SOLRAD 1

Latar belakang

Pada 1957, pada masa Perang Dingin, Uni Soviet mulai mengoperasikan rudal darat ke udara S-75 Dvina. Rudal ini memiliki radar pengendali tembakan jenis Fan Song, yang rinciannya dapat diketahui melalui pesawat mata-mata yang terbang di kawasan perbatasan Uni Soviet. Misi mata-mata seperti ini dapat mengungkap lokasi rudal-rudal tersebut secara kasar (tanpa ketepatan tinggi) maupun frekuensi operasinya. Dengan informasi ini, Angkatan Udara Amerika Serikat dapat membuat rencana memasuki perbatasan Uni Soviet tanpa mendekati lokasi rudal-rudal ini, tetapi tidak ada informasi mengenai rudal-rudal yang berada lebih dalam di wilayah Soviet. AS melakukan beberapa eksperimen menggunakan teleskop radio untuk mencari gelombang radar Soviet yang dipantulkan oleh Bulan, tetapi informasi yang didapat dengan cara ini tidak cukup rinci.
Reid D. Mayo, seorang insinyur Naval Research Laboratory (NRL, Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS), mengembangkan sebuah sistem untuk kapal selam yang dapat menghindari pesawat anti kapal selam dengan mendeteksi sinyal radar pesawat tersebut. Sistem ini menggunakan antena yang berukuran kecil tetapi cukup kokoh. Saat itu, NRL banyak terlibat dalam Proyek Vanguard milik Angkatan Laut AS yang bertujuan meluncurkan setelit. Pada Maret 1958, Mayo menyimpulkan bahwa sistem ini dapat disesuaikan dengan rancangan wahana dalam proyek Vanguard, dan digunakan untuk memetakan lokasi rudal-rudal Soviet.
Mayo mengajukan gagasan ini ke Howard Lorenzen, pimpinan cabang NRL yang terkait dengan tindakan balasan terhadap musuh. Lorenzen lalu mempromosikan gagasan ini di Departemen pertahanan, dan enam bulan kemudian rencana ini diberi lampu hijau dengan nama "Tattletale". Presiden Dwight D. Eisenhower menyetujui proyek ini secara penuh pada 24 Agustus 1959.
Proyek Tattletale lalu bocor dan diberitakan oleh koran The New York Times, sehingga Eisenhower membatalkan proyek tersebut dan memerintahkan diperketatnya prosedur keamanan. Tak lama setelah itu, proyek ini dihidupkan kembali dengan nama baru "Walnut", dan komponen satelitnya diberi nama "DYNO". Peluncuran ke luar angkasa oleh Amerika Serikat ketika itu tidak termasuk informasi rahasia. Untuk menyembunyikan DYNO yang bertujuan sebagai misi mata-mata, AS memerlukan sebuah misi tambahan yang akan dioperasikan bersama DYNO untuk dijadikan dalih peluncuran.
Sebuah misi tambahan yang cocok akhirnya ditemukan, yaitu penelitian spektrum elektromagnetik matahari. Sejak sebelumnya, AL AS ingin mengetahui peran semburan matahari dalam gangguan komunikasi radio maupun tingkat bahaya yang ditimbulkan radiasi ultraungu dan sinar X terhadap satelit dan astronot. Penelitian ini tidak mungkin dilakukan dari darat karena atmosfer bumi menghalangi sinar X dan ultraviolet matahari dari pengamat di bumi. Selain itu, radiasi matahari mudah berfluktuasi dan tidak mudah diprediksi, sehingga roket penelitian dari bawah orbit juga tidak akan cocok untuk penelitian ini. Sebuah satelit mutlak dibutuhkan agar dapat melakukan penelitian spektrum matahari secara jangka panjang dan terus menerus.

