هيليوس (مركبة فضائية)

يبدو مسبارا هيليوس متشابهين. تبلغ كتلة هيليوس-أ 370 كيلوغرامًا (820 رطلًا) ، بينما تبلغ كتلة هيليوس-ب 376.5 كيلوغرامًا (830 رطلًا) . أما حمولاتهما العلمية، فتبلغ كتلتها 73.2 كيلوغرامًا (161 رطلًا) على هيليوس-أ، و 76.5 كيلوغرامًا (169 رطلًا) على هيليوس-ب . يتكون الجسم المركزي من موشورات سداسية عشرية الأضلاع، قطرها 1.75 متر (5 أقدام و9 بوصات) وارتفاعها 0.55 متر ( قدم و10 بوصات) . تُركّب معظم المعدات والأجهزة في هذا الجسم المركزي، باستثناء الصواري والهوائيات المستخدمة في التجارب، والتلسكوبات الصغيرة التي تقيس ضوء البروج ، والتي تخرج من الجسم المركزي. يمتد لوحان شمسيان مخروطيان أعلى وأسفل الجسم المركزي، مما يُضفي على التركيب مظهرًا يشبه الديابولو أو بكرة الخيط.        

عند الإطلاق، بلغ ارتفاع كل مسبار 2.12 متر (6 أقدام و11 بوصة) بقطر أقصى قدره 2.77 متر (9 أقدام وبوصة واحدة ) . وبمجرد دخولها المدار، فُتحت هوائيات الاتصالات فوق المسبارين، مما زاد ارتفاعهما إلى 4.2 متر (14 قدمًا) . كما تم نشر ذراعين صلبين يحملان أجهزة استشعار ومقاييس مغناطيسية، مثبتين على جانبي الجسمين المركزيين، وهوائيين مرنين يُستخدمان للكشف عن الموجات الراديوية، ويمتدان عموديًا على محاور المركبة الفضائية بطول تصميمي يبلغ 16 مترًا (52 قدمًا) لكل منهما. ^{[ 5 ]}      

تدور المركبات الفضائية حول محاورها، والتي تكون عمودية على مستوى مسار الشمس ، بسرعة 60 دورة في الدقيقة . 

يتم توفير الطاقة الكهربائية بواسطة خلايا شمسية مثبتة على مخروطين مقطوعين. وللحفاظ على درجة حرارة الألواح الشمسية أقل من 165 درجة مئوية (329 درجة فهرنهايت) عند اقترابها من الشمس، تتخلل الخلايا الشمسية مرايا تغطي 50% من سطحها، وتعكس جزءًا من ضوء الشمس الساقط، بينما تبدد الحرارة الزائدة. تبلغ الطاقة التي توفرها الألواح الشمسية 240 واط كحد أدنى عندما يكون المسبار في نقطة الأوج . ويتم تنظيم جهدها عند 28 فولت تيار مستمر . وقد استُخدمت بطاريات الفضة والزنك فقط أثناء الإطلاق.    

كان التحدي التقني الأكبر هو تجنب ارتفاع درجة الحرارة أثناء الدوران حول الشمس. فعلى بُعد 0.3 وحدة فلكية (45,000,000 كيلومتر؛ 28,000,000 ميل) من الشمس، يبلغ التدفق الحراري التقريبي 11 ثابتًا شمسيًا (أي 11 ضعف كمية الإشعاع الشمسي المُستقبل أثناء الدوران حول الأرض)، أو 15 كيلوواط لكل متر مربع مُعرَّض للحرارة. عند هذه المسافة، قد تصل درجة حرارة المسبار إلى 370 درجة مئوية (698 درجة فهرنهايت) .     

