Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer ( LADEE ; / ˈ l æ d i / ) [5] был миссией NASA по исследованию Луны и демонстрации технологий . Он был запущен на ракете Minotaur V с Среднеатлантического регионального космодрома 7 сентября 2013 года. [6] В течение своей семимесячной миссии LADEE вращался вокруг экватора Луны, используя свои инструменты для изучения лунной экзосферы и пыли в окрестностях Луны. Инструменты включали детектор пыли, спектрометр нейтральной массы и ультрафиолетово-видимый спектрометр , а также демонстрацию технологий, состоящую из лазерного коммуникационного терминала. [7] Миссия завершилась 18 апреля 2014 года, когда диспетчеры космического корабля намеренно разбили LADEE на обратной стороне Луны , [8] [9] которая, как позже было определено, находилась вблизи восточного края кратера Сундман V. [10]
LADEE был анонсирован во время презентации бюджета NASA на 2009 финансовый год в феврале 2008 года. [11] Первоначально планировалось запустить его вместе со спутниками Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL). [12]
Механические испытания, включая акустические , вибрационные и ударные , были завершены перед полномасштабными испытаниями в термовакуумной камере в исследовательском центре Эймса НАСА в апреле 2013 года. [13] В августе 2013 года LADEE прошел окончательную балансировку, заправку и установку на пусковую установку, а все предпусковые мероприятия были завершены к 31 августа, и ракета была готова к стартовому окну, которое открылось 6 сентября. [14]
NASA Ames отвечал за повседневные функции LADEE, в то время как Центр космических полетов имени Годдарда управлял комплектом датчиков и демонстрационными технологическими нагрузками, а также управлял операциями по запуску. [15] Миссия LADEE обошлась примерно в 280 миллионов долларов, включая разработку космического корабля и научных приборов, услуги по запуску, операции по миссии, обработку научных данных и поддержку ретрансляции. [1]
Луна может иметь разреженную атмосферу из движущихся частиц, постоянно выпрыгивающих с поверхности Луны и падающих обратно на нее, что приводит к образованию «пылевой атмосферы», которая выглядит статичной, но состоит из частиц пыли в постоянном движении. Согласно моделям, предложенным с 1956 года, [17] на дневной стороне Луны солнечное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достаточно энергично, чтобы выбивать электроны из атомов и молекул в лунном грунте. Положительные заряды накапливаются до тех пор, пока мельчайшие частицы лунной пыли (размером 1 микрометр и меньше) не отталкиваются от поверхности и не поднимаются на высоту от нескольких метров до нескольких километров, причем самые мелкие частицы достигают самых больших высот. [17] [18] [19] [20] В конце концов они падают обратно на поверхность, где процесс повторяется. На ночной стороне пыль отрицательно заряжена электронами в солнечном ветре . Действительно, «модель фонтана» предполагает, что ночная сторона будет заряжаться до более высоких напряжений, чем дневная сторона, возможно, запуская частицы пыли на более высокие скорости и высоты. [18] Этот эффект может быть еще больше усилен во время части орбиты Луны, где она проходит через хвост магнитосферы Земли ; [21] см. Магнитное поле Луны для более подробной информации. На терминаторе могут быть значительные горизонтальные электрические поля, образующиеся между дневными и ночными областями, что приведет к горизонтальному переносу пыли. [21]
Также было показано, что у Луны есть « натриевый хвост », слишком слабый, чтобы его можно было обнаружить человеческим глазом. Он имеет длину в сотни тысяч миль и был обнаружен в 1998 году в результате наблюдения учеными Бостонского университета метеорного шторма Леониды . Луна постоянно выделяет атомарный натриевый газ со своей поверхности, а давление солнечного излучения ускоряет атомы натрия в антисолнечном направлении, образуя удлиненный хвост, который указывает в сторону от Солнца. [22] [23] [24] По состоянию на апрель 2013 года еще не было определено, являются ли ионизированные атомы натриевого газа или заряженная пыль причиной зарегистрированного свечения Луны. [25]
