Klementynka (statek kosmiczny)

Ten artykuł dotyczy amerykańskiej sondy Lunar. Dla francuskiego satelity, zobacz Clementine (satelita) .

Klementyna

Klementyna
Typ misji	Demonstracja technologii Orbiter księżycowy Sonda planetoidy
Operator	BMDO / NASA
IDENTYFIKATOR COSPAR	1994-004A
SATCAT nr.	22973
Czas trwania misji	115 dni
Właściwości statków kosmicznych
Producent	Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej
Uruchom masę	424 kg
Sucha masa	227 kilogramów (500 funtów)
Moc	1850 watów
Początek misji
Data uruchomienia	25 stycznia 1994, 16:34:00 ( 1994-01-25UTC16:34Z ) UTC
Rakieta	Tytan II(23)G
Uruchom witrynę	Vandenberg SLC-4W
Koniec misji
Ostatni kontakt	10 maja 1995 ( 11.05.1995 )
Parametry orbity
Układ odniesienia	selenocentryczny
Półoś wielka	5116,0 km (3178,9 mil)
Ekscentryczność	0,36
Wysokość peryselenowa	2162 km (1343 mil)
Wysokość aposeleńska	4594 km (2855 mil)
Nachylenie	90°
Okres	300 minut
Orbiter księżycowy
Wprowadzenie orbitalne	21 lutego 1994
Odlot z orbity	3 maja 1994
Przyrządy
Teleskop cząstek naładowanych Kamera ultrafioletowa / widzialna Kamera CCD bliskiej podczerwieni (NIR) System detekcji i określania odległości obrazu laserowego (LIDAR) Kamera wysokiej rozdzielczości (HIRES)

Clementine (oficjalnie nazywany Deep Space Program Science Experiment ( DSPSE )) był wspólnym projektem kosmicznym pomiędzy Ballistic Missile Defense Organization (wcześniej Strategic Defence Initiative Organization ) i NASA , wystrzelonym 25 stycznia 1994 roku. Jego celem było przetestowanie czujników i komponentów statków kosmicznych w długotrwałym kontakcie z przestrzenią kosmiczną oraz do prowadzenia naukowych obserwacji zarówno Księżyca, jak i bliskiej Ziemi asteroidy 1620 Geographos .

Wyniki

Obserwacja asteroidy nie została wykonana z powodu awarii statku kosmicznego.

Obserwacje Księżyca obejmowały obrazowanie przy różnych długościach fal w świetle widzialnym, ultrafiolecie i podczerwieni , wysokościomierz laserowy , grawimetrię i pomiary cząstek naładowanych. Obserwacje te miały na celu uzyskanie wielospektralnego obrazowania całej powierzchni Księżyca, ocenę mineralogii powierzchni Księżyca, uzyskanie wysokościomierza od 60N do 60S szerokości geograficznej oraz uzyskanie danych grawitacyjnych dla bliższej strony. Planowano również zobrazować i określić rozmiar, kształt, charakterystykę rotacji, właściwości powierzchni i statystyki kraterów Geographos.

Instrumenty

Clementine Star Tracker widok Księżyca i Wenus w oddali

Clementine przeprowadziła na pokładzie siedem różnych eksperymentów: kamerę UV/Visible, kamerę bliskiej podczerwieni, kamerę na podczerwień o długich falach, kamerę o wysokiej rozdzielczości, dwie kamery śledzące gwiazdy , wysokościomierz laserowy i teleskop naładowanych cząstek. Transponder pasma S był używany do komunikacji, śledzenia i eksperymentu grawimetrycznego. Projekt został nazwany Clementine po piosence „ Oh My Darling, Clementine ”, ponieważ statek kosmiczny miał zostać „zagubiony i zniknął na zawsze” po swojej misji.