Pengembangan

Pengembangan satelit DYNO dilakukan oleh tim sains NRL yang dipimpin oleh Martin Votaw dan beranggotakan eks ilmuwan dan insinyur dari Project Vanguard yang belum pindah ke NASA. Satelit dwifungsi ini diberi nama baru GRAB ("Galactic Radiation And Background"), kadang juga disebut GREB ("Galactic Radiation Experiment Background"), dan dalam kapasitas ilmiahnya disebut SOLRAD ("SOLar RADiation").
NRL sebelumnya telah membuat sebuah satelit pengamat matahari, yaitu Vanguard 3, yang diluncurkan pada 1959. Vanguard 3 memiliki detektor sinar X dan ultraungu, tetapi pengamatannya gagal karena sensornya mengalami saturasi (jenuh) akibat kuatnya radiasi dari Sabuk Van Allen. Dengan adanya pengalaman ini, satelit baru ini akan dilengkapi sejumlah magnet yang bertujuan memantulkan partikel-partikel bermuatan dari jendela detektor. Rancangan Vanguard 3 (yang dianggap efisien) digunakan dan disesuaikan agar dapat mengangkut peralatan ilmiah maupun peralatan mata-mata.
Sebuah tiruan SOLRAD yang berfungsi sebagai simulator muatan berhasil diluncurkan pada 13 April 1960, bersama dengan satelit Transit 1B, membuktikan teknik peluncuran satelit ini. Pada 3 Mei 1960, pesawat mata-mata U-2 AS yang dipiloti Gary Powers ditembak jatuh saat terbang di wilayah udara Soviet, menunjukkan kelemahan pesawat mata-mata terhadap rudal-rudal antipesawat. Dua hari setelah itu, Presiden Eisenhower menyetujui peluncuran satelit SOLRAD.

Rancangan satelit

Seperti Vanguard 3, SOLRAD/GRAB 1 berbentuk kira-kira seperti bola dengan diameter 51 cm, dan memiliki enam panel sel surya sebagai sumber tenaga. SOLRAD/GRAB 1 memiliki massa 19,05 kg (sedikit di bawah Vanguard yang massanya 23,7 kg). Sel surya pada satelit ini dihubungkan dengan sembilan baterai D yang dirangkai secara seri dengan total tegangan 12 volt dan daya 6 watt.
Bagian SOLRAD yang bertujuan ilmiah memiliki dua fotometer Lyman-alfa (berupa bilik pengionan nitrogen monoksida) untuk meneliti sinar ultraungu dalam rentang 1050-1050 Å dan sebuah fotometer sinar X (sebuah bilik ion argon) untuk rentang 2–8 Å. Semua fotometer ini dipasang di sekeliling daerah "khatulistiwa" dari satelit yang berbentuk mirip bola ini.
Peralatan terkait pengintaian (disebut GRAB) dirancang untuk mendeteksi radar pertahanan udara Soviet yang memiliki frekuensi 1.550–3.900 MHz). di daerah lingkaran 6500 km di bawahnya. Sebuah penerima gelombang di satelit disetel pada sekitar frekuensi radar ini, dan hasilnya digunakan untuk memicu sebuah pemancar gelombang VHF di satelit ini. Saat melewati wilayah Uni Soviet, satelit ini direncanakan mendeteksi pancaran dari radar milik rudal-rudal Soviet dan langsung meneruskannya ke stasiun darat Amerika Serikat yang dapat dijangkau. Stasiun ini kemudian merekam sinyal dari satelit dan meneruskannya ke NRL untuk dianalisis lebih lanjut. Penerima satelit ini tidak bisa mengetahui lokasi radar secara langsung, tetapi lokasi ini dapat diperkirakan dengan mencari penerimaan berulang dari sinyal yang sama dan membandingkan lokasi satelit pada saat penerimaan-penerimaan tersebut terjadi. Selain itu, satelit ini juga dapat mengetahui frekuensi pengulangan pulsa radar-radar tersebut secara pasti.
Data hasil satelit ini dikirim melalui empat antena pecut berukuran 63.5 cm yang di pasang di daerah khatulistiwa SOLRAD. Data terkait sains dipancarkan melalui frekuensi 108 MHz, yaitu frekuensi standar Tahun Geofisika Internasional yang sebelumnya digunakan oleh satelit Vanguard. Perintah dari darat maupun data intelijen ditangkap oleh antena yang lebih kecil dengan frekuensi 139 MHz. Data yang diterima stasiun darat direkam dalam sebuah pita magnetik dan dikirim ke NRL. Di NRL, data tersebut dievaluasi, disalin, dan diteruskan ke National Security Agency (NSA) di Army Fort Meade, Maryland, serta ke Strategic Air Command di Pangkalan AU Offutt, Omaha, Nebraska, untuk dianalisis dan diolah.
Seperti kebanyakan wahana antariksa pada masanya, SOLRAD/GRAB 1 memiliki stabilisasi spin tetapi tidak memiliki sistem pengendalian kedudukan sehingga akan terus memindai ke seluruh arah tanpa berfokus ke sumber-sumber tertentu. Agar para ilmuwan dapat memperoleh informasi akurat mengenai sumber sinar X yang dideteksi SOLRAD/GRAB 1, satelit ini memiliki fotodetektor vakum yang dapat mendeteksi saat fotodetektor-fotodetektor satelit ini terkena sinar matahari, dan menghitung sudut datangnya sinar tersebut.