Китайский космический аппарат «Чанъэ-3» , запущенный 1 декабря 2013 года и вышедший на лунную орбиту 6 декабря [26] , как ожидалось, загрязнит разреженную лунную экзосферу как топливом от работы двигателей, так и лунной пылью от посадки аппарата. [27] Хотя высказывались опасения, что это может нарушить миссию LADEE, [27] например, его базовые показания экзосферы Луны, вместо этого он предоставил дополнительную научную ценность, поскольку были известны как количество, так и состав выхлопных газов двигательной системы космического корабля. [28] Данные с LADEE использовались для отслеживания распределения и возможного рассеивания выхлопных газов и пыли в экзосфере Луны. [28] [29] Также можно было наблюдать миграцию воды , одного из компонентов выхлопных газов, что дало представление о том, как она транспортируется и оказывается в ловушке вокруг лунных полюсов. [30]
Миссия LADEE была разработана для решения трех основных научных задач: [31]
и одна цель демонстрации технологии :
LADEE был запущен 7 сентября 2013 года в 03:27 UTC (6 сентября, 23:27 EDT) с космодрома Уоллопс в Среднеатлантическом региональном космодроме на ракете-носителе Minotaur V. [33] Это была первая лунная миссия, запущенная с этого объекта. Запуск имел потенциальную возможность видимости вдоль большей части восточного побережья США, от Мэна до Южной Каролины; ясная погода позволила многочисленным наблюдателям от Нью-Йорка до Вирджинии наблюдать за подъемом, отключением первой ступени и зажиганием второй ступени. [34]
Поскольку Minotaur V — это твердотопливная ракета , управление ориентацией космического корабля в этой миссии работало немного иначе, чем у типичной жидкотопливной ракеты с более непрерывной обратной связью замкнутого цикла . Первые три ступени Minotaur «летят по заранее запрограммированному профилю ориентации», чтобы набрать скорость и вывести корабль на предварительную траекторию, в то время как четвертая ступень используется для изменения профиля полета и доставки космического корабля LADEE в перигей для стабилизируемой вращением пятой ступени, чтобы затем вывести космический корабль на высокоэллиптическую орбиту вокруг Земли — первую из трех — чтобы начать месячный транзит Луны. [35]
Хотя четвертая и пятая ступени Minotaur V уже отделены от космического корабля LADEE, они достигли орбиты и теперь являются космическим мусором на околоземной орбите . [3]
Фотография запуска с лягушкой, подброшенной волной давления, стала популярной в социальных сетях. Состояние лягушки неопределенное. [36] [37]
LADEE применил необычный подход к своему транзиту вокруг Луны . Запущенный на высокоэллиптической околоземной орбите , космический аппарат сделал три все более длинных витка вокруг Земли [3], прежде чем приблизиться достаточно близко, чтобы выйти на лунную орбиту . Транзит занял примерно один месяц. [38]
После отделения от Минотавра в реактивных колесах спутника были обнаружены высокие электрические токи, что привело к их отключению. Не было никаких признаков неисправности, и после того, как пределы защиты были скорректированы, ориентация с помощью реактивных колес была возобновлена на следующий день. [39]
Космический аппарат LADEE совершил три «фазирующих орбиты » Земли, прежде чем он совершил выход на лунную орбиту (LOI), который произошел в перигее третьей орбиты с использованием трехминутного включения двигателя. [3] Целевая орбита для третьей околоземной орбиты имела перигей 200 километров (120 миль), апогей 278 000 км (173 000 миль) и наклонение 37,65 градуса. Планируемый аргумент перигея составляет 155 градусов, в то время как его характерная энергия , C3, составляет -2,75 км 2 /с 2 . [3] Новая траектория с использованием орбитальных фазирующих петель была сделана по четырем основным причинам: [40]