Projekt statku kosmicznego

Statek kosmiczny był ośmiokątnym pryzmatem o wysokości 1,88 m i szerokości 1,14 m z dwoma panelami słonecznymi wystającymi po przeciwnych stronach równolegle do osi pryzmatu. 42-calowa (1100 mm) stała antena o dużym zysku znajdowała się na jednym końcu pryzmatu, a ster strumieniowy 489 N na drugim końcu. Wszystkie otwory czujników zostały umieszczone razem na jednym z ośmiu paneli, pod kątem 90 stopni od paneli słonecznych i chronione pojedynczą osłoną czujnika.

napędowy statku kosmicznego składał się z monopropelentowego systemu hydrazynowego do kontroli położenia oraz bipropelentowego systemu tetratlenku azotu i monometylohydrazyny do manewrów w kosmosie. System bipropelentu miał całkowitą Delta-v około 1900 m / s, z około 550 m / s wymaganymi do wstawienia na Księżyc i 540 m / s do odlotu z Księżyca.

Kontrolę położenia osiągnięto za pomocą 12 małych dysz kontrolujących położenie, dwóch śledzących gwiazdy i dwóch inercyjnych jednostek pomiarowych. Statek kosmiczny był stabilizowany w trzech osiach na orbicie księżycowej za pomocą kół reakcyjnych z precyzją 0,05 stopnia w sterowaniu i 0,03 stopnia w wiedzy. Zasilanie zapewniały zawieszone kardanowo , jednoosiowe panele słoneczne GaAs/Ge, które ładowały wspólny akumulator zbiornika ciśnieniowego Nihau ( Ni-H ) o pojemności 15 Ah, 47 W·h/kg .

Przetwarzanie danych statku kosmicznego zostało przeprowadzone przy użyciu komputera MIL-STD-1750A (1,7 MIPS) do trybu zapisu, kontroli położenia i operacji porządkowych, 32-bitowego procesora RISC (18 MIPS) do przetwarzania obrazu i operacji autonomicznych oraz dostarczonego systemu kompresji obrazu przez Francuską Agencję Kosmiczną CNES . Jednostka przetwarzająca dane sekwencjonowała kamery, obsługiwała system kompresji obrazu i kierowała przepływem danych. Dane były przechowywane w dynamicznym półprzewodnikowym rejestratorze danych 2 Gbit.

Misja

Premiera Klementynki

  Animacja trajektorii Clementine wokół Księżyca od 19 lutego 1994 do 3 maja 1994   Clementine ·   Moon

25 stycznia 1994 Clementine została wystrzelona z Space Launch Complex 4 West w Vandenberg Air Force Base w Kalifornii za pomocą rakiety nośnej Titan II . Misja miała dwa etapy. Po dwóch przelotach w pobliżu Ziemi, Księżyc wszedł na orbitę około miesiąca po starcie. Mapowanie Księżyca odbywało się przez około dwa miesiące, w dwóch częściach. Pierwsza część składała się z pięciogodzinnej eliptycznej orbity polarnej z perycentrum około 400 km na 13 stopniu szerokości geograficznej południowej i apocentrum 8300 km. Każda orbita składała się z 80-minutowej fazy mapowania Księżyca w pobliżu perycentrum i 139 minut łącza w dół w apocentrum.

Po miesiącu mapowania orbita została obrócona do perycentrum na 13 stopniach szerokości geograficznej północnej, gdzie pozostała przez kolejny miesiąc. Pozwoliło to na pokrycie globalnego obrazowania i wysokościomierza od 60° na południe do 60° na północ, łącznie na 300 orbitach.

Po przeniesieniu z Księżyca na Ziemię i dwóch kolejnych przelotach w pobliżu Ziemi, statek kosmiczny miał skierować się w stronę 1620 Geographos , docierając trzy miesiące później na przelot, z nominalnym podejściem bliższym niż 100 km. Niestety, 7 maja 1994 roku, po pierwszej orbicie transferowej Ziemi, awaria na pokładzie statku spowodowała, że ​​jeden z silników kontroli położenia działał przez 11 minut, zużywając zapas paliwa i powodując, że Clementine obracała się z prędkością około 80 obrotów na minutę ( patrz NASA Informacje o projekcie Clementine ). W tych warunkach przelot asteroidy nie mógł przynieść użytecznych wyników, więc statek kosmiczny został umieszczony na orbicie geocentrycznej przechodzącej przez pasy promieniowania Van Allena , aby przetestować różne komponenty na pokładzie.

