Clementine (официально именуемый Deep Space Program Science Experiment ( DSPSE )) — совместный космический проект Организации по противоракетной обороне (ранее — Организация стратегической оборонной инициативы ) и НАСА , запущенный 25 января 1994 года. Его целью было испытание датчиков и компонентов космического аппарата в условиях длительного воздействия космоса, а также проведение научных наблюдений как за Луной, так и за околоземным астероидом 1620 Geographos .
Наблюдение за астероидом не проводилось из-за неисправности космического корабля.
Лунные наблюдения включали получение изображений на различных длинах волн в видимом, а также в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах , лазерную альтиметрию , гравиметрию и измерения заряженных частиц. Эти наблюдения проводились с целью получения многоспектральных изображений всей лунной поверхности, оценки поверхностной минералогии Луны, получения альтиметрии от 60N до 60S широты и получения данных о гравитации для ближней стороны. Также планировалось получить изображения и определить размер, форму, характеристики вращения, свойства поверхности и статистику кратерообразования Geographos.
Космический корабль представлял собой восьмиугольную призму высотой 1,88 м и шириной 1,14 м [4] с двумя солнечными панелями, выступающими на противоположных сторонах параллельно оси призмы. Высокоусиленная фиксированная антенна диаметром 42 дюйма (1100 мм) находилась на одном конце призмы, а двигатель 489 Н — на другом конце. Отверстия датчиков были расположены все вместе на одной из восьми панелей, под углом 90 градусов к солнечным панелям, и защищены одной крышкой датчика.
Двигательная установка космического корабля состояла из монотопливной гидразиновой системы для управления ориентацией и двухтопливной азотной тетроксидной и монометилгидразиновой системы для маневров в космосе. Двухтопливная система имела общую способность Delta-v около 1900 м/с, при этом для входа на Луну требовалось около 550 м/с, а для отлета с Луны — 540 м/с.
Управление ориентацией осуществлялось с помощью 12 небольших струй управления ориентацией, двух звездных трекеров и двух инерциальных измерительных блоков. Космический корабль был стабилизирован по трем осям на лунной орбите с помощью маховиков с точностью 0,05 градуса в управлении и 0,03 градуса в знаниях. Питание обеспечивалось карданными , одноосными, солнечными панелями GaAs/Ge, которые заряжали обычную батарею Nihau ( Ni-H ) с сосудом под давлением емкостью 15 А·ч, 47 Вт·ч/кг .
Обработка данных космического корабля выполнялась с использованием компьютера MIL-STD-1750A (1,7 MIPS) для безопасного режима, управления ориентацией и операций по обслуживанию, 32-битного процессора RISC (18 MIPS) для обработки изображений и автономных операций, а также системы сжатия изображений, предоставленной Французским космическим агентством CNES . Блок обработки данных управлял камерами, управлял системой сжатия изображений и направлял поток данных. Данные хранились в динамическом твердотельном регистраторе данных емкостью 2 Гбит.
25 января 1994 года Clementine был запущен с космодрома 4 West на авиабазе Ванденберг , Калифорния, с помощью ракеты-носителя Titan II . Миссия состояла из двух фаз. После двух пролетов Земли, выход на поверхность Луны был осуществлен примерно через месяц после запуска. Картографирование Луны проводилось в течение примерно двух месяцев в две части. Первая часть состояла из пятичасовой эллиптической полярной орбиты с перицентром около 400 км на 13 градусах южной широты и апоцентром 8300 км. Каждая орбита состояла из 80-минутной фазы картографирования Луны вблизи перицентра и 139 минут связи в апоцентре.
После одного месяца картографирования орбита была повернута в перицентр на 13 градусах северной широты, где она оставалась еще один месяц. Это позволило провести глобальное съемочное и альтиметрическое покрытие от 60° южной широты до 60° северной широты, в общей сложности на 300 орбитах.