كان لا بد من الحفاظ على الخلايا الشمسية والحجرة المركزية للأجهزة عند درجات حرارة منخفضة للغاية. لم يكن مسموحًا أن تتجاوز درجة حرارة الخلايا الشمسية 165 درجة مئوية (329 درجة فهرنهايت) ، بينما كان لا بد من الحفاظ على درجة حرارة الحجرة المركزية بين -10 و20 درجة مئوية (14 و68 درجة فهرنهايت) . استلزمت هذه القيود رفض 96% من الطاقة الشمسية المُستقبلة. تم اختيار الشكل المخروطي للألواح الشمسية لتقليل التسخين. إن إمالة الألواح الشمسية بالنسبة لأشعة الشمس الساقطة عموديًا على محور المسبار، تعكس نسبة أكبر من الإشعاع الشمسي . تغطي "مرايا السطح الثاني"، التي طورتها ناسا خصيصًا ، الجسم المركزي بالكامل و50% من مولدات الطاقة الشمسية. هذه المرايا مصنوعة من الكوارتز المنصهر، مع طبقة رقيقة من الفضة على السطح الداخلي، المغطى بدوره بمادة عازلة. ولتوفير حماية إضافية، استُخدم عزل متعدد الطبقات - يتألف من 18 طبقة من مادة المايلر أو الكابتون (حسب الموقع) بسماكة 0.25 مليمتر (0.0098 بوصة) ، مفصولة عن بعضها بدبابيس بلاستيكية صغيرة لمنع تكوّن الجسور الحرارية - لتغطية حجرة اللب جزئيًا. إضافةً إلى هذه الأجهزة السلبية، استخدمت المجسات نظامًا نشطًا من فتحات تهوية متحركة مرتبة على شكل مصراع على طول الجانبين السفلي والعلوي للحجرة. ويتم التحكم في فتحها بشكل منفصل بواسطة زنبرك ثنائي المعدن يتغير طوله بتغير درجة الحرارة، مما يؤدي إلى فتح المصراع أو إغلاقه. كما استُخدمت مقاومات للمساعدة في الحفاظ على درجة حرارة كافية لبعض المعدات. ^{[ 6 ]}       

يستخدم نظام الاتصالات جهاز إرسال واستقبال لاسلكي، يمكن تعديل قدرته بين 0.5 و20  واط. تُركّب ثلاثة هوائيات أعلى كل مسبار. هوائي عالي الكسب (23 ديسيبل ) بعرض حزمة 11 درجة، وهوائي متوسط ​​الكسب (3 ديسيبل للإرسال و6.3 ديسيبل للاستقبال) يُرسل إشارة في جميع اتجاهات مستوى مسار الشمس عند ارتفاع 15 درجة، وهوائي ثنائي القطب منخفض الكسب (0.3 ديسيبل للإرسال و0.8 ديسيبل للاستقبال). ولتوجيه الإشارة باستمرار نحو الأرض ، يُدار الهوائي عالي الكسب بواسطة محرك بسرعة تُوازن دوران المسبار. تتم مزامنة سرعة الدوران باستخدام بيانات مُستقاة من مستشعر شمسي . بلغ الحد الأقصى لمعدل نقل البيانات المُحقق مع كسب الهوائي العالي 4096 بت في الثانية في اتجاه الإرسال. وقد دعمت هوائيات شبكة الفضاء العميق على الأرض استقبال وإرسال الإشارات .     

للحفاظ على اتجاه المركبة الفضائية أثناء المهمة، دارت باستمرار بسرعة 60 دورة في الدقيقة حول محورها الرئيسي. يتحكم نظام التوجيه في سرعة واتجاه محاور المسبار. ولتحديد اتجاهه، استخدم هيليوس مستشعرًا شمسيًا بدائيًا . أُجريت تصحيحات التوجيه باستخدام دافعات غاز بارد ( 7.7 كيلوغرام من النيتروجين ) بقوة دفع 1 نيوتن . حُفظ محور المسبار ثابتًا بشكل دائم، بحيث يكون عموديًا على اتجاه الشمس ومستوى مسار الشمس.  

كانت وحدات التحكم الموجودة على متن المركبة قادرة على معالجة 256 أمرًا. وكانت الذاكرة الرئيسية تستوعب 500 كيلوبايت (وهي سعة تخزين كبيرة جدًا بالنسبة لمجسات الفضاء في ذلك الوقت)، وكانت تُستخدم بشكل أساسي عندما تكون المجسات في اقتران علوي بالنسبة للأرض (أي عندما تقع الشمس بين الأرض والمركبة الفضائية). ويمكن أن يستمر الاقتران لمدة تصل إلى 65 يومًا. 

