Ulysses è stata una sonda spaziale robotica sviluppata in collaborazione dall'Agenzia Spaziale Europea e dalla NASA per lo studio del Sole e dell'eliosfera da un'orbita a elevata inclinazione rispetto al piano dell'eclittica. Ulysses ha permesso di osservare per la prima volta i poli solari. Originariamente indicata come International Solar Polar Mission, fu rinominata come l'eroe greco Ulisse che si avventurò per mare verso rotte inesplorate.
La sonda fu lanciata nell'ottobre del 1990 dallo Space Shuttle Discovery (missione STS-41). Dotata di strumenti che avrebbero analizzato i campi, le particelle e le polveri nello spazio interplanetario, era alimentata da un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG). Dopo aver sfruttato Giove per abbandonare il piano dell'eclittica attraverso una manovra di fionda gravitazionale nel 1992, la sonda ha eseguito tre passaggi sui poli solari, nel 1994-95, nel 2000-01 e nel 2007-08. È stata infine disattivata il 30 giugno 2009, quando la potenza erogata dal generatore termoelettrico ha raggiunto un livello troppo basso per garantire un ritorno scientifico tale da giustificare il mantenimento in esercizio di Ulysses. Con una vita operativa di 18 anni e 266 giorni, ha battuto il precedente record di funzionamento di una missione ESA appartenuto all'International Ultraviolet Explorer.
La particolare orbita percorsa ha permesso numerose scoperte, tra le quali la ricezione di un segnale radio quasi periodico proveniente dal polo sud di Giove; l'attraversamento fortuito delle code di ben tre comete, tra le quali le famose Hyakutake e McNaught; l'individuazione di alcune sorgenti di lampi gamma, come parte dell'InterPlanetary Network.
La sonda
Il corpo della sonda è approssimativamente una scatola di 3 × 3.3 × 2 m di dimensioni. Su di essa sono montati l'antenna parabolica, di 1,65 m di diametro, e il generatore termoelettrico a radioisotopi. La scatola è divisa in due sezioni, indicate come "rumorosa" e "silenziosa". La sezione rumorosa confina con il generatore di energia ed ospita il serbatoio del propellente, la sezione silenziosa ospita la maggior parte della strumentazione elettronica. I componenti che avrebbero potuto disturbare il funzionamento degli altri sono montati sull'esterno della struttura, con la scatola che fa da gabbia di Faraday.
Ulysses è stabilizzata a singolo spin intorno all'asse dell'antenna. Il generatore termoelettrico, l'antenna lineare e lo stelo del magnetometro sono posizionati in modo da stabilizzare l'asse. La velocità di rotazione nominale è di 5 rpm. Il sistema di propulsione utilizza idrazina per le manovre in fase di crociera e per il controllo d'assetto, che prevede il ridirezionamento dell'asse - e quindi dell'antenna - verso la Terra. La sonda è dotata di otto razzi, in due blocchi. Quattro sensori solari rivelano l'orientamento. Per ottenere un'elevata precisione nel controllo d'assetto, viene sfruttata una tecnica - chiamata CONSCAN - che prevede che l'antenna in banda S riceva il segnale da terra leggermente fuori asse. Ciò introduce una pulsazione di 5 rpm nel segnale, che può essere deconvoluta, fornendo un orientamento.
La sonda utilizza le comunicazioni in banda S per ricevere i comandi e inviare la telemetria, utilizzando due trasmittenti da 5 W, e le comunicazioni in banda X per la trasmissione dei dati a terra, utilizzando due TWTA da 20 W. Le trasmissioni in entrambe le bande avvengono attraverso l'antenna parabolica.
Due nastri registratori, ognuno con una capacità di 45 Mbit conservano i dati scientifici tra due sessioni di comunicazione consecutive, che avvengono nominalmente ogni 8 ore. Mediante il computer OnBoard Data Handling (OBDH) prodotto dalla LABEN di Milano (oggi integrata in Thales Alenia Space Italia di Gorgonzola) è possibile regolare gli strumenti a bordo di Ulysses in modo da registrare i dati ad una risoluzione inferiore per ridurre il carico di lavoro del Deep Space Network qualora fosse reso necessario dalla concomitanza di altre missioni spaziali.