Misja zakończyła się w czerwcu 1994 r., kiedy poziom mocy na pokładzie spadł do punktu, w którym telemetria ze statku kosmicznego przestała być zrozumiała. Jednak „ponieważ statek kosmiczny był szczęśliwie ustawiony we właściwej pozycji do ponownego włączenia, kontrolerzy naziemni byli w stanie na krótko odzyskać kontakt między 20 lutego a 10 maja 1995 r.”.

NASA ogłosiła 5 marca 1998 r., że dane uzyskane z Clementine wskazują, że w polarnych kraterach Księżyca jest wystarczająco dużo wody, aby utrzymać ludzką kolonię i stację tankowania rakiet (patrz Bistatic Radar Experiment ).

Artystyczna koncepcja Clementine w pełni zrealizowana

Instrumenty naukowe

Teleskop naładowanych cząstek (CPT)

Teleskop cząstek naładowanych (CPT) na Clementine został zaprojektowany do pomiaru strumienia i widm energetycznych protonów (3–80 MeV ) i elektronów (25–500 keV). Głównymi celami badań były: (1) zbadanie interakcji ogona magnetycznego Ziemi i wstrząsów międzyplanetarnych z Księżycem; (2) monitorować wiatr słoneczny w regionach oddalonych od innych statków kosmicznych w ramach skoordynowanych badań wielozadaniowych; oraz (3) zmierzyć wpływ padających cząstek na zdolność operacyjną ogniw słonecznych i innych czujników statku kosmicznego.

Aby spełnić restrykcyjne ograniczenie masy instrumentu (<1 kg), zaimplementowano go jako teleskop jednoelementowy. Teleskop miał półkątowe pole widzenia 10 stopni. Detektor typu krzemowa bariera powierzchniowa o powierzchni 100 mm2 ⁱ grubości 3 mm był ekranowany tak, aby protony o energii poniżej 30 MeV nie docierały do ​​niego z kierunków innych niż przez aperturę. Otwór był zasłonięty bardzo cienką folią, aby zapobiec padaniu światła na detektor i generowaniu szumu. Sygnał z detektora został podzielony na dziewięć kanałów, z których sześć najniższych służyło do wykrywania elektronów, a trzy najwyższe do protonów i cięższych jonów.

Kamera ultrafioletowa / widzialna

Księżycowy wir Reiner Gamma przy 750 nm, jak zarejestrowała misja Clementine

Kamera UV/Visible (UV/Vis) została zaprojektowana do badania powierzchni Księżyca i asteroidy Geographos na pięciu różnych długościach fal w widmie ultrafioletowym i widzialnym. Spotkanie Geographos zostało odwołane z powodu awarii sprzętu. Eksperyment ten dostarczył informacji na temat petrologicznych właściwości materiału powierzchniowego na Księżycu, a także dostarczył obrazów przydatnych w badaniach morfologicznych i statystyce kraterów. Większość zdjęć wykonano pod niskimi kątami padania promieni słonecznych, co jest przydatne do badań petrologicznych, ale nie do obserwacji morfologii.

