Contexte

Le phénomène de turbulence dans un plasma a lieu à plusieurs échelles spatiales et temporelles, ce qui rend les mesures et son étude complexes. La mission HelioSwarm avec ses différentes configurations de ses 9 satellites (un HUB et 8 Nodes) en coordination permet pour la première fois d’explorer précisément ce phénomène dans le vent solaire à plusieurs échelles simultanément.

HelioSwarm lancé en 2030 peut être considéré comme un successeur de la mission THEMIS, qui avec ses 5 satellites a pu étudier avec précision la turbulence du vent solaire, mais à une seule échelle à la fois.

En bref, la mission HelioSwarm est une innovation qui permet d’améliorer grandement les modèles magnétohydrodynamiques de la turbulence du vent solaire. Elle aura un fort impact en physique solaire, en physique des plasmas et en astrophysique en général.

L’objectif de la mission HelioSwarm est d’explorer le plasma du vent solaire et d’étudier les phénomènes de turbulence qui y ont lieu, en 3 dimensions et à plusieurs échelles simultanément, dans plusieurs zones : vent solaire principalement, mais aussi magnétogaine, choc et pré-choc.

Cette caractérisation globale, précise, tridimensionnelle et temporelle permet d’aider à protéger astronautes et satellites. Les mesures sont effectuées à des échelles allant de celle de la magnétohydrodynamique (3000 km) à l’échelle sub-ionique (50 km), grâce aux différentes configurations entre le hub et les 9 nodes de la mission (36 paires et 126 tétraèdres).

Déroulé du projet

Historique du projet

La mission HeliosWarm a été sélectionnée le 10 février 2020 par la NASA dans la partie MIDEX (Medium-Class Explorer) de son programme Explorers, avec la mission MUSE (Multi-slit Solar Explorer). La phase A a commencé en juillet 2021. La confirmation de la sélection par la NASA a eu lieu en 2022. Les livraisons des modèles de vol des instruments ont lieu en 2028. Le lancement est prévu en 2030 à bord d’un lanceur à déterminer (type Vulcain, New Glenn ou Falcon).

Configurations orbitales

Une fois lancé, le satellite principal appelé hub, embarquant les 8 microsatellites, appelés nodes, est placé en injection trans-lunaire, dans le plan de l’orbite de la Lune. S’en suivent 3 orbites elliptiques et une assistance gravitationnelle de la Lune (périsélène à 5000-15000 km) pour amener l’apogée de l’orbite au niveau de la Lune. Le satellite se trouve après ces manœuvres sur son orbite scientifique.

Celle-ci est une orbite P/2 lunaire résonante. Cela se présente sous la forme d’une ellipse très allongée, liée à la Terre, avec un périgée entre 60 000 et 100 000 km (78477 km si la trajectoire est nominale) et un apogée au niveau de l’orbite de la Lune à 395 555 km. Son inclinaison par rapport à l’équateur terrestre est de 50,90° et de 31,03° par rapport à l’écliptique. Sa période est de 2 semaines, soit environ la moitié d’une révolution de la Lune autour de la Terre.

Cette orbite particulière, similaire à celle sur laquelle la NASA avait placé le télescope spatial TESS, a un grand intérêt pour l’étude du vent solaire car elle place le satellite successivement dans toutes les régions de l’environnement magnétique et radiatif intéressantes de la Terre durant chaque révolution terrestre.

Une fois sur son orbite scientifique, le hub libère ses nodes qui vont se placer dans différentes configurations au cours de la mission : 36 lignes de base, ou paires pouvant former 126 tétraèdres.

Organisation

Participations françaises

4 laboratoires et 2 instituts français sont directement impliqués via le CNES, qui, en tant que maître d’ouvrage les soutient avec son expertise dans les développements d’instruments. Les laboratoires impliqués dans la maîtrise d’œuvre sont :

• L’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) et le Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux (LAB) participent au développement l’Ion Electrostatic Analyser (iESA), embarqué sur le HUB. Certains sous-systèmes sont hérités d’instruments dont l’IRAP avait la maîtrise d’œuvre dans d’autres missions comme Solar Orbiter, STEREO, MAVEN ou Cluster. L’ensemble de l’intégration, des tests et calibrations seront réalisés dans les installations de l’IRAP à Toulouse, des qualifications des parties critiques de l’instrument sont également effectuées sur le site du CNES à Toulouse.
• Le Laboratoire de Physique des Plasmas de l’École Polytechnique (LPP) et le Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement et de l’Espace (LPC2E) ont la responsabilité des 9 Search Coil Magnetometer (SCM) embarqués sur les microsatellites. Le SCM est fortement inspiré de celui développé par le LPP pour la mission JUICE de l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Ces deux laboratoires sont responsables des tests et de l’étalonnage de ces 9 instruments.

La production, la validation et l’archivage des données pour la participation française est assurée par le Centre des Données de la Physique des Plasmas (CDPP).

Partenaires internationaux

Le budget de la mission est de l’ordre de 340 millions de dollars et l’investigateur principal est à l’Université du New Hampshire (USA). Il coordonne les activités scientifiques entre les partenaires américains, anglais et français.

Le NASA’s Ames Research Center (Californie, USA) assure la gestion du projet et les opérations au niveau du Mission Operation Center. La communication du segment sol est assurée par le réseau d’antennes Deep Space Network de la NASA. La NASA est le maitre d’ouvrage pour le développement des satellites. Le satellite principal, le hub central est construit et intégré par Northrop Grumman et les 8 microsatellites compagnons sont construits et intégrés par SFL (depuis juin2025).

Les participations des partenaires internationaux sont les suivantes :

• Pour l’instrument iESA piloté par l’IRAP et le LAB : L’Université du New Hampshire (USA), Aerospace Corporation (USA), SouthWest Research Institute (USA), fournissent les cartes numérique (FPGA) et de puissance (LVPS) et Mullard Space Science Laboratory (MSSL, UK) fournit le code FPGA de l’instrument.
• Les instruments Flux Gate Magnetometers (MAG), basés sur les instruments similaires de JUICE et Solar Orbiter, sont conçus et construits par Imperial College (UK). Cet instrument fournit le champ magnétique DC et est complémentaire des mesures de champ magnétiques AC fourni par SCM (développé par le LPP et le LPC2E)
• Les instruments Faraday Cups (FC) sont développés et construits par le Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO, USA), l’Université de Californie-Berkeley (UCB, USA) et le laboratoire Draper (USA).
• La NASA a la responsabilité d’un instrument conçu par des étudiants, le Student Electron Electrostatic Spectrograph (SEE)