La richiesta principale per il sistema di controllo termico è che la sonda non scenda al di sotto dei 2 °C, temperatura a cui congelerebbe l'idrazina, impedendo il direzionamento dell'antenna. Per evitare che ciò possa accadere quando la sonda è in prossimità dell'orbita di Giove è stato predisposto un sistema di riscaldatori elettrici ed una copertura adeguata. Si è invece evitato che la sonda potesse raggiungere temperature eccessivamente elevate, scegliendo un'orbita opportuna. In particolare Ulysses si trova a 1,3 UA quando raggiunge la minima distanza dal Sole.
Sulla sonda è stata incisa la frase ascritta all'Ulisse dantesco: Fatti non foste a viver come bruti, ma per seguir virtute e canoscenza.Speciale Superquark - Odissea: il fantastico viaggio di Ulisse - II parte (12 aprile 2008).
La missione La missione originaria, denominata International Solar Polar Mission, prevedeva l'uso di due navicelle, una di fabbricazione europea e l'altra statunitense, che avrebbero percorso orbite simili ma in senso opposto, in modo che quando una si trovava sul polo sud del Sole, l'altra si sarebbe trovata su quello nord. Difficoltà di bilancio della NASA, che stava concentrando le sue risorse nello sviluppo dello Space Shuttle, condussero l'ente spaziale americano a cancellare la propria navicella nel 1986. L'ESA tuttavia decise di proseguire utilizzando la navicella che nel frattempo aveva già costruito, che rinominò Ulysses. La NASA contribuì alla missione fornendo il generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) e occupandosi del lancio. I dieci strumenti scientifici in dotazione della sonda furono infine divisi in due gruppi, per università e istituti di ricerca appartenenti rispettivamente all'Europa e agli Stati Uniti. La sonda è stata immessa in orbita terrestre bassa (LEO) il 6 ottobre 1990 dallo Space Shuttle Discovery (missione STS-41). Inizialmente ne era stato previsto il lancio per il 1986, ma la sospensione dei voli degli Space Shuttle che ha seguito il disastro dello Space Shuttle Challenger ha costretto a rimandare il lancio.
La sonda ha quindi lasciato l'orbita terrestre grazie all'utilizzo dei due stadi del razzo vettore IUS, sviluppato dalla Boeing e dalla NASA come stadio superiore dei razzi Titan III (e poi Titan IV) e per il lancio di payload dalla stiva di carico dello Shuttle. Grazie alla spinta ricevuta, la sonda è stato l'oggetto artificiale più veloce che avesse mai abbandonato la Terra, superata solo recentemente dalla missione New Horizons.
L'8 febbraio 1992 la sonda ha raggiunto Giove, dove ha eseguito una manovra correttiva che l'ha portata su un'orbita con un'elevata inclinazione rispetto al piano dell'eclittica, appositamente studiata per poter analizzare la regione polare del Sole. Il sorvolo di Giove è stato sfruttato per analizzare la magnetosfera gioviana con gli strumenti a bordo di Ulysses. Non essendo la sonda dotata di una fotocamera, non sono state raccolte immagini del pianeta.
Nel 1994-95, nel 2000-01 e nel 2007-08 ha esplorato le regioni polari nord e sud del Sole ottenendo dei risultati inaspettati. In particolare il polo magnetico sud del Sole è molto dinamico e non è dotato di una zona libera dal campo magnetico. Sarebbe sbagliato affermare che il Sole non ha polo magnetico sud e quindi che è un monopolo magnetico, in realtà il polo magnetico sud del Sole esiste solo che è molto diffuso e non concentrato come il polo magnetico nord. Nel passaggio del 2007-08 Ulysses ha misurato un valore del campo magnetico in corrispondenza dei poli solari molto più debole rispetto a quanto osservato nei passaggi precedenti.