Czujnik składał się z teleskopu katadioptrycznego o aperturze 46 mm i soczewek z topionej krzemionki skupiających się na powlekanej kamerze Thompson CCD o paśmie 250–1000 nm i sześciopozycyjnym kołem filtrowym. Odpowiedź długości fali była ograniczona na krótkim końcu długości fali przez transmisję i rozmycie optyczne obiektywu, a na długim końcu przez odpowiedź CCD. CCD był urządzeniem do przesyłania ramek, które pozwalało na trzy stany wzmocnienia (150, 350 i 1000 elektronów/bit). Czasy całkowania wahały się od 1–40 ms w zależności od stanu wzmocnienia, kąta oświetlenia słonecznego i filtra. Długość fali środka filtra (i szerokość pasma (FWHM)) wynosiła 415 nm (40 nm), 750 nm (10 nm), 900 nm (30 nm), 950 nm (30 nm), 1000 nm (30 nm) i filtr szerokopasmowy obejmujący 400–950 nm. Pole widzenia wynosiło 4,2 × 5,6 stopnia, co przekłada się na szerokość poprzeczną około 40 km na nominalnej wysokości księżycowej 400 km. Tablica obrazów miała wymiary 288 × 384 pikseli. Rozdzielczość pikseli wahała się od 100–325 m podczas pojedynczego przebiegu mapowania orbity na Księżycu. W Geographos rozdzielczość piksela wynosiłaby 25 m przy najbliższym podejściu 100 km, co dałoby rozmiar obrazu około 7 × 10 km. Kamera wykonała dwanaście zdjęć w każdej serii zdjęć trwającej 1,3 s, co miało miejsce 125 razy w ciągu 80-minutowego okresu mapowania podczas każdej pięciogodzinnej orbity wokół Księżyca. powierzchnia Księżyca została całkowicie pokryta podczas dwumiesięcznej fazy mapowania Księżyca w ramach misji. Zakres dynamiczny wynosił 15 000. Stosunek sygnału do szumu wahał się od 25–87 w zależności od albedo powierzchni i kąta fazowego , przy względnej kalibracji 1% i bezwzględnej kalibracji 15%.

Kamera CCD na podczerwień (NIR)

Kamera Clementine Near-Infrared (NIR) została zaprojektowana do badania powierzchni Księżyca i bliskiej Ziemi asteroidy 1620 Geographos na sześciu różnych długościach fal w widmie bliskiej podczerwieni. Ten eksperyment dostarczył informacji na temat petrologii materiału powierzchniowego na Księżycu. Spotkanie z Geographosem zostało odwołane z powodu awarii sprzętu.

Kamera składała się z soczewki katadioptrycznej, która skupiała się na mechanicznie chłodzonej (do temperatury 70 K ) matrycy CCD Amber InSb o paśmie 1100–2800 nm i sześciopozycyjnym kołem filtrowym. Środkowe długości fal filtra (i szerokości pasm (FWHM)) wynosiły: 1100 nm (60 nm), 1250 nm (60 nm), 1500 nm (60 nm), 2000 nm (60 nm), 2600 nm (60 nm) i 2780 nm (120 nm). Przysłona wynosiła 29 mm, a ogniskowa 96 mm. Pole widzenia wynosiło 5,6 × 5,6 stopnia, co daje szerokość poprzeczną około 40 km na nominalnej wysokości księżycowej 400 km. Księżyc miał pełny zasięg mapowania podczas dwumiesięcznej fazy księżycowej misji. Macierz obrazu ma wymiary 256 × 256 pikseli, a rozdzielczość pikseli wahała się od 150–500 m podczas pojedynczego przebiegu mapowania orbity na Księżycu. (W Geographos rozdzielczość piksela przy najbliższym podejściu wynosiłaby 40 m, co dałoby obraz o rozmiarze około 10 × 10 km.) Aparat wykonał dwanaście zdjęć w każdej serii zdjęć trwającej 1,3 s, która wystąpiła 75 razy w ciągu 80-minutowego okresu mapowania podczas każdego pięciogodzinna orbita księżycowa. Zakres dynamiczny wynosił 15 000. sygnału do szumu wahał się od 11–97 w zależności od albedo powierzchni i kąta fazowego, przy względnej kalibracji 1% i bezwzględnej kalibracji 30%. Wzmocnienie wahało się od 0,5X do 36X.

