Le programme Nimbus (du latin nimbus, nuage de pluie) regroupe un ensemble de missions spatiales d'observation de la Terre répondant initialement à des besoins météorologiques et développées par l'agence spatiale américaine (NASA) et lancées dans l'espace entre 1964 et 1978. Leur développement a été piloté par le Centre de vol spatial Goddard en utilisant une plateforme modulaire mise au point pour ce programme. Les satellites Nimbus sont à l'origine de nombreuses premières à la fois techniques et scientifiques.
La famille des satellites Nimbus est la deuxième génération de satellites d'observation de la Terre de la NASA. Elle prend la suite des premiers satellites (TIROS) qui avaient inauguré l'utilisation d'images de la Terre en lumière visible et infrarouge pour couvrir des besoins météorologiques. Placés sur une orbite polaire les satellites Nimbus sont utilisés pour mettre au point les instruments qui sont déployés par la suite sur les satellites d'observation de la Terre. Par ailleurs ils accumulent une grande quantité d'observations dans les domaines de l'étude de l'atmosphère terrestre, des océans, des échanges entre l'atmosphère et les océans et du bilan énergétique de la Terre. Ces données ont alimenté de nombreuses recherches scientifiques portant sur les sciences de la Terre. Sept satellites Nimbus sont placés en orbite entre 1964 et 1978 et sont utilisés sur une période de plus de .
Historique
Création du programme
Vers la fin des années 1950, au début de l'ère spatiale, le premier programme de satellites météorologiques, TIROS, est mis sur pied par l'Armée américaine avant d'être transféré à l'agence spatiale civile tout juste fondée, la NASA. Le centre de vol spatial Goddard, en charge au sein de l'agence spatiale américaine du développement de cette activité, achève le développement et lance le premier satellite météorologique TIROS-1 le . Les images spectaculaires prises par ce premier satellite météorologique font sensation et le pouvoir politique fait pression pour que soit développé un système météorologique national opérationnel. Dans son fameux discours du le président des États-Unis John Kennedy non seulement annonce le lancement du programme Apollo mais également la création de l'agence (ESSA) qui a pour objectif de développer un système de prévision météorologique national (elle sera remplacée en 1970 par la ou NOAA). En 1959, le centre de vol spatial Goddard avait lancé le programme Nimbus destiné à développer une famille de satellites d'observation de la Terre avec des objectifs centrés sur la recherche. L'ESSA nouvellement créé passe un accord avec le centre Goddard pour que celui-ci utilise son programme Nimbus pour en faire une famille de satellites météorologiques opérationnels. Mais en 1963, à la suite de déboires rencontrés par le projet, l'ESSA retire ses fonds de manière inattendue et décide de développer une autre famille de satellites météorologiques opérationnels. Désormais le centre Goddard assure seul le financement du programme Nimbus qui est désormais axé sur le développement de nouveaux instruments et la poursuite d'objectifs scientifiques.
Conception des satellites Nimbus
Le programme Nimbus est placé sous la responsabilité de Bill Stroud tandis que John Licht conçoit l'architecture du satellite Nimbus. Cette dernière apporte de nombreuses innovations dans le domaine de la conception des satellites. Alors que jusque là les satellites étaient stabilisés en étant maintenus en rotation (spinnés), le satellite Nimbus est stabilisé sur trois axes et maintient ses instruments pointés en permanence vers la Terre. Les panneaux solaires pivotent autour d'un axe pour être maintenus en permanence face au Soleil. Les instruments avec leur électronique sont rassemblés dans un cylindre plat conçu pour pouvoir facilement être adapté à une nouvelle configuration instrumentale. Le contrôle thermique utilise un système actif c'est-à-dire qu'il comprend un réseau de canalisations dans lequel circule un fluide caloporteur chargé d'évacuer la chaleur qui est dissipée par des radiateurs situés sur une face de l'engin spatial non exposée au Soleil. Le système de contrôle d'attitude repose sur une combinaison de roues de réaction et de stabilisation par gradient de gravité (ce qui est à l'origine de sa forme de bouée météorologique et la concentration des masses aux deux extrémités) qui permet de réduire les oscillations, condition requise pour obtenir des données de qualité. La mise au point de ce système de contrôle d'attitude complexe a représenté un défi majeur au cours du développement.
A l'époque de nombreuses idées circulaient sur la manière d'exploiter le rayonnement électromagnétique émis par la surface de la Terre pour en déduire ses caractéristiques physiques mais on ne savait pas si cela pouvait effectivement marcher. En 1960 cette technique avait déjà été utilisée pour étudier d'autres planètes et un petit nombre de scientifiques pensaient qu'elle était applicable à l'observation de la Terre mais il s'agissait clairement d'une minorité. Le programme Nimbus va constituer un banc d'essais permettant de tester de nouvelles technologues et de développer les techniques de télédétection.
Fabrication des satellites Nimbus
La société General Electric, située en Pennsylvanie est initialement chargée de concevoir, fabriquer et tester le système de contrôle d'attitude. Elle est finalement chargée de la fabrication de l'ensemble du satellite, d'intégrer les instruments et des tests. La société RCA fournit le système d'alimentation électrique, les caméras, l'électronique du système de télécommunications et les enregistreurs sur bande magnétique.
Modularité et réutilisation par le programme Landsat
La conception de la structure et du système de contrôle thermique s'est avérée extrêmement efficace pour le programme Nimbus. Elle a permis d'intégrer sept configurations d'instruments différentes (jusqu'à neuf instruments) avec des modifications structurelles minimales, tout en répondant aux exigences de visibilité et de contrôle thermique. La plateforme Nimbus, grâce à sa modularité, a permis de développer les trois premiers satellites du Landsat à un coût modéré en réutilisant sa structure ainsi que ses sous-systèmes de contrôle thermique, d'alimentation électrique, de contrôle d'attitude, de télémétrie et de commandes.
