Lunar Prospector стал третьей миссией, выбранной НАСА для полной разработки и строительства в рамках программы Discovery . [2] 19-месячная миссия стоимостью 62,8 миллиона долларов была разработана дляисследования Луны на низкой полярной орбите , включая картографирование состава поверхности, включая лунные запасы водорода, измерения магнитных и гравитационных полей, а также изучение процессов газовыделения Луны. . Миссия завершилась 31 июля 1999 года, когда орбитальный аппарат намеренно врезался в кратер возле южного полюса Луныпосле того, как было успешно обнаружено присутствие водорода. [3] [4]
Данные миссии позволили построить подробную карту состава поверхности Луны и помогли улучшить понимание происхождения, эволюции, текущего состояния и ресурсов Луны. Несколько статей о научных результатах были опубликованы в журнале Science . [5] [6]
Lunar Prospector управлялся Исследовательским центром Эймса НАСА с генеральным подрядчиком Lockheed Martin . Главным исследователем миссии был Алан Биндер. Его личный отчет о миссии « Лунный разведчик: вопреки всему» резко критикует бюрократию НАСА в целом и его подрядчиков. [7]
В 2013 году неопознанный объект был обнаружен на нестабильной орбите вокруг Земли и получил предварительный номер WT1190F . После того, как он упал в Индийский океан, его, вероятно, идентифицировали как транслунный инжектор Lunar Prospector. [8]
Космический корабль представлял собой графитово-эпоксидный барабан диаметром 1,36 м (4 фута 6 дюймов) и высотой 1,28 м (4 фута 2 дюйма) с тремя радиальными приборными стрелами длиной 2,5 м (8 футов 2 дюйма). Удлинительная стрела длиной 1,1 м (3 фута 7 дюймов) на конце одной из стрел длиной 2,5 м удерживала магнитометр. Общая начальная масса (полностью заправленная топливом) составляла 296 кг (653 фунта). Он был стабилизирован по вращению (номинальная скорость вращения 12 об/мин) с осью вращения, перпендикулярной плоскости эклиптики. Управление космическим кораблем осуществлялось шестью гидразиновыми монотопливными двигателями по 22 ньютона (два кормовых, два передних и два тангенциальных). Три топливных бака, установленные внутри барабана, вмещали 138 кг (304 фунта) гидразина под давлением гелия. Система питания состояла из установленных на корпусе солнечных элементов, производивших в среднем 186 Вт, и перезаряжаемой NiCd батареи емкостью 4,8 А · ч .
Связь осуществлялась через два транспондера S-диапазона , щелевую фазированную антенну со средним усилением для нисходящей линии связи и всенаправленную антенну с низким коэффициентом усиления для нисходящей и восходящей линии связи. Бортовой компьютер представлял собой Harris 80C86 ( на базе Intel 8086 ) с 64 килобайтами EEPROM и 64 килобайтами статической оперативной памяти . Все управление осуществлялось с земли, компьютер передавал каждую команду на землю для проверки. Как только команда была проверена на земле, команда «выполнить» с земли приказала компьютеру приступить к выполнению команды. Компьютер создавал данные телеметрии как комбинацию непосредственных данных, а также считывал их из буфера циклической очереди , что позволяло компьютеру повторять данные, которые он прочитал 53 минутами ранее. Этот простой твердотельный регистратор гарантировал получение всех данных, собранных в периоды отключения связи, при условии, что отключение длилось не более 53 минут.
Зонд также доставил на Луну небольшое количество останков Юджина Шумейкера (28 апреля 1928 – 18 июля 1997), астрогеолога [9] [10] и одного из первооткрывателей кометы Шумейкера-Леви 9 . .
После запуска 7 января 1998 года по универсальному времени (6 января по восточному стандартному времени) на борту четырехступенчатой ракеты Athena II Lunar Prospector совершил 105-часовой круиз к Луне. Во время круиза были развернуты три инструментальные стрелы. MAG и APS собирали данные калибровки, а GRS, NS и ER дегазировали в течение одних суток, после чего также собирали данные калибровки в окололунном пространстве . Корабль был выведен на орбиту захвата Луны длительностью 11,6 часов в конце фазы полета. Через 24 часа Lunar Prospector был выведен на промежуточную орбиту с периодом 3,5 часа, а через 24 часа (13 января 1998 г.) был переведен на орбиту предварительного картирования размером 92 × 153 км (57 × 95 миль), а затем на 16 января путем вывода на околокруглую номинальную лунную полярную картографическую орбиту высотой 100 км (62 мили) с наклонением 90 градусов и периодом 118 минут. Данные лунной калибровки собирались во время 11,6- и 3,5-часовых витков. Сбор данных картографирования Луны начался вскоре после достижения 118-минутной орбиты. Сбор данных периодически прерывался во время миссии, как и планировалось, для проведения технического обслуживания орбиты, которое происходило для рециркуляции орбиты всякий раз, когда периселена или апоселена находились на расстоянии более 20–25 км (16 миль) от номинальной орбиты в 100 км. ; это происходило примерно раз в месяц. 19 декабря 1998 года в результате маневра орбита была снижена до 40 км (25 миль) для проведения исследований с более высоким разрешением. 28 января орбита была снова изменена на орбиту 15 км × 45 км (9,3 × 28,0 миль), завершив однолетнюю основную миссию и начав расширенную миссию.