يقيس هذا الجهاز سرعة وتوزيع بلازما الرياح الشمسية . طُوِّرَ من قِبَل معهد ماكس بلانك لعلم طبقات الجو العليا لدراسة الجسيمات منخفضة الطاقة. شملت البيانات المُجمَّعة كثافة وسرعة ودرجة حرارة الرياح الشمسية. أُجريت القياسات كل دقيقة، باستثناء كثافة التدفق التي أُجريت كل 0.1 ثانية لتسليط الضوء على أي اضطرابات في موجات البلازما. من بين الأجهزة المستخدمة: ^{[ 9 ]}

• كاشف الإلكترونات
• كاشف للبروتونات والجسيمات الثقيلة
• محلل للبروتونات وجسيمات ألفا ذات طاقات تتراوح بين 231  إلكترون فولت و 16000  إلكترون فولت

يقيس مقياس المغناطيسية ذو البوابة التدفقية شدة واتجاه المجالات المغناطيسية منخفضة التردد في بيئة الشمس. وقد طُوّر هذا الجهاز في جامعة براونشفايغ بألمانيا. يقيس الجهاز المكونات الثلاثة المتجهة للرياح الشمسية ومجالها المغناطيسي بدقة عالية. تُقاس الشدة بدقة تصل إلى 0.4 نانوتسلا عندما تكون أقل من 102.4 نانوتسلا، وبدقة تصل إلى 1.2 نانوتسلا عند شدات أقل من 409.6 نانوتسلا. يتوفر الجهاز بمعدلين لأخذ العينات: البحث كل ثانيتين أو ثماني قراءات في الثانية. ^{[ 10 ]}    

يقيس هذا الجهاز تغيرات شدة واتجاه المجالات المغناطيسية منخفضة التردد في بيئة الشمس. طُوّر بواسطة مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا؛ ويقيس تغيرات المكونات الثلاثة المتجهة للرياح الشمسية ومجالها المغناطيسي بدقة تصل إلى 0.1  نانوتسلا عند حوالي 25  نانوتسلا، وضمن 0.3  نانوتسلا عند حوالي 75  نانوتسلا، وضمن 0.9  نانوتسلا عند شدة 225 نانوتسلا . ^{[ 11 ]} 

يُكمّل مقياس المغناطيسية ذو الملف البحثي مقياس المغناطيسية ذو البوابة التدفقية بقياس المجالات المغناطيسية بين 0 و3  كيلوهرتز. وقد طُوّر هذا المقياس أيضاً في جامعة براونشفايغ، وهو يكشف عن التقلبات في المجال المغناطيسي في نطاق 5  هرتز إلى 3000  هرتز. ويتم إجراء التحليل الطيفي على محور دوران المجس. ^{[ 12 ]}

يستخدم مشروع دراسة موجات البلازما، الذي طورته جامعة أيوا، هوائيين بطول 15 متراً يشكلان ثنائي قطب كهربائي لدراسة الموجات الكهروستاتيكية والكهرومغناطيسية في بلازما الرياح الشمسية بترددات تتراوح بين 10  هرتز و3  ميجاهرتز. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

سعى مشروع دراسة الإشعاع الكوني، الذي طورته جامعة كيل، إلى تحديد شدة واتجاه وطاقة البروتونات والجسيمات الثقيلة المكونة للإشعاع، وذلك لتحديد توزيع الأشعة الكونية. وقد تم تغليف الكواشف الثلاثة ( كاشف أشباه الموصلات ، وعداد الوميض ، وكاشف تشيرينكوف ) في كاشف مضاد للتزامن. ^{[ 16 ]}

يقيس جهاز الأشعة الكونية، الذي طُوّر في مركز غودارد لرحلات الفضاء، خصائص البروتونات ذات الطاقات بين 0.1 و800 ميغا إلكترون فولت، والإلكترونات ذات الطاقات بين 0.05 و5 ميغا إلكترون فولت. ويستخدم الجهاز ثلاثة تلسكوبات تغطي مستوى مسار الشمس الظاهري. كما يقوم عداد تناسبي بدراسة الأشعة السينية القادمة من الشمس. ^{[ 17 ]}  

تم تطوير مطياف الإلكترونات والبروتونات منخفض الطاقة بواسطة معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الجوي ، ويستخدم مطيافات لقياس خصائص الجسيمات (البروتونات) ذات الطاقات بين 20 كيلو إلكترون فولت و2 ميجا إلكترون فولت والإلكترونات والبوزيترونات ذات الطاقة بين 80 كيلو إلكترون فولت و1 ميجا إلكترون فولت. ^{[ 18 ]}

