラックスゲート磁力計を補完します 。これもブラウンシュバイク大学によって開発され、5 Hz～3000 Hz の範囲の磁場変動を検出します。スペクトル分解能はプローブの回転軸上で実行されます。^{[ 12 ]}  

アイオワ大学が開発したプラズマ波調査では、 10  Hz から 3 MHzの周波数帯で太陽風プラズマ中の静電波と電磁波を研究するために、電気双極子を形成する 2 つの 15 m アンテナを使用しています 。^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

キール大学が開発した宇宙放射線調査は、放射線中の陽子と重構成粒子の強度、方向、エネルギーを測定し、宇宙線の分布を決定することを目的としていました。3つの検出器（半導体検出器、シンチレーションカウンター、チェレンコフ検出器）は、反同時計数検出器に封入されていました。^{[ 16 ]}

ゴダード宇宙飛行センターで開発された宇宙線観測装置は、 0.1～800 MeVのエネルギーを持つ陽子と、0.05～5 MeVのエネルギーを持つ電子の特性を測定します。黄道面をカバーする3つの望遠鏡を使用します。比例計数管は太陽からのX線を研究します。 ^{[ 17 ]}  

マックス・プランク航空宇宙研究所が開発した低エネルギー電子・陽子分光計は、分光計を用いて、20 keV～2 MeVのエネルギーを持つ粒子（陽子）と、80 keV～1 MeVのエネルギーを持つ電子および陽電子の特性を測定する。^{[ 18 ]}

黄道光観測装置には、マックス・プランク天文学研究所が開発した3つの光度計が含まれており、黄道面に対して光軸が15°、30°、90°の角度をなす3つの望遠鏡を使用して、白色光および550 nmと400 nmの波長帯における黄道光の強度と偏光を測定します。これらの観測から、惑星間塵の空間分布、塵粒子の大きさおよび性質に関する情報が得られます。^{[ 19 ]}  

マックス・プランク核物理研究所が開発したマイクロ隕石分析装置は、質量が 10 ⁻¹⁵ gを超える宇宙塵粒子を検出することができます。10 ⁻¹⁴ gを超える微小隕石の質量とエネルギーを測定できます。これらの測定は、微小隕石が標的に衝突すると蒸発およびイオン化されるという事実を利用して行われます。この装置は、衝突によって生成されたプラズマ中のイオンと電子を分離し、入射粒子の質量とエネルギーを測定します。低分解能質量分析計は、質量が 10 ⁻¹³ gを超える衝突宇宙塵粒子の組成を決定します。^{[ 20 ] [ 21 ]}   

ハンブルク大学が開発した天体力学実験は、ヘリオス軌道の特性を利用して、太陽の扁平化、予測された一般相対性理論の効果の検証、水星の質量の決定、地球と月の質量比、ヘリオス宇宙船と地球上のデータ受信局間の統合電子密度などの天文学的測定を明確にします。^{[ 22 ]}

ボン大学が開発したコロナ探査実験では、宇宙船から発せられる直線偏光電波ビームが太陽コロナを通過する際に生じる回転（ファラデー効果）を測定します。この回転は、通過した領域の電子密度と磁場強度の指標となります。^{[ 23 ]}

ヘリオスAは1974年12月10日、フロリダ州ケープカナベラルのケープカナベラル空軍基地発射複合施設41から打ち上げられた。^{[ 24 ]}これはタイタンIIIEロケットの最初の運用飛行だった。ロケットの試験飛行は上段セントールのエンジンが点火しなかったため失敗に終わったが、ヘリオスAの打ち上げは順調だった。

探査機は、太陽から46,500,000 km (28,900,000 mi; 0.311 AU)の近日点を持つ、192 日周期の太陽中心軌道に投入された。運用にはいくつかの問題が影響した。2 つのアンテナのうち 1 つが正しく展開されず、電波プラズマ装置の低周波波に対する感度が低下した。高利得アンテナが接続されたとき、ミッション チームは、その放射が分析粒子と無線受信機に干渉していることに気づいた。干渉を減らすために、通信は低出力で行われたが、そのためには、進行中の他の宇宙ミッションのおかげで既に設置されている大口径の地上受信機を使用する必要があった。^{[ 25 ]}   

1975年2月下旬の最初の近日点通過時、探査機はそれまでのどの探査機よりも太陽に接近した。一部の部品の温度は100 ℃（212 °F）を超え、太陽電池パネルは127 ℃（261 °F）に達したが、探査機の動作には影響はなかった。しかし、9月21日の2回目の近日点通過時には温度が132 ℃（270 °F）に達し、一部の機器の動作に影響が出た。      

ヘリオスBの打ち上げ前に、ヘリオスAの運用から得られた教訓に基づいて、宇宙船にいくつかの変更が加えられました。姿勢制御に使用される小型エンジンが改良されました。フレキシブルアンテナと高利得アンテナの放射を実現するメカニズムに変更が加えられました。X線検出器が改良され、ガンマ線バーストを検出できるようになり、地球周回衛星と連携してバーストの位置を三角測量できるようになりました。ヘリオスAの温度は近日点で常に設計上の最高温度より20 ℃（36 °F）以上低かったため、ヘリオスBは太陽にさらに近い軌道を周回することが決定され、衛星が15%高い温度に耐えられるように断熱が強化されました。  

1976年初頭のヘリオスBの打ち上げは、厳しいスケジュール上の制約によって延期された。 1975年9月のバイキング2号の打ち上げで損傷した施設を修復する必要があった上、 1976年夏のバイキングの火星着陸により、ヘリオスBが近日点付近で科学観測を行うために必要な深宇宙ネットワークのアンテナが利用できなくなった。

ヘリオスBは1976年1月10日にタイタンIIIEロケットで打ち上げられた。探査機は187日の周期で、近日点が43,500,000 km (27,000,000 mi; 0.291 AU)の軌道に投入された。ヘリオスBの黄道面に対する向きは、微小隕石検出器が360度をカバーできるように、ヘリオスAと比較して180度反転されていた。1976年4月17日、ヘリオスBは太陽に最も接近し、太陽中心速度で毎秒70キロメートル (250,000 km/h; 160,000 mph)という記録的な速度で通過した。記録された最高温度は、ヘリオスAで測定された値よりも20 °C (36 °F)高かった。       

各探査機の主な任務は18か月でしたが、実際にはそれよりもずっと長く運用されました。 1980年3月3日、打ち上げから4年後、ヘリオスBの無線送受信機が故障しました。 1981年1月7日、今後の任務中に発生する可能性のある無線干渉を防ぐため、停止コマンドが送信されました。ヘリオスAは正常に機能し続けましたが、大口径のDSNアンテナが使用できないため、小口径アンテナで低レートでデータが収集されました。14周回までに、ヘリオスAの劣化した太陽電池は、探査機が近日点に近づかない限り、データの同時収集と送信に十分な電力を供給できなくなりました。1984年、メインとバックアップの無線受信機が故障し、高利得アンテナが地球に向けられなくなったことが示されました。最後のテレメトリ データは1986年2月10日に受信されました。 ^{[ 26 ]}