Peluncuran dan pengorbitan

SOLRAD/GRAB 1 diluncurkan pada 22 Juni 1960, pulul 05:54 UTC menggunakan kendaraan peluncur Thor DM-21 Ablestar dari Pangkalan AU Cape Canaveral Kompleks 17B. SOLRAD/GRAB1 lalu mengorbit bumi dengan perioda 101½ menit, dengan ketinggian berfluktuasi antara 611 hingga 1048 km. Ketinggian ini sedikit menyimpang dari target yaitu orbit melingkar dengan ketinggian tetap 930 kilometer. Hal ini disebabkan gangguan pada tahap kedua roket pendorong yang digunakan, tetapi penyimpangan ini tidak mengganggu operasi satelit.

Penelitian ilmiah

SOLRAD/GRAB 1 dapat dianggap sebagai observatorium matahari pertama yang berlokasi di orbit, dan antara Juni and November 1960 mengirim data ilmiah sebanyak lebih dari 500 kali. Setelah November 1960, sudut datangnya sinar matahari dalam eksperimen-eksperimen SOLRAD tidak lagi dapat dihitung, tetapi SOLRAD/GRAB 1 tetap mengirim data hingga April 1961. Setelah itu, satelit ini dimatikan melalui instruksi dari darat. Ini adalah pertama kalinya sebuah satelit dapat dinonaktifkan dari jarak jauh.
Satelit ini hanya bisa mengirimkan data secara langsung, sehingga untuk menerima data observasi harus ada stasiun penerima yang berada dalam jangkauan pada saat itu juga. Penerima-penerima ini bisa jadi salah satu stasiun Minitrack milik Vanguard, atau beberapa penerima lainnya. Karena itu, data hanya diterima dalam 1 hingga 10 menit per orbit, atau sekitar 1,2% dari total waktu aktif satelit. Pemantul magnetik yang dirancang dalam satelit ini terbukti efektif, dan SOLRAD/GRAB 1 berhasil menjadi satelit pertama yang mengamati sinar X dari matahari. Namun, pemantul ini juga berinteraksi dengan medan magnet bumi. Akibatnya, satelit ini mengalami presesi (berputar-putar sendiri pada porosnya), dan kemudian sinar matahari yang mengarah ke sensor tertutup bayangan dalam 50% waktunya.

Sinar X dan ultraungu

Sekitar 20% dari data yang dikirimkan SOLRAD mengandung pengukuran sinar X. Data ini cukup untuk menghitung tingkat radiasi sinar X normal matahari (dalam rentang 2–8 Å) pada saat tidak adanya aktivitas, yaitu kurang dari 6x10⁻¹¹ joule/cm²/detik. Kadang pengamatan sinar X jauh melebihi batas ini, tetapi biasanya terkait aktivitas matahari yang dapat diamati dari darat. Data ini juga menunjukkan tingkat radiasi sinar X matahari dapat mengalami perubahan besar hanya dalam waktu satu menit, menunjukkan perlunya pengamatan secara terus menerus.
Saat radiasi sinar X yang diamati satelit melebihi tiga kali tingkat normal, gelombang radio mengalami pelemahan. Pengamatan ini membuktikan teori oleh Herbert Friedman bahwa variabilitas sinar X matahari terkait dengan kekuatan ionosfer bumi. Pelemahan radio ini ternyata tidak hanya disebabkan semburan matahari, tapi juga oleh tonjolan matahari yang aktif, maupun fenomena lain yang disebut bright surge maupun subflare di pinggir matahari.
Sementara itu, SOLRAD/GRAB 1 tidak menemukan keterkaitan antara radiasi ultraungu matahari dengan gangguan ionosfer, sehingga pada misi SOLRAD 3/GRAB 2 detektor Lyman-Alpha tidak lagi digunakan.