يتضمن جهاز ضوء البروج ثلاثة مقاييس ضوئية طوّرها معهد ماكس بلانك لعلم الفلك لقياس شدة واستقطاب ضوء البروج في الضوء الأبيض وفي نطاقي الطول الموجي 550  نانومتر و400  نانومتر، باستخدام ثلاثة تلسكوبات تشكل محاورها البصرية زوايا 15 و30 و90 درجة مع مستوى مسار الشمس. ومن خلال هذه الملاحظات، تُستخلص معلومات حول التوزيع المكاني للغبار بين الكواكب وحجم وطبيعة جزيئات الغبار. ^{[ 19 ]}

يستطيع محلل النيازك الدقيقة، الذي طوره معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية، رصد جزيئات الغبار الكوني إذا كانت كتلتها أكبر من 10⁻¹⁵ ^غرام  . كما يمكنه تحديد كتلة وطاقة النيازك الدقيقة التي تزيد كتلتها عن 10⁻¹⁴ ^{غرام . وتُجرى هذه القياسات بالاستفادة من ظاهرة تبخر النيازك الدقيقة وتأينها عند اصطدامها بالهدف. يفصل الجهاز الأيونات والإلكترونات في البلازما المتولدة عن الاصطدامات، ويقيس كتلة وطاقة الجسيم الساقط. ويحدد} مطياف الكتلة  منخفض الدقة تركيب جزيئات الغبار الكوني المصطدمة التي تزيد كتلتها عن 10⁻¹³ ^غرام . ^{[ 20 ] [ 21 ]} 

تستخدم تجربة الميكانيكا السماوية التي طورتها جامعة هامبورغ خصائص مدار هيليوس لتوضيح القياسات الفلكية: تفلطح الشمس؛ والتحقق من تأثيرات النسبية العامة المتوقعة ؛ وتحديد كتلة كوكب عطارد ؛ ونسبة كتلة الأرض إلى كتلة القمر؛ وكثافة الإلكترون المتكاملة بين مركبة هيليوس الفضائية ومحطة استقبال البيانات على الأرض. ^{[ 22 ]}

يقيس مشروع سبر الإكليل الشمسي، الذي طورته جامعة بون، دوران ( تأثير فاراداي ) شعاع الراديو المستقطب خطيًا الصادر من المركبة الفضائية عند مروره عبر إكليل الشمس أثناء تقابله مع الشمس. ويُعد هذا الدوران مقياسًا لكثافة الإلكترونات وشدة المجال المغناطيسي في المنطقة التي يمر بها الشعاع. ^{[ 23 ]}

أُطلق صاروخ هيليوس-أيه في 10 ديسمبر 1974 من مجمع الإطلاق 41 في قاعدة كيب كانافيرال الجوية في كيب كانافيرال، فلوريدا . ^{[ 24 ]} وكانت هذه أول رحلة تشغيلية لصاروخ تيتان 3 إي . وقد فشلت رحلة الاختبار للصاروخ عندما لم يشتعل محرك المرحلة العلوية من صاروخ سنتور ، لكن إطلاق هيليوس-أيه مرّ بسلاسة.

وُضِعَ المسبار في مدار شمسي مركزي مدته 192 يومًا، وكان أقرب نقطة له من الشمس على بُعد 46,500,000 كيلومتر (28,900,000 ميل؛ 0.311 وحدة فلكية). وقد أثّرت عدة مشاكل على العمليات. لم يُنشر أحد الهوائيين بشكل صحيح، مما قلّل من حساسية جهاز بلازما الراديو للموجات منخفضة التردد. وعندما تم توصيل الهوائي عالي الكسب، أدرك فريق المهمة أن انبعاثاته تتداخل مع جسيمات المحلل وجهاز الاستقبال الراديوي. وللحد من التداخل، تم إجراء الاتصالات باستخدام طاقة مُخفّضة، ولكن هذا استلزم استخدام أجهزة الاستقبال الأرضية ذات القطر الكبير الموجودة بالفعل بفضل مهام فضائية أخرى جارية. ^{[ 25 ]}   

خلال أول اقتراب للمركبة الفضائية من الشمس في أواخر فبراير 1975، اقتربت المركبة من الشمس أكثر من أي مركبة فضائية سابقة. وبلغت درجة حرارة بعض مكوناتها أكثر من 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) ، بينما وصلت درجة حرارة الألواح الشمسية إلى 127 درجة مئوية (261 درجة فهرنهايت) ، دون أن يؤثر ذلك على عمل المسبار. أما خلال المرور الثاني في 21 سبتمبر، فقد وصلت درجات الحرارة إلى 132 درجة مئوية (270 درجة فهرنهايت) ، مما أثر على عمل بعض الأجهزة.      

