Orbiting Solar Observatory

Orbiting Solar Observatory (OSO) est un programme de l'agence spatiale américaine, la NASA, constitué d'une série de 9 observatoires spatiaux lancés entre 1962 et 1975. Les OSO sont les premiers observatoires spatiaux entièrement dédiés à l'observation du Soleil. Leur mission principale est l'étude du cycle solaire de 11 ans par observation du rayonnement ultraviolet et X émis par le Soleil.

Construits par la société Ball Aerospace, l'architecture de ces engins spatiaux de relativement petite taille (environ 250 kilogrammes sauf les deux derniers de la série) était particulièrement originale. Ils comprenaient deux sous-ensembles : d'une part la "voile", une structure plane faisant face en permanence au soleil recouverte de cellules solaires et supportant les instruments qui devaient être pointés en permanence vers le Soleil, d'autre part la roue perpendiculaire au plan de la voile et en rotation lente qui emportait les instruments ne nécessitant pas un pointage précis (mesures in situ) ainsi que tous les équipements nécessaires au fonctionnement du satellite.

Sur les 9 satellites OSO, 8 (OSO 1 à 8) sont lancés avec succès par un lanceur Delta. Bien que disposant d'instruments aux capacités limitées par la taille de l'observatoire, ils ont fourni aux physiciens spécialistes du Soleil les premières observations détaillées des émissions du Soleil dans les bandes spectrales X et gamma inaccessibles depuis la Terre. Ces données ont sur la couronne solaire et processus conduisant aux éruptions solaires.

Contexte

La deuxième génération des satellites scientifiques

Durant les cinq premières années qui suivent le lancement du premier satellite artificiel dans l'espace (Spoutnik 1 en 1957) marquant le début de l'ère spatiale, une première génération de satellites scientifiques est développée. Ces satellites, conçus sans disposer d'aucune expérience extérieure, sont simples, de petite taille (pas plus de quelques dizaines de kilogrammes car les lanceurs existants ont des capacités réduites) et n'effectuent généralement qu'un seul type de mesure. Au sein de l'agence spatiale américaine, la NASA, ce sont les premiers satellites du programme Explorer, les Injun de l'université d'Iowa, les Vanguard ainsi que les LOFTI et SOLRAD du Naval Research Laboratory. La NASA lance par la suite trois séries de satellites beaucoup plus sophistiqués : ce sont la série des OAO (Orbiting Astronomical Observatory), les OGO (Orbiting Geophyscal Observatory) et les OSO (Orbiting Solar Observatory)^[1].

Un rayonnement solaire inobservable depuis la surface de la Terre

Les scientifiques observent le Soleil depuis l'époque de Galilée. Mais de nombreux processus internes du Soleil ne peuvent être étudiés qu'à travers le rayonnement qu'ils génèrent. Les observatoires terrestres ne peuvent étudier que la partie du spectre électromagnétique qui n'est pas bloqué par l'atmosphère terrestre ce qui écarte ultraviolet, rayons X et rayons gamma. Or les émissions produites par les processus solaires, parce que ces derniers sont très énergétiques, ont lieu principalement dans ces longueurs d'onde. Des observatoires spatiaux, parce qu'ils sont capables de s'affranchir de la barrière de l'atmosphère terrestre, sont seuls capables de fournir des informations essentiels sur les processus solaires^[2].

Historique du projet

Les satellites du programme OSO sont tous conçus par le centre de vol spatial Goddard qui est l'établissement de la l'agence spatiale américaine, la NASA, consacré aux missions scientifiques. La fabrication des huit premiers observatoires (OSO A à OSO H ==> en orbite OSO 1 à OSO 7) est confiée à la société Ball Aerospace (à l'époque Ball Brothers Research Corporation). La fabrication d'une deuxième sous-série comprenant trois engins spatiaux (OSO I, J et K) est confiée à Hughes Aircraft. Seul OSO I fut réalisé (en orbite OSO 8). Pour des raisons budgétaires OSO J et OSO K ne furent pas fabriqués et le budget fut utilisé pour développer l'observatoire SolarMax^[3]. Le modèle de vol de rechange de OSO H (OSO7) fut racheté par l'Armée de l'Air américaine, modifié et doté d'une nouvelle instrumentation puis placé en orbite en 1979 sous l'appellation Solwind (ou P-78-1)^[4].

Le premier satellite de la série, OSO 1, est lancé en 1962 et parvient à mesurer le rayonnement électromagnétique du Soleil dans les bandes spectrales de l'ultraviolet, des rayons X et des rayons gamma. Les deux satellites suivants sont victimes de défaillance de leur lanceur. Finalement huit satellites parviennent jusqu'à leur orbite et fournissent des données. Tous ont pour objectif d'étudier le rayonnement du Soleil. Les OSO 5, 6 et 7 étudient plus particulièrement les éruptions solaires qui constituent une menace pour les équipages des missions Apollo qui ont lieu à cette époque^[2].