Il 1º maggio 1996 la sonda ha inaspettatamente attraversato la scia di ioni della cometa Hyakutake (C/1996 B2), determinando che la coda della cometa è lunga almeno 3,8 UA., 2000. Successivamente Ulysses ha attraversato la coda di altre due comete: la C/1999 T1 McNaught-Hartley (C/1999 T1) nel 2000 e la McNaught (C/2006 P1) nel 2008. Tali fortuite circostanze hanno permesso di indagare l'interazione tra la coda delle comete ed il vento solare e le modalità secondo le quali le comete perdono la loro massa. Inoltre, le misure effettuate sono state utili per capire cosa accade quando il materiale neutro e freddo emesso dalle comete incontra il plasma caldo del vento solare.
Ulysses è arrivata all'afelio nel 2003/2004 e da quella posizione ha eseguito alcune osservazioni a distanza di Giove.
Da febbraio del 2008, la potenza fornita dal generatore termoelettrico a radioisotopi è diminuita al punto da essere insufficiente a garantire il funzionamento contemporaneamente degli strumenti scientifici, del sistema di comunicazione e di alcuni riscaldatori interni necessari al funzionamento del sistema di controllo d'assetto. Infatti, il congelamento dell'idrazina nei condotti del combustibile impedirebbe il funzionamento dei razzi che permettono di manovrare la sonda.
Il problema non ha condotto ad una repentina perdita della sonda perché è stato riscontrato nelle vicinanze del Sole, dove il calore irradiato dalla nostra stella è ancora sufficiente a garantire che la temperatura del carburante non scenda al di sotto di 2 °C. Ma l'orbita percorsa da Ulysses la porta inesorabilmente ad allontanarsi dal Sole ed è atteso che possa cessare di funzionare improvvisamente.
Una strategia piuttosto elaborata intrapresa dal controllo di missione ha permesso di impedire il congelamento del propellente nei condotti. Si è scelto infatti di lasciar scorrere nei condotti minime quantità di propellente ogni due ore. Questa strategia, che non può essere un'alternativa definitiva ai riscaldatori, dal momento che comporta la perdita continua di propellente nello spazio, già poco dopo la sua attuazione, è risultata particolarmente efficace, tanto da far supporre che fosse possibile preservare il funzionamento della sonda fino al 1º luglio 2008, indicato inizialmente come data nominale di fine missione. Ad ogni modo, le operazioni sono continuate anche oltre tale data, e sembrava plausibile aspettarsi che la cessazione delle operazioni di missione e deattivazione o ibernazione della sonda sarebbero state determinate dal congelamento del propellente del sistema di controllo d'assetto o dal suo esaurimento.
In realtà, sebbene al giugno del 2009 la sonda continuasse a trasmettere a Terra i dati scientifici raccolti quotidianamente, le agenzie spaziali europea e statunitense hanno deciso in accordo di terminare la missione il 30 giugno dello stesso anno, poiché i costi per il suo mantenimento (soprattutto quelli dell'utilizzo di una delle tre antenne di 70 m del Deep Space Network per la ricezione dei deboli segnali inviati dalla sonda) non potevano essere giustificati dall'ormai ridotto ritorno scientifico ottenibile dalla sonda.
Alle 22:15 CEST del 30 giugno 2009 è stata ricevuta l'ultima comunicazione dalla sonda. Cinque minuti prima era stata inviata dalla Terra la sequenza di disattivazione. Al momento della disattivazione, Ulysses distava 5,4 UA dal nostro pianeta ed i segnali radio hanno impiegato circa 45 minuti a coprire tale distanza.
La missione ha stabilito il nuovo record di funzionamento di una missione ESA, avendo operato per 18 anni e 266 giorni, battendo il record precedente detenuto dall'International Ultraviolet Explorer. Dopo la disattivazione, Ulysses continuerà ad orbitare attorno al Sole come se fosse una cometa fatta dall'uomo.
Principali risultati scientifici Esplorazione del Sole