Objectifs
Déroulement des missions
Nimbus 1
est lancé le . À la suite d'une fuite non détectée lors de l'alimentation en ergols de l'étage Agena, celui-ci ne fonctionne pas aussi longtemps que prévu et le satellite est placé sur une orbite plus basse que prévu (). Une contrepartie positive est le fait que les images sont prises d'une altitude beaucoup plus basse que prévu ce qui permet d'obtenir des images d'une grande qualité. Le satellite emporte d'une part l'instrument AVCS, un ensemble de trois caméras pointées vers le sol qui prennent des images de jour et d'autre part un radiomètre infrarouge (l'instrument HRIR) qui mesure le rayonnement thermique émis par les nuages ainsi que les surfaces continentales et maritimes. Ce capteur fournit quotidiennement une carte des températures de l'ensemble du globe avec une résolution spatiale comprise entre 3 et . L'instrument qui mesure le rayonnement infrarouge émis dans une longueur d'onde comprise entre 3,4 et ne fournit des résultats exploitables que sur la face nocturne car de jour le rayonnement solaire vient perturber les résultats. Le troisième équipement est le système de transfert automatique d'images APT () Transmission qui permet à des utilisateurs finaux de récupérer les images produites par AVCS réalisées en utilisant un système de réception relativement peu coûteux développé dans le cadre du programme Nimbus. APT sont déployées lorsque est mis en service. Après de fonctionnement, le moteur permettant d'orienter les panneaux solaires face au Soleil tombe au panne et quelques jours plus tard, le satellite privé en partie de l'énergie électrique nécessaire à son fonctionnement cesse de fonctionner. A l'issue de la mission AVCS a transmis , HRIR a transmis de données et ont été récupérées par les stations APT.
Nimbus 2
est lancé le et placé sur une orbite quasi nominale. Outre les instruments embarqués sur , emporte un équipement permettant le transfert des données du radiomètre infrarouge HRIR aux stations APT (équipement DRIR pour ) et un instrument MRIR () quantifiant le rayonnement solaire émis et réfléchi en mesurant le rayonnement infrarouge émis dans cinq plages de longueurs d'ondes. L'enregistreur sur bande magnétique associé à l'instrument MRIR est victime d'une défaillance le deux mois et demi après le lancement tandis que celui de AVCS commence à dysfonctionner le avant de tomber complètement en panne le . L'enregistreur de l'instrument HRIR tombe à son tour en panne le . Des données continuent d'être transférées via APT jusqu'en . A l'issue de la mission AVCS a transmis , HRIR a transmis de données et AVCS ont été récupérées par les stations APT ainsi que de mesures HRIR.
Nimbus 3
Le troisième satellite est lancé le mais la fusée est volontairement détruite à la suite d'un mauvais fonctionnement du système de guidage du premier étage. Nimbus emportait un générateur thermoélectrique à radioisotope SNAP-19 fournissant environ d'électricité. L'épave du satellite est récupérée et le plutonium est récupéré. Un système SNAP-19 utilisant ce plutonium est installé sur le satellite . Ce dernier est lancé le . Il emporte plusieurs instruments nouveaux ou modifiés : IRIS () est un spectromètre interféromètre infrarouge qui fournit des informations (principalement vapeur d'eau, température et ozone) sur la structure verticale de l'atmosphère et les émissions de la surface. SIRS () est un spectromètre infrarouge qui détermine de manière indirecte le profil vertical de la température permettant de dresser une carte tri-dimensionnelle de celle-ci jusqu'à une altitude de . MUSE () mesure les variations du rayonnement solaire ultraviolet dans la bande de fréquence . IRLS () est un système de collecte de données géophysiques, météorologiques et autres depuis des stations qui permet également de localiser des ballons, bouées et navires. L'ensemble de trois caméras AVCS est remplacé par une caméra unique IDCS () disposant d'une plage dynamique plus importante (1 à 100) et d'un meilleur ratio signal sur bruit. Le système de transfert de données en temps réel APT est remplacé par le système RTTS () capable de réaliser simultanément le transfert de données et l'enregistrement sur bande magnétique. La plage de fréquence observée par MRIR est modifiée. De 5 à initialement, elle est désormais de 20 à pour mesurer absorption de la vapeur d'eau par les couches basses de l'atmosphère. Les enregistreurs sur bande magnétique commencent à dysfonctionner durant l'automne 1969. Progressivement l'enregistrement des données de plusieurs instruments cesse : IRIS en , IDCS et HRIR en , MRIR en février de la même années. Lorsque est lancé en , SIRS, MUSE, IRLS et RTTS fonctionnent toujours. a permis de démontrer que des cartographies globales pouvaient être réalisées.
Nimbus 4
est lancé le et est placé sur une orbite quasiment circulaire avec une différence de seulement entre l'apogée et le périgée. Les instruments IDCS, RTTS, IRIS, MUSE et IRLS sont pratiquement identiques à ceux embarqués sur . L'instrument SIRS permet désormais de mesurer la vapeur d'eau contenue dans la troposphère et dispose d'un champ de vue étendu. Les nouveaux instruments sont les suivants : Les expériences MRIR et HRIR sont remplacées par le radiomètre infrarouge THIS () qui fournit la température au sommet des nuages sur les faces diurne et nocturne et le taux d'humidité dans la troposphère et la stratosphère. Le résolution spatiale est pour la température de et de pour la vapeur d'eau.