Architecture technique

À l'époque de la conception des satellites OSO, la technique de stabilisation active de l'orientation des satellites, qui est souhaitable pour pouvoir pointer des instruments vers un objet céleste, n'est pas encore au point. Pour stabiliser son orientation, le corps du satellite est mis en rotation et un dispositif spécial doit être développé pour maintenir malgré ce mouvement un instrument pointé vers sa cible. Tous les satellites du programme Orbiting Solar Observatory sont stabilisés par cette méthode et adoptent une architecture qui, pour prendre en compte cette contrainte, comprend deux sous-ensembles : la Roue qui est un cylindre peu épais en rotation et la Voile pointant en permanence vers le Soleil grâce à un moteur électrique. La Voile porte les instruments qui analysent le rayonnement solaire ainsi que le panneau solaire qui génère l'énergie électrique du satellite. Instruments et panneau solaire sont donc maintenus en permanence pointés vers le Soleil malgré le mouvement de la Roue. Le palier assurant la liaison mécanique entre la Roue et la Voile constitue la pièce la plus critique du satellite car elle doit pouvoir fonctionner sans à-coups durant des mois dans les conditions difficiles du vide spatial et en l'absence de système de lubrification.La Roue abrite dans des compartiments en forme de tranche de camembert, les fonctions de support du satellite ainsi que certains instruments scientifiques. OSO 1 a une masse d'environ 200 kg. Les satellites OSO 2 à OSO 6 ont une masse proche de 600 kg. OSO 7 et OSO 8 ont une masse de 1 400 kg.

OSO 1, tête de série lancé en 1963, est le premier satellite artificiel à disposer d'un instrument pointé en permanence vers une cible fixe et il est également le premier à enregistrer les données recueillies par ses instruments sur un magnétophone à bandes (jusque là les données étaient transmises en temps réel et étaient donc perdues lorsque aucune station terrienne était à portée)^[5].

Les missions du programme

OSO 1

Déroulement de la mission

Cette première mission de la série est lancée le 7 mars 1962. La roue dont le diamètre est de 1,2 mètre comporte 7 côtés. Le satellite est placé sur une orbite quasi circulaire ayant une altitude de 575 kilomètres et une inclinaison orbitale de 32,8 degrés. Son objectif principal est de mesurer le rayonnement ultraviolet X et gamma du Soleil. Un objectif secondaire est d'étudier la poussière présente dans l'espace. Le satellite fonctionne normalement jusqu'à la défaillance du second magnétophone utilisé pour enregistrer les données le 15 mai 1962. Il continue néanmoins à transmettre des données en temps réel jusqu'en mai 1964. Il est détruit en pénétrant dans l'atmosphère terrestre le 8 octobre 1981^[6]^,^[5].

Instruments scientifiques

Les instruments installés à bord d'OSO 1 sont^[7] :

Mesure du rayonnement gamma solaire 0,1-07 MeV
Mesure du rayonnement X solaire 1-8 Ångströms
Mesure du rayonnement X solaire 20-100 keV
Mesure du rayonnement ultraviolet solaire 3800-4800 Ångströms
Détecteur de protons solaires BF-3
Détecteur de poussière
Détecteur de rayons gamma à scintillateurs 50 keV-3 MeV (monté sur la Roue).
Détecteur de rayonnement gamma à haute énergie (100 MeV) destiné à étudier les éruptions solaires.
Détection des protons de plus de 2 MeV et des électrons de plus de 60 keV émis dans les régions situés en dessous des ceintures de Van Allen (monté sur la Roue)
Mesure des émissions correspondant à la raie Lyman-alpha de l'hydrogène (monté sur la Roue).
Spectromètre du rayonnement solaire entre 10 et 400 Ångströms.

Résultats

L'instrument mesurant le rayonnement gamma dans la bande 0,5-3 MeV a mis en évidence la présence d'un bruit de fond contribuant à esquisser la nature d'un problème que rencontrera l'astronomie gamma^[6].

OSO 2

Le deuxième exemplaire de la série, OSO B ayant été perdu à la suite d'une explosion de son lanceur au sol qui tua trois techniciens, un prototype fut réutilisé en reprenant certains composants préservés de OSO B ainsi que d'autres éléments disponibles. OSO 2 est placé en orbite le 3 février 1965. Il fonctionne de manière nominale jusqu'à épuisement du gaz utilisé pour contrôler son attitude et il est placé en réserve le 6 novembre 1965. L'architecture de OSO 2 est identique à celle de son prédécesseur avec certains instruments disposés sur la voile pointant en permanence en direction du Soleil tandis que d'autres sont en rotation. Toutefois le système de pointage permettait de scanner la région autour du Soleil (40 x 40 minutes d'arc). Les instruments embarqués sont les suivants^[8] :

Un coronographe mesurant l'intensité du rayonnement en lumière visible de la couronne solaire en utilisant un photomultiplicateur. La résolution spatiale était d'une minute d'arc. L'instrument était fourni par le Naval Research Laboratory.
Un spectromètre imageur mesurant le rayonnement ultraviolet du Soleil. Il fournit des images du disque solaire aux longueurs d'ondes Solar de l'hydrogène Lyman-Alpha (1,216 A), de l'hélium II (304 A) et dans la bande spectrale centrée sur 584 A. La résolution spatiale est de 1 minute d'arc. L'instrument est fourni par le Centre vol spatial Goddard.
Une expérience destinée à détectée les sursauts du rayonnement X en effectuant des mesures d'une part dans trois longueurs d'ondes (2-8 A, 8-20 A et 44-60 A) pour mesurer les émissions au-delà du limbe solaire et du bruit de fond céleste (2,8 A) et d'autre part dans deux bandes spectrales (2-8 A et 44-60 A) pour mesurer les sources de rayons X émis par le Soleil.
Une expérience destinée à détecter les rayons gamma émis par le Soleil ainsi que par d'autre célestes dans la bande spectrale 0,1-7 MeV. Cet instrument était fourni par le centre de vol spatial Goddard.