قبل إطلاق هيليوس-ب ، أُجريت بعض التعديلات على المركبة الفضائية بناءً على الدروس المستفادة من عمليات هيليوس-أ . جرى تحسين المحركات الصغيرة المستخدمة للتحكم في الوضعية، وتغيير آلية عمل الهوائي المرن وانبعاثات الهوائي عالي الكسب. كما جرى تحسين كاشفات الأشعة السينية لتتمكن من رصد انفجارات أشعة غاما ، مما يسمح باستخدامها بالتزامن مع الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض لتحديد موقع هذه الانفجارات بدقة. ولأن درجات الحرارة على متن هيليوس-أ كانت دائمًا أقل من الحد الأقصى المصمم له عند نقطة الحضيض بأكثر من 20 درجة مئوية (36 درجة فهرنهايت) ، فقد تقرر أن يدور هيليوس-ب في مدار أقرب إلى الشمس، وتم تعزيز العزل الحراري لتمكين القمر الصناعي من مقاومة درجات حرارة أعلى بنسبة 15%.  

فرضت قيود الجدول الزمني الضيقة ضغطًا على إطلاق هيليوس-ب في أوائل عام 1976. كان لا بد من إصلاح المرافق التي تضررت أثناء إطلاق المركبة الفضائية فايكنغ 2 في سبتمبر 1975، في حين أن هبوط فايكنغ على المريخ في صيف عام 1976 جعل ​​هوائيات شبكة الفضاء العميق التي احتاجتها هيليوس-ب لإجراء أبحاثها العلمية أثناء وجودها في نقطة الحضيض غير متاحة.

أُطلق مسبار هيليوس-ب في 10 يناير 1976، باستخدام صاروخ تيتان IIIE. وُضع المسبار في مدارٍ ذي دورة 187 يومًا، ونقطة حضيض تبلغ 43,500,000 كيلومتر (27,000,000 ميل؛ 0.291 وحدة فلكية) . عُكس اتجاه هيليوس-ب بالنسبة لمستوى مسار الشمس بمقدار 180 درجة مقارنةً بهيليوس-أ، وذلك لتمكين أجهزة الكشف عن النيازك الدقيقة من تغطية 360 درجة. في 17 أبريل 1976، حقق هيليوس-ب أقرب اقتراب له من الشمس بسرعة قياسية بلغت 70 كيلومترًا في الثانية (250,000 كيلومتر/ساعة؛ 160,000 ميل/ساعة) . وبلغت أعلى درجة حرارة مسجلة 20 درجة مئوية (36 درجة فهرنهايت) أعلى من تلك التي قاسها هيليوس-أ .       

استغرقت المهمة الأساسية لكل مسبار 18 شهرًا، لكنها عملت لفترة أطول بكثير. في  3 مارس 1980، بعد أربع سنوات من إطلاقه، تعطل جهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي على متن هيليوس-ب  . وفي 7 يناير 1981، أُرسل أمر إيقاف لمنع أي تداخل لاسلكي محتمل خلال المهمات المستقبلية. استمر هيليوس-أ في العمل بشكل طبيعي، ولكن نظرًا لعدم توفر هوائيات شبكة الفضاء العميق ذات القطر الكبير، جُمعت البيانات بواسطة هوائيات ذات قطر صغير بمعدل أقل. وبحلول مداره الرابع عشر، لم تعد الخلايا الشمسية المتدهورة لهيليوس-أ قادرة على توفير طاقة كافية لجمع البيانات ونقلها في آنٍ واحد إلا إذا كان المسبار قريبًا من نقطة الحضيض. في عام 1984، تعطلت أجهزة الاستقبال اللاسلكية الرئيسية والاحتياطية، مما يشير إلى أن الهوائي عالي الكسب لم يعد موجهًا نحو الأرض. استُلم آخر بيانات القياس عن  بُعد في 10 فبراير 1986. ^{[ 26 ]}