После перехода с Луны на Землю и еще двух пролетов Земли космический корабль должен был направиться к 1620 Geographos , прибыв туда три месяца спустя для пролета с номинальным сближением менее чем на 100 км. К сожалению, 7 мая 1994 года, после первой орбиты перехода к Земле, неисправность на борту корабля привела к тому, что один из двигателей управления ориентацией работал в течение 11 минут, израсходовав запас топлива и заставив Клементину вращаться со скоростью около 80 об/мин. [5] В этих условиях пролет астероида не мог дать полезных результатов, поэтому космический корабль был выведен на геоцентрическую орбиту, проходящую через радиационные пояса Ван Аллена, для проверки различных компонентов на борту.
Миссия завершилась в июне 1994 года, когда уровень мощности на борту упал до точки, при которой телеметрия с космического корабля перестала быть понятной. Однако, «поскольку космический корабль по счастливой случайности оказался в правильном положении для повторного включения, наземные диспетчеры смогли на короткое время восстановить контакт между 20 февраля и 10 мая 1995 года». [3]
5 марта 1998 года НАСА объявило, что данные, полученные с Клементины, указывают на то, что в полярных кратерах Луны достаточно воды для поддержания человеческой колонии и ракетной заправочной станции (см. Бистатический радиолокационный эксперимент).
Телескоп заряженных частиц (CPT) на Clementine был разработан для измерения потока и спектров энергичных протонов (3–80 МэВ ) и электронов (25–500 кэВ). Основными целями исследования были: (1) изучение взаимодействия хвоста магнитосферы Земли и межпланетных ударных волн с Луной; (2) мониторинг солнечного ветра в регионах, удаленных от других космических аппаратов, в рамках многоцелевого скоординированного исследования; и (3) измерение влияния падающих частиц на работоспособность солнечных батарей и других датчиков космического аппарата.
Чтобы соответствовать строгому ограничению по массе прибора (<1 кг), он был реализован как одноэлементный телескоп. Телескоп имел поле зрения в 10 градусов половинного угла. Детектор, кремниевый поверхностно-барьерного типа, площадью 100 мм 2 и толщиной 3 мм, был экранирован таким образом, чтобы не допустить попадания протонов ниже 30 МэВ с направлений, отличных от апертуры. Апертура была закрыта очень тонкой фольгой, чтобы предотвратить попадание света на детектор и генерацию шума. Сигнал с детектора был разбит на девять каналов, шесть нижних были предназначены для обнаружения электронов, а три верхних — для протонов и более тяжелых ионов.
Ультрафиолетовая/видимая камера (UV/Vis) была разработана для изучения поверхности Луны и астероида Geographos на пяти различных длинах волн в ультрафиолетовом и видимом спектре. Встреча Geographos была отменена из-за неисправности оборудования. Этот эксперимент дал информацию о петрологических свойствах поверхностного материала на Луне, а также предоставил изображения, полезные для морфологических исследований и статистики кратерообразования. Большинство изображений были сделаны под низкими углами к Солнцу, что полезно для петрологических исследований, но не для наблюдения за морфологией.
Датчик состоял из катадиоптрического телескопа с апертурой 46 мм и линзами из плавленого кварца, сфокусированными на покрытую ПЗС-камеру Томпсона с полосой пропускания 250–1000 нм и шестипозиционным колесом фильтров. Реакция длины волны была ограничена на коротковолновом конце пропусканием и оптическим размытием линзы, а на длинном конце реакцией ПЗС. ПЗС представляла собой устройство передачи кадров, допускавшее три состояния усиления (150, 350 и 1000 электронов/бит). Время интегрирования варьировалось от 1 до 40 мс в зависимости от состояния усиления, угла солнечного освещения и фильтра. Центральные длины волн фильтра (и ширина полосы пропускания (FWHM)) составляли 415 нм (40 нм), 750 нм (10 нм), 900 нм (30 нм), 950 нм (30 нм), 1000 нм (30 нм), а широкополосный фильтр охватывал 400–950 нм. Поле зрения составляло 4,2 × 5,6 градуса, что соответствует ширине поперечного следа около 40 км на номинальной высоте Луны 400 км. Массив изображений составлял 288 × 384 пикселей. Разрешение пикселей варьировалось от 100 до 325 м во время одного орбитального картографирования Луны. В Geographos разрешение пикселей составляло 25 м при максимальном сближении в 100 км, что давало размер изображения около 7 × 10 км. Камера делала двенадцать снимков в каждой серии изображений продолжительностью 1,3 с, что происходило 125 раз за 80-минутный интервал картирования в течение каждой пятичасовой лунной орбиты. Поверхность Луны была полностью покрыта в течение двухмесячной фазы лунного картирования миссии. Динамический диапазон составлял 15 000. Отношение сигнал/шум варьировалось от 25 до 87 в зависимости от альбедо поверхности и фазового угла с относительной калибровкой 1% и абсолютной калибровкой 15%.