Laserowy system wykrywania i określania odległości obrazu (LIDAR).

Pomiary reliefu wykonane metodą LIDAR

Clementine Laser Image Detection And Ranging ( LIDAR ) został zaprojektowany w celu zmierzenia odległości od statku kosmicznego do punktu na powierzchni Księżyca. Umożliwi to sporządzenie mapy altymetrycznej, którą można wykorzystać do określenia morfologii dużych basenów i innych cech Księżyca, zbadania naprężeń i odkształceń oraz właściwości zginania litosfery, a także można ją połączyć z grawitacją w celu zbadania rozkładu gęstości w Skorupa. Eksperyment miał również na celu pomiar odległości do powierzchni Geographos, ale ta faza misji została odwołana z powodu awarii.

nadajnika laserowego Nd-YAG ( itr -aluminium-granat) o długości fali 180 mJ i długości fali 1064 nm, który transmitował impulsy na powierzchnię Księżyca. Laser wytwarzał impuls o szerokości mniejszej niż 10 ns. Przy długości fali 1064 nm impuls miał energię 171 mJ przy rozbieżności mniejszej niż 500 mikroradów. Przy 532 nm miał impuls 9 mJ z rozbieżnością 4 miliradów. Odbity impuls przeszedł przez teleskop High-Resolution Camera, gdzie został odszczepiony przez filtr dichroiczny do krzemowego fotodiody lawinowej. Detektor był pojedynczym odbiornikiem SiAPD o wymiarach 0,5 × 0,5 mm z polem widzenia 0,057 stopnia kwadratowego. Laser miał masę 1250 g, odbiornik mieścił się w ważącej 1120 g kamerze HIRES. Czas podróży impulsu dał zasięg do powierzchni. Pamięć LIDAR może zapisać do sześciu wykrytych powrotów na wystrzelenie lasera, z progiem ustawionym dla najlepszego kompromisu między pominiętymi wykryciami a fałszywymi alarmami. Zwroty były przechowywane w pojemnikach o zasięgu 39,972 m, równym rozdzielczości 14-bitowego licznika zegara. LIDAR ma nominalny zasięg 500 km, ale dane altymetryczne zebrano dla wysokości do 640 km, co umożliwiło pokrycie od 60 stopni na południe do 60 stopni na północ do końca księżycowej fazy misji. Rozdzielczość pionowa wynosi 40 m, a rozdzielczość punktowa pozioma około 100 m. Rozstaw torów pomiarów na równiku wynosił około 40 km. Jeden pomiar wykonywano co sekundę przez okres 45 minut podczas każdej orbity, dając odstęp wzdłuż torów wynoszący 1–2 km.

Kamera o wysokiej rozdzielczości (HIRES)

Kamera wysokiej rozdzielczości Clementine składała się z teleskopu ze wzmacniaczem obrazu i przetwornika obrazu CCD z transferem klatek . System obrazowania został zaprojektowany do badania wybranych fragmentów powierzchni Księżyca i bliskiej Ziemi asteroidy 1620 Geographos, chociaż spotkanie asteroidy zostało odwołane z powodu awarii. Eksperyment ten umożliwił szczegółowe badanie procesów powierzchniowych na Księżycu, aw połączeniu z danymi spektralnymi umożliwił przeprowadzenie badań składu i geologii w wysokiej rozdzielczości.

