Ulysses est une sonde spatiale développée conjointement par la NASA et l'Agence spatiale européenne, qui a pour objet l'étude des régions voisines du Soleil (l'héliosphère), de son équateur à ses pôles sur la durée d'un cycle solaire. Les mesures effectuées portent plus particulièrement sur le vent solaire, le champ magnétique stellaire et le milieu interstellaire local du Soleil. Lancée en 1990 depuis la navette spatiale , la sonde utilise l'assistance gravitationnelle de Jupiter pour quitter l'écliptique et se placer sur une orbite héliocentrique polaire.
Ulysses est le premier engin scientifique qui recueille des données au niveau des hautes latitudes du Soleil. La mission d'observation du Soleil, prolongée à deux reprises, s'achève en après que la sonde a bouclé trois orbites autour de l'étoile. Les douze instruments scientifiques ont fourni de nombreuses données et modifié certaines hypothèses communément avancées sur les caractéristiques du vent solaire et du champ magnétique dans cette région des hautes latitudes.
Historique du projet vignette|gauche|Ulysse après son déploiement (vue d'artiste).
Quitter l'écliptique
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 surmontée d'un étage Centaur parviendrait seulement à placer une sonde de sur une orbite héliocentrique de 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 . 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.
Projets de la NASA et de l'Agence spatiale européenne
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 ou OEO). De son côté, le Conseil européen de recherches spatiales 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 (ISPM) pour que les deux sondes puissent faire des observations conjointes du Soleil. Les deux sondes, d'une masse comprise entre 330 et , 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.
Mission conjointe ESA/NASA
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 . 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 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, propulsée par un IMS et un munie d'un PAM-S attaché à la sonde.
Objectifs
La mission dUlysses est d'étudier, en fonction de la latitude du Soleil, les principales caractéristiques de l'héliosphère, qui n'a jusqu'à présent été observée que depuis le plan de l'écliptique. Les données mesurées portent en particulier sur. le champ magnétique du Soleil, le vent solaire, l'interface entre le Soleil et le vent solaire et les rayons X émis par le Soleil. Par ailleurs, la sonde spatiale doit étudier la poussière et les gaz neutres des milieux interplanétaire et interstellaire.
Les objectifs secondaires sont l'étude de la magnétosphère de Jupiter durant le survol de cette planète, la détection des sursauts gamma et leur localisation en coordination avec d'autres satellites, ainsi que la tentative détection des ondes gravitationnelles.
Caractéristiques de la sonde thumb|La sonde en cours de préparation peu avant son lancement. Le corps de la sonde a la forme d'un boîtier à peu près rectangulaire et relativement plat de sur 3,3, sur lequel sont greffés plusieurs appendices. Le matériau utilisé pour réaliser les cloisons est un nid d'abeilles d'aluminium. La sonde, dont la masse totale est de , est en rotation constante à cinq tours par minute sur un de ses axes. Les deux faces perpendiculaires à cet axe portent d'une part l'antenne parabolique de de diamètre pointée en permanence vers la Terre et d'autre part une des trois antennes de l'expérience UARP longue de . Le générateur thermoélectrique à radioisotope, qui produit l'énergie nécessaire mais est également source de chaleur et de particules radioactives, fait saillie sur un des côtés du boîtier selon une direction perpendiculaire à l'axe de rotation ; sur la face opposée, une bôme de porte plusieurs instruments dont le magnétomètre. Enfin, les deux autres antennes de l'expérience UARP portant l'envergure totale à font saillie sur les deux dernières faces de la sonde..
Propulsion et contrôle d'attitude
La sonde utilise huit petits propulseurs de deux newtons de poussée regroupés par paire, qui utilisent un carburant hypergolique, l'hydrazine, dont elle emporte . 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.
Énergie
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 d'énergie thermique convertis en électriques. L'énergie produite par la désintégration radioactive du sous forme de dioxyde de plutonium décroît progressivement au cours de la mission, atteignant à la fin de 2001. L'électricité produite est fournie aux équipements scientifiques et à la plateforme sous une tension de .
Télécommunications
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 . L'émission et la réception utilisent l'antenne parabolique grand gain de ainsi que dans certains cas 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 . Le système de télécommunications permet théoriquement des taux de transfert pouvant aller jusqu'à par seconde. Le débit adopté en pratique est de par seconde lorsque la transmission se fait en temps réel et par seconde en différé.
Contrôle thermique
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 et celles des détecteurs utilisant des composants électroniques en dessous de . 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.
Instrumentation scientifique thumb|Schéma d'implantation des instruments scientifiques. La sonde embarque douze instruments scientifiques chargés d'étudier le vent solaire, le champ magnétique du Soleil, les rayons cosmiques ainsi que les milieux interstellaire et interplanétaire. Ces instruments, développés par des laboratoires européens et américains, représentent une masse totale de : le magnétomètre VHM/FGM. ; SWOOPS () permet d'étudier les caractéristiques internes et dynamiques du vent solaire échantillonné sur la trajectoire de la sonde. L'instrument peut mesurer les caractéristiques des électrons dont l'énergie est comprise entre 0,86 et ainsi que des ions ayant une énergie comprise entre 0,225 et . L'instrument mesure la vitesse, la distribution angulaire et l'énergie. Il peut identifier dans des conditions favorables les ions lourds de l'oxygène, du silicium et du fer. ;