Камера Clementine Near-Infrared (NIR) была разработана для изучения поверхности Луны и околоземного астероида 1620 Geographos на шести различных длинах волн в ближнем инфракрасном спектре. Этот эксперимент дал информацию о петрологии поверхностного материала на Луне. Встреча с Geographos была отменена из-за неисправности оборудования.
Камера состояла из катадиоптрического объектива, который фокусировался на механически охлаждаемом (до температуры 70 К ) янтарном InSb CCD-матрице фокальной плоскости с полосой пропускания 1100–2800 нм и шестипозиционным колесом фильтров. Центральные длины волн фильтра (и ширина полосы пропускания (FWHM)) составляли: 1100 нм (60 нм), 1250 нм (60 нм), 1500 нм (60 нм), 2000 нм (60 нм), 2600 нм (60 нм) и 2780 нм (120 нм). Апертура составляла 29 мм с фокусным расстоянием 96 мм. Поле зрения составляло 5,6 × 5,6 градусов, что давало ширину поперечного следа около 40 км при номинальной высоте Луны 400 км. Луна имела полное картографическое покрытие в течение двухмесячной лунной фазы миссии. Размер матрицы изображений составляет 256 × 256 пикселей, а разрешение пикселей варьировалось от 150 до 500 м во время одного запуска картографирования орбиты Луны. (В Geographos разрешение пикселей составляло бы 40 м при самом близком сближении, что давало бы размер изображения около 10 × 10 км.) Камера делала двенадцать снимков в каждой серии изображений длительностью 1,3 с, что происходило 75 раз за 80-минутный интервал картирования в течение каждой пятичасовой лунной орбиты. Динамический диапазон составлял 15 000. Отношение сигнал/шум варьировалось от 11 до 97 в зависимости от альбедо поверхности и фазового угла с относительной калибровкой 1% и абсолютной калибровкой 30%. Коэффициент усиления варьировался от 0,5X до 36X.
Эксперимент Clementine Laser Image Detection And Ranging ( LIDAR ) был разработан для измерения расстояния от космического корабля до точки на поверхности Луны. Это позволит создать альтиметрическую карту, которую можно использовать для ограничения морфологии крупных бассейнов и других лунных объектов, изучения напряжений, деформаций и изгибных свойств литосферы, а также можно объединить с гравитацией для изучения распределения плотности в коре. Эксперимент также был разработан для измерения расстояний до поверхности Географоса, но эта фаза миссии была отменена из-за неисправности.
Система LIDAR состояла из лазерного передатчика Nd-YAG ( иттрий -алюминиевый гранат) мощностью 180 мДж и длиной волны 1064 нм, который передавал импульсы на поверхность Луны. Лазер создавал импульс шириной менее 10 нс. На длине волны 1064 нм импульс имел энергию 171 мДж с расходимостью менее 500 микрорад. На 532 нм он имел импульс 9 мДж с расходимостью 4 миллирад. Отраженный импульс проходил через телескоп камеры высокого разрешения, где он разделялся дихроичным фильтром на кремниевый лавинный фотодиодный детектор. Детектор представлял собой одиночный приемник SiAPD размером 0,5 × 0,5 мм с полем зрения 0,057 квадратных градусов. Лазер имел массу 1250 г, приемник был размещен в камере HIRES весом 1120 г. Время прохождения импульса давало дальность до поверхности. Память LIDAR могла сохранять до шести обнаружений возврата на одно срабатывание лазера с порогом, установленным для наилучшего компромисса между пропущенными обнаружениями и ложными тревогами. Возвращения сохранялись в ячейках дальности 39,972 м, что равно разрешению 14-битного счетчика часов. LIDAR имеет номинальную дальность 500 км, но альтиметрические данные собирались для высот до 640 км, что позволяло охватить от 60 градусов южной широты до 60 градусов северной широты к концу лунной фазы миссии. Вертикальное разрешение составляет 40 м, а горизонтальное разрешение пятна — около 100 м. Поперечное расстояние между измерениями на экваторе составляло около 40 км. Одно измерение выполнялось каждую секунду в течение 45-минутного периода во время каждого витка, что давало продольное расстояние между треками 1–2 км.
