Un prototype de télescope conçu et construit par les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a été lancé de Cap Canaveral, en Floride, vers la Station spatiale internationale (ISS).
Connu sous le nom de Stellar Occultation Hypertemporal Imaging Payload (SOHIP), le télescope utilise la technologie optique monolithique brevetée LLNL sur un cardan pour observer et mesurer les ondes de gravité et la turbulence atmosphériques.
Lancé mardi, l’instrument SOHIP sera installé dans le cadre de la plateforme Space Test Program-Houston 9 du ministère de la Défense une fois qu’il sera à bord de l’ISS.
Une équipe interdisciplinaire de Livermore a produit l’instrument SOHIP et a satisfait aux exigences de sécurité rigoureuses de la NASA pour l’inclusion sur l’ISS de la NASA, une première en laboratoire. SOHIP a également été livré à temps et avec un budget austère de seulement 1 million de dollars.
« Notre objectif était de concevoir, développer et livrer une paire de télescopes monolithiques compacts et durables tirant parti de la technologie monolithique brevetée du Laboratoire et de pièces prêtes à l’emploi nécessitant des tests en orbite minimaux ou nuls pour être inclus dans l’ISS », a déclaré Pete Supsinskas, technologue spatial en chef du programme LLNL Space Science and Security. « Et nous avons atteint cet objectif. »
Les véhicules hypersoniques – avions ou missiles – voyageant à cinq fois la vitesse du son à des altitudes inférieures à 90 kilomètres (km)/56 miles – fonctionnent dans l’environnement extrême et imprévisible de la haute atmosphère, ce qui peut avoir un impact sur les performances de vol. Les ondes de gravité atmosphériques – des oscillations de l’air qui transportent l’énergie et la quantité de mouvement de la basse à la haute atmosphère lorsqu’elles se propagent verticalement et horizontalement – créent des turbulences comme les vagues de l’océan qui se brisent sur une plage.
« Si la couche limite d’un véhicule hypersonique est exposée à la turbulence atmosphérique le long de sa trajectoire de vol, la traînée aérodynamique et la chaleur sur le véhicule augmenteront considérablement, affectant le contrôle du véhicule », a déclaré Matthew Horsley, physicien LLNL et chercheur principal du SOHIP. « Si nous pouvions prédire avec précision les conditions qui déclenchent ces ondes de gravité erratiques ou ces flux hypersoniques, cela pourrait éclairer une meilleure conception des véhicules, réduire les coûts et améliorer les performances globales de vol hypersonique. »
Comprendre l’ambiance
Un point de données bien connu sur la haute atmosphère est l’indice de réfraction de l’air, mesuré par la température et la densité. Un autre aspect mesurable des conditions de l’atmosphère terrestre est la façon dont la lumière la traverse – la courbure des rayons se produit, sensible à l’indice de réfraction moyen. La turbulence affecte également la lumière, la faisant scintiller. C’est la raison pour laquelle les étoiles semblent scintiller dans le ciel nocturne.
L’équipe de développement de SOHIP a décidé d’exploiter ces phénomènes pour détecter les changements de température et de densité atmosphériques et d’utiliser les fluctuations de la réfraction de l’air pour détecter les turbulences.
« En mesurant soigneusement la courbure et la scintillation des rayons, nous pouvons estimer les propriétés de l’atmosphère qui ont créé ces effets », a déclaré Horsley.
SOHIP utilise deux télescopes monolithiques, attachés à un assemblage de cardan. Le cardan permet aux caméras des télescopes de cibler deux étoiles brillantes dans le « sillage » de l’ISS. « Le véritable défi est que chaque caméra doit imager une étoile à des fréquences d’images de plus de 1 000 images par seconde », a déclaré Lance Simms, responsable des logiciels de vol et des opérations de SOHIP. Pour atteindre des fréquences d’images aussi élevées, il suffit de lire une petite sous-matrice ou « fenêtre » du capteur de la caméra.
« Suivre le mouvement apparent d’une étoile et le maintenir dans cette fenêtre à l’aide du cardan introduirait des vibrations inacceptables. Nous avons donc développé un micrologiciel et des algorithmes spécialisés pour maintenir le cardan fixe et faire en sorte que la fenêtre suive l’étoile à travers le capteur à la place. »
La fréquence d’images élevée facilite la quantification de la scintillation observée, tandis que les mesures relatives entre les deux télescopes permettent de rejeter le mouvement et les vibrations de la plate-forme. Le premier télescope a un champ de vision étroit et une fois installé sur l’ISS, il observera une seule étoile brillante, l’étoile « science », alors que sa ligne de visée transite à travers l’atmosphère terrestre.
Le deuxième télescope imagera une deuxième étoile, l’étoile « de référence » avec une ligne de visée bien au-dessus de l’atmosphère. SOHIP mesurera la séparation angulaire relative de l’étoile scientifique par rapport à l’étoile de référence pour déterminer sa flexion réfringente. La scintillation de l’étoile scientifique sera mesurée en enregistrant également l’intensité de l’étoile scientifique à des taux de plus de 1 000 images par seconde.
Pas beaucoup plus gros qu’une boîte à chaussures
À bord de l’ISS, SOHIP pèse 30 livres et n’est pas beaucoup plus gros qu’une boîte à chaussures. Cet ensemble extrêmement petit révélera de nouvelles informations sur la température moyenne atmosphérique, la pression et la densité et la force de la turbulence à une altitude et une précision sans précédent.
« SOHIP peut offrir des opportunités pour optimiser la conception et les performances de vol des véhicules hypersoniques. Les données que SOHIP capture sur les ondes de gravité sous plusieurs angles et les réglages des étoiles éclaireront les futures missions, nous permettant de faire progresser les algorithmes pour prédire les conditions atmosphériques supérieures », a déclaré David Patrick, ingénieur en chef. pour le projet SOHIP.
Une étude de faisabilité de recherche et développement dirigée par le laboratoire (LDRD) intitulée « Remote Observation of Gravity Waves with Multiple Satellite Datasets » étudie si les données SOHIP peuvent être combinées avec les données de trois autres instruments de l’ISS pour mesurer les ondes de gravité atmosphérique qui perturbent la haute atmosphère.
« Nous étudions si les différentes propriétés de l’atmosphère mesurées par les quatre instruments de l’ISS peuvent être combinées pour observer les ondes de gravité avec une résolution horizontale aussi fine que 10 kilomètres dans la haute atmosphère. La caractérisation des ondes de gravité nous permettra de mieux comprendre la haute atmosphère conditions et contraignent les modèles de circulation atmosphérique », explique Dana McGuffin, chercheuse postdoctorale à la division Atmospheric, Earth, & Energy des sciences physiques et de la vie du Laboratoire. Actuellement, les mesures ne peuvent observer que des ondes de gravité avec des longueurs d’onde horizontales de 300 kilomètres ou plus.
« Nous avons entrepris de développer, fabriquer, livrer et démontrer un prototype en orbite économique et évolutif capable d’observer à distance les ondes de gravité atmosphériques et les turbulences à haute altitude depuis le sol jusqu’à des altitudes pouvant atteindre 70 kilomètres », a déclaré John Ganino, LLNL. chef de programme associé pour Space Hardware.
« Le fait que cette équipe puisse faire quelque chose d’aussi techniquement complexe avec un budget et un calendrier aussi serrés témoigne de son expertise, de son esprit de collaboration et de son engagement envers l’excellence », a déclaré Ben Bahney, chef de programme pour le programme de sciences spatiales et de sécurité du Laboratoire.