LADEE вышел на лунную орбиту 6 октября 2013 года, когда LADEE был выведен на эллиптическую орбиту захвата продолжительностью 24 часа. [41] LADEE был дополнительно понижен на четырехчасовую орбиту 9 октября 2013 года, [42] Еще одно включение произошло 12 октября, опустив LADEE на круговую орбиту вокруг Луны высотой приблизительно 250 километров (160 миль) для фазы ввода в эксплуатацию, которая длилась около 30 дней. [43] Системы и приборы LADEE были проверены после того, как орбита была понижена до высоты 75 км (47 миль). [3]
Импульсная лазерная система Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) LADEE провела успешное испытание 18 октября 2013 года, передавая данные между космическим аппаратом и его наземной станцией на Земле на расстоянии 385 000 километров (239 000 миль). В ходе этого испытания был установлен рекорд скорости передачи данных от космического аппарата к земле в 622 мегабита в секунду (Мбит/с) и «скорость безошибочной загрузки данных в 20 Мбит/с» от наземной станции к космическому аппарату. [44] Испытания проводились в течение 30-дневного испытательного периода. [45]
LLCD — это система оптической связи в свободном пространстве . Это первая попытка NASA организовать двустороннюю космическую связь с использованием оптического лазера вместо радиоволн . Ожидается, что это приведет к созданию действующих лазерных систем на будущих спутниках NASA.
Для научных операций LADEE был выведен на орбиту с периселением 20 км (12 миль) и апоселением 60 км (37 миль). [1] Первоначально научная фаза основной миссии LADEE была запланирована на 100 дней, [3] а затем продлена на 28 дней. Продление предоставило спутнику возможность собрать дополнительные данные за полный лунный цикл с очень низкой высоты, чтобы помочь ученым раскрыть природу разреженной экзосферы Луны. [46]
Диспетчеры космического корабля приказали включить последний двигатель 11 апреля 2014 года, чтобы опустить LADEE на расстояние 2 км (1 мили) от поверхности Луны и подготовить его к столкновению не позднее 21 апреля. [8] [9] [47] Затем зонд столкнулся с лунным затмением 15 апреля 2014 года , во время которого он не мог вырабатывать электроэнергию, поскольку находился в тени Земли в течение четырех часов. [48] Научные приборы были выключены, а обогреватели работали во время события, чтобы экономить энергию, но при этом поддерживать тепло космического корабля. [48] Инженеры не ожидали, что LADEE выживет, так как он не был предназначен для работы в таких условиях, но он вышел из затмения всего с несколькими неисправностями датчиков давления. [9]
Во время предпоследней орбиты 17 апреля перицентр LADEE прошёл в пределах 300 м (1000 футов) от лунной поверхности. [49] Контакт с космическим аппаратом был потерян около 04:30 UTC 18 апреля, когда он прошёл за Луной. [8] [50] LADEE врезался в обратную сторону Луны в какой-то момент между 04:30 и 05:22 на скорости 5800 км/ч (3600 миль/ч). [9] [49] Обратная сторона Луны была выбрана, чтобы избежать возможности повреждения исторически важных мест, таких как места посадки Луны и Аполлона . [8] НАСА использовало Lunar Reconnaissance Orbiter для получения изображения места удара, которое было определено как находящееся вблизи восточного края кратера Сундман V. [10] [47] [49]
LADEE — первый космический корабль , спроектированный , интегрированный , построенный и испытанный Исследовательским центром Эймса НАСА . [51] Космический корабль имеет новую конструкцию ( никогда ранее не летавший космический корабль ) и гораздо более низкую стоимость, чем типичные научные миссии НАСА, что поставило перед группой проектирования траектории новые задачи по запуску нового космического корабля на Луну с высоконадежным планом траектории космического полета, имея дело с новой ракетой первого использования (Minotaur V) и космическим кораблем без наследия летных испытаний . (см. Лунный транзит выше.) [51]