Kamerą była wzmocniona kamera Thompson CCD z sześciopozycyjnym kołem filtrowym. Zestaw filtrów składał się z filtra szerokopasmowego o paśmie od 400 do 800 nm, czterech filtrów wąskopasmowych o środkowych długościach fal (i szerokości pasma (FWHM)) 415 nm (40 nm), 560 nm (10 nm) , 650 nm (10 nm) i 750 nm (20 nm) oraz 1 nieprzezroczystą osłonę chroniącą wzmacniacz obrazu. Pole widzenia wynosiło 0,3 x 0,4 stopnia, co przekładało się na szerokość około 2 km na nominalnej wysokości księżycowej 400 km. Macierz obrazu ma wymiary 288 × 384 pikseli (rozmiar piksela 23 × 23 mikrometry), więc rozdzielczość pikseli na Księżycu wynosiła 7–20 m, w zależności od wysokości statku kosmicznego. (W Geographos rozdzielczość byłaby mniejsza niż 5 m przy największym podejściu). Jasna apertura wynosiła 131 mm, a ogniskowa 1250 mm. Nominalna szybkość obrazowania wynosiła około 10 klatek na sekundę w pojedynczych seriach obrazów obejmujących wszystkie filtry na Księżycu. Wysoka rozdzielczość i małe pole widzenia pozwoliły na pokrycie tylko wybranych obszarów Księżyca, w postaci długich, wąskich pasów jednego koloru lub krótszych pasów do czterech kolorów. Instrument ma stosunek sygnału do szumu od 13 do 41, w zależności od albedo i kąta fazowego, z kalibracją względną 1% i kalibracją bezwzględną 20% oraz zakresem dynamicznym 2000.

Teleskop kamery wysokiej rozdzielczości był współdzielony z instrumentem LIDAR. Laser powrotny o długości fali 1064 nm został podzielony na odbiornik LIDAR (detektor fotodiody lawinowej) za pomocą filtra dichroicznego.

Obrazy z HIRES można przeglądać w oprogramowaniu NASA World Wind .

Cztery ortograficzne widoki Księżyca

Bliski bok	Strona spływu	Daleko z boku	Wiodąca strona
0°	90°	180°	270°

Regiony polarne (prostopadłe, wyśrodkowane na biegunie)

Biegun północny	Biegun południowy

Eksperyment z radarem bistatycznym

„ Eksperyment z radarem bistatycznym ”, zaimprowizowany podczas misji, miał na celu poszukiwanie śladów wody księżycowej na biegunach Księżyca. Sygnały radiowe z Clementine zostały skierowane w kierunku północnych i południowych regionów polarnych Księżyca, a ich odbicia zostały wykryte przez odbiorniki Deep Space Network na Ziemi. Analiza wielkości i polaryzacji odbitych sygnałów sugeruje obecność lotnych lodów, interpretowanych jako zawierające lód wodny, w powierzchniowych glebach Księżyca. Ogłoszono możliwe złoża lodu odpowiadające sporemu jezioru. Jednak późniejsze badania przeprowadzone przy użyciu radioteleskopu Arecibo wykazały podobne wzorce odbicia nawet z obszarów, które nie są w ciągłym cieniu (i w których takie substancje lotne nie mogą się utrzymywać), co prowadzi do sugestii, że wyniki Clementine zostały źle zinterpretowane i prawdopodobnie były spowodowane innymi czynnikami, takimi jak jako chropowatość powierzchni.

Po misji księżycowej

7 maja 1994 (UTC) Clementine doświadczyła awarii komputera po opuszczeniu orbity Księżyca. Awaria spowodowała zużycie pozostałego paliwa napędowego, obracając statek kosmiczny do 80 obrotów na minutę. Był używany na orbicie geocentrycznej do końca swojej misji, ale podróż asteroidy została przerwana 2 maja.

Artefakty

Inżynierski model statku kosmicznego Clementine wisi w Air & Space Museum w Waszyngtonie.

Linki zewnętrzne

• Clementine Mission Profile przez NASA's Solar System Exploration
• Przegląd misji Clementine przez Naval Research Laboratory
• Informacje o projekcie Clementine
• Przegląd misji Clementine
• CLEMENTINE - OBRAZY USGS
• Zdjęcia prasowe z Departamentu Obrony USA
• Strona misji NASA PDS Imaging Node Clementine zarchiwizowana 31 lipca 2020 r. W Wayback Machine
• Odkrywanie Księżyca: misja Clementine