Upaya deteksi uji coba nuklir

Saat SOLRAD/GRAB 1 dirancang dan dikembangkan, satelit ini diharapkan mampu mendeteksi uji coba nuklir yang dilakukan di atas permukaan tanah, karena uji coba semacam itu menghasilkan sinar X dalam rentang yang dapat dideteksi satelit ini. Tujuannya adalah jika suatu saat perjanjian anti uji coba nuklir dapat dicapai antara Amerika Serikat dan Uni Soviet, satelit SOLRAD/GRAB 1 atau penerusnya diharapkan akan dapat mendeteksi pelanggaran oleh Soviet. Namun, dalam data yang dikirim SOLRAD/GRAB 1 tidak ditemukan lonjakan yang dapat dikaitkan dengan uji coba nuklir Soviet yang diketahui AS. Kelak, satelit-satelit Vela-Hotel akan dikembangkan secara khusus untuk deteksi uji coba nuklir setelah ratifikasi Perjanjian Larangan Uji Coba Nuklir Sebagian pada 1963.

Hasil pengintaian

SOLRAD/GRAB 1 adalah satelit mata-mata pertama yang berhasil beroperasi. Karena khawatir bahwa Uni Soviet akan menyadari misi pengintaian satelit ini, dan akibat masalah yang muncul setelah insiden U-2 pada 1960, Presiden Eisenhower menekankan bahwa setiap pengiriman data terkait misi pengintaian GRAB harus ia setujui terlebih dahulu, dan pengiriman tidak boleh dilakukan secara berturut-turut dalam pengorbitan yang berdekatan. Alhasil, walaupun peralatan mata-mata satelit ini berfungsi sejak satelit diluncurkan hingga kerusakan yang terjadi pada 22 September 1960, GRAB 1 hanya mengirim data sebanyak 22 kali. Pengiriman pertama terjadi pada 5 Juli 1960 ke sebuah stasiun di Wahiawa, Hawaii, yang terletak jauh di luar jangkauan deteksi Soviet. Walaupun terbatas, data dari misi mata-mata ini ternyata cukup untuk membuat staf di darat kewalahan menganalisis dan mengolahnya. Misi ini menghasilkan informasi yang berguna, termasuk menunjukkan bahwa ternyata aktivitas pertahanan udara Uni Soviet jauh lebih besar dari yang diperkirakan sebelumnya.

Kelanjutan

Satelit SOLRAD dan GRAB beroperasi bersama empat kali lagi hingga satelit SOLRAD 4B yang diluncurkan pada April 26. Dari lima misi ini, hanya SOLRAD/GRAB 1 dan SOLRAD 3/GRAB 2 yang berhasil mencapai orbit; ketiga misi lainnya mengalami kegagalan. Kelanjutan dari misi SOLRAD, yaitu SOLRAD 6, 7A, 7B, beroperasi bersama dengan satelit mata-mata penerus GRAB, yaitu Poppy) pada tahun 1963–1965. Kelima satelit terakhir SOLRAD (8, 9, 10, 11A, dan 11B) diluncurkan sebagai satelit penelitian sains mandiri, dan tiga di antaranya juga menjadi bagian Program Explorer milik NASA. Kelima satelit ini beroperasi pada 1965–1976. Total ada tiga belas satelit yang beroperasi dengan nama SOLRAD. Program GRAB sendiri dirahasiakan hingga tahun 1998.
Hingga April 2019, satelit SOLRAD/GRAB 1 masih berada di orbit. Sebuah artefak yang dulunya menjadi cadangan untuk SOLRAD/GRAB 1 kini dipajang di Museum Dirgantara Nasional milik Institusi Smithsonian di Washington, D.C..