Миссия LADEE использует Modular Common Spacecraft Bus , или корпус, изготовленный из легкого углеродного композита с массой без топлива 248,2 кг (547 фунтов). Автобус способен выполнять различные виды миссий, включая полеты на Луну и околоземные объекты , с различными модулями или применимыми системами. Эта модульная концепция является инновационным способом перехода от индивидуальных проектов к многоцелевым проектам и конвейерному производству, что может значительно снизить стоимость разработки космических аппаратов. [52] Модули автобуса космического корабля LADEE состоят из модуля радиатора, который несет авионику, электрическую систему и датчики положения; модуля автобуса; модуля полезной нагрузки, который несет два самых больших прибора; и модулей расширения, в которых размещается двигательная установка. [1]
Основная конструкция имеет высоту 2,37 м (7,8 фута), ширину 1,85 м (6,1 фута) и глубину 1,85 м (6,1 фута). Общая масса космического корабля составляет 383 кг (844 фунта). [1]
Электроэнергия вырабатывалась фотоэлектрической системой, состоящей из 30 панелей кремниевых солнечных элементов, вырабатывающих 295 Вт на одну а.е. Солнечные панели были установлены на внешних поверхностях спутника, а электроэнергия хранилась в одной литий-ионной батарее, обеспечивающей до 24 Ач при 28- вольтовой мощности. [1]
Двигательная система LADEE состояла из системы управления орбитой (OCS) и системы управления реакцией (RCS). OCS обеспечивала управление скоростью вдоль оси + Z для больших скоростных корректировок. RCS обеспечивала трехосное управление ориентацией во время работы системы OCS, а также обеспечивала сбросы импульса для реактивных колес , которые были основной системой управления ориентацией между работами OCS. [33]
Основным двигателем был 455 Н High Performance Apogee Thruster (HiPAT). Высокоэффективные двигатели управления ориентацией 22 Н изготовлены с использованием высокотемпературных материалов и аналогичны HiPAT. Основной двигатель обеспечивал большую часть тяги для маневров коррекции траектории космического корабля. Двигатели системы управления использовались для небольших маневров, запланированных для научной фазы миссии. [1]
После научной фазы наступил период вывода из эксплуатации, в течение которого высота постепенно снижалась до тех пор, пока космический корабль не коснулся поверхности Луны. [1]
На борту LADEE находились три научных прибора и полезная нагрузка для демонстрации технологий.
Научная полезная нагрузка состоит из: [53]
LADEE также нес демонстрационную полезную нагрузку для тестирования оптической системы связи . Демонстрация лазерной связи с Луной (LLCD) использовала лазер для передачи и приема данных в виде импульсов света, во многом так же, как данные передаются по оптоволоконному кабелю. Были использованы три наземные станции. Этот метод связи потенциально может обеспечить скорость передачи данных в пять раз выше, чем предыдущая система радиочастотной связи. [32] [55] Эта технология является прямым предшественником системы NASA Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), которая должна была быть запущена в 2017 году, [56] [57] и фактически запущена в 2021 году. [58]
Научные группы LADEE продолжили анализ данных, полученных во время посадки «Чанъэ-3» 14 декабря 2013 года. [59]
Команда LADEE включала в себя участников из штаб-квартиры NASA, Вашингтон, округ Колумбия, исследовательского центра Ames NASA, Моффетт-Филд, Калифорния, Центра космических полетов имени Годдарда NASA, Гринбелт, Мэриленд , и Лаборатории физики атмосферы и космоса в Университете Колорадо в Боулдере. [63] Приглашенные исследователи включают в себя представителей Калифорнийского университета в Беркли; Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, Лорел, Мэриленд; Университета Колорадо; Университета Мэриленда; и Центра космических полетов имени Годдарда NASA, Гринбелт, Мэриленд. [63]
LADEE также может измерять пыль, которая может быть поднята над поверхностью Луны при посадке Chang'e 3.