Камера высокого разрешения Clementine состояла из телескопа с усилителем изображения и ПЗС- камеры с передачей кадров. Система формирования изображений была разработана для изучения выбранных участков поверхности Луны и околоземного астероида 1620 Geographos, хотя встреча с астероидом была отменена из-за неисправности. Этот эксперимент позволил детально изучить поверхностные процессы на Луне и, в сочетании со спектральными данными, позволил провести композиционные и геологические исследования с высоким разрешением.
В качестве усилителя изображения использовалась усиленная ПЗС-камера Томпсона с шестипозиционным колесом фильтров. Набор фильтров состоял из широкополосного фильтра с полосой пропускания от 400 до 800 нм, четырех узкополосных фильтров с центральными длинами волн (и шириной полосы пропускания (FWHM)) 415 нм (40 нм), 560 нм (10 нм), 650 нм (10 нм) и 750 нм (20 нм) и 1 непрозрачной крышки для защиты усилителя изображения. Поле зрения составляло 0,3 x 0,4 градуса, что соответствует ширине около 2 км при номинальной высоте Луны 400 км. Матрица изображения составляет 288 × 384 пикселей (размер пикселя 23 × 23 микрометра), поэтому разрешение пикселей на Луне составляло 7–20 м в зависимости от высоты космического корабля. (В Geographos разрешение было бы <5 м при максимальном сближении.) Чистая апертура составляла 131 мм, а фокусное расстояние — 1250 мм. Номинальная скорость съемки составляла около 10 кадров в секунду в отдельных сериях изображений, охватывающих все фильтры на Луне. Высокое разрешение и малое поле зрения позволяли охватывать только выбранные области Луны в виде либо длинных узких полос одного цвета, либо более коротких полос до четырех цветов. Прибор имеет отношение сигнал/шум от 13 до 41 в зависимости от альбедо и фазового угла с 1% относительной калибровкой и 20% абсолютной калибровкой, а также динамический диапазон 2000.
Телескоп камеры высокого разрешения был совместно использован инструментом LIDAR. Возврат лазера 1064 нм был разделен на приемник LIDAR (лавинный фотодиодный детектор) с использованием дихроичного фильтра.
Изображения, полученные с помощью спутника HIRES, можно просматривать в программном обеспечении NASA World Wind .
« Бистатический радиолокационный эксперимент», импровизированный во время миссии, был разработан для поиска доказательств наличия лунной воды на полюсах Луны. Радиосигналы от передатчика зонда Clementine были направлены в сторону северных и южных полярных регионов Луны, и их отражения были обнаружены приемниками Deep Space Network на Земле. Анализ величины и поляризации отраженных сигналов показал наличие летучих льдов, интерпретируемых как включающих водяной лед, в поверхностных почвах Луны. Было объявлено о возможном наличии ледяного отложения, эквивалентного озеру большого размера. Однако более поздние исследования, проведенные с использованием радиотелескопа Arecibo, показали похожие модели отражения даже из областей, не находящихся в постоянной тени (и в которых такие летучие вещества не могут сохраняться), что привело к предположениям, что результаты Clementine были неверно истолкованы и, вероятно, были обусловлены другими факторами, такими как шероховатость поверхности. [6] [7] [8]
7 мая 1994 года (UTC) у Клементины произошел сбой компьютера после того, как она покинула лунную орбиту. [9] Из-за сбоя было израсходовано оставшееся топливо, что привело к вращению космического корабля до 80 оборотов в минуту. [9] Он использовался на геоцентрической орбите до конца своей миссии, но путешествие к астероиду было прервано 2 мая. [9]
Инженерная модель космического корабля «Клементина» висит в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия [10]