Миссия завершилась 31 июля 1999 года в 9:52:02 UT (5:52:02 EDT), когда Lunar Prospector столкнулся с преднамеренным столкновением в постоянно затененной области кратера Шумейкера недалеко от южного полюса Луны. Была надежда, что в результате удара водяной пар высвободится из предполагаемых отложений льда в кратере и что шлейф можно будет обнаружить с Земли; однако такого шлейфа не наблюдалось.
Миссия Lunar Prospector стала третьей миссией, выбранной НАСА для полной разработки и запуска в рамках программы NASA Discovery. Общая стоимость миссии составила 63 миллиона долларов, включая разработку (34 миллиона долларов), ракету-носитель (~ 25 миллионов долларов) и эксплуатацию (около 4 миллионов долларов).
На космическом корабле было шесть приборов: гамма-спектрометр , нейтронный спектрометр, магнитометр , электронный рефлектометр, спектрометр альфа-частиц и доплеровский гравитационный эксперимент. Инструменты были всенаправленными и не требовали секвенирования. Обычная последовательность наблюдений заключалась в непрерывной записи и передаче данных по каналам связи.
Гамма -спектрометр Lunar Prospector (GRS) произвел первые глобальные измерения спектров гамма-излучения с лунной поверхности, на основе которых получены первые «прямые» измерения химического состава всей лунной поверхности.
GRS представлял собой небольшой цилиндр, который был установлен на конце одной из трех радиальных стрел длиной 2,5 м (8 футов 2 дюйма), идущих от Lunar Prospector . Он состоял из кристалла германата висмута, окруженного оболочкой из борированного пластика. Гамма-лучи, попавшие на атомы висмута, вызвали вспышку света с интенсивностью, пропорциональной энергии гамма-лучей, которую зарегистрировали детекторы. Энергия гамма-излучения связана с элементом, ответственным за его излучение. Из-за низкого отношения сигнал/шум для получения статистически значимых результатов потребовалось несколько проходов. Ожидалось, что при девяти проходах в месяц потребуется около трех месяцев для уверенной оценки содержания тория, калия и урана и 12 месяцев для других элементов. Точность варьируется в зависимости от измеряемого элемента. Для U, Th и K точность составляет от 7% до 15%, для Fe — 45%, для Ti — 20%, а для общего распределения KREEP — от 15% до 30%. Борированный пластиковый экран использовался при регистрации быстрых нейтронов. GRS была разработана для обеспечения глобального покрытия с высоты примерно 100 км (62 мили) и с поверхностным разрешением 150 км (93 мили). [11]
Инструмент составил карту распределения различных важных элементов по Луне. Например, спутник Lunar Prospector GRS выявил несколько регионов с высокими концентрациями железа. [12]
Фундаментальной целью эксперимента GRS было создание глобальных карт содержания элементов на поверхности Луны. GRS был разработан для регистрации спектра гамма-лучей, излучаемых:
Наиболее важными элементами, обнаруженными с помощью GRS, были уран (U), торий (Th) и калий (K), радиоактивные элементы, которые спонтанно генерируют гамма-лучи, а также железо (Fe), титан (Ti), кислород (O), кремний. (Si), алюминий (Al), магний (Mg) и кальций (Ca) — элементы, которые испускают гамма-лучи при воздействии космических лучей или частиц солнечного ветра. Уран, торий и калий, в частности, использовались для картирования местоположения KREEP (калий, редкоземельные элементы и фосфорсодержащий материал, который, как полагают, образовался на поздней стадии формирования земной коры и верхней мантии и, следовательно, является важно для понимания эволюции Луны). GRS также была способна обнаруживать быстрые (эпитепловые) нейтроны, что дополняло нейтронный спектрометр в поисках воды на Луне.
Основываясь на данных нейтронного спектрометра Lunar Prospector (NS), ученые миссии определили, что в полярных кратерах Луны есть свидетельства наличия лунного водяного льда , [13] примерно 3 миллиарда тонн (800 миллиардов галлонов США).
Нейтронный спектрометр представлял собой узкий цилиндр, расположенный рядом со спектрометром альфа-частиц на конце одной из трех радиальных научных стрел Lunar Prospector . Прибор имел разрешение поверхности 150 км (93 мили). Нейтронный спектрометр состоял из двух баллонов, каждый из которых содержал гелий-3, и счетчика энергии. Любые тепловые нейтроны, сталкивающиеся с атомами гелия, дают энергетическую сигнатуру, которую можно обнаружить и подсчитать. Одна из канистр была обернута кадмием , другая - оловом . Кадмий экранирует тепловые (низкоэнергетические или медленно движущиеся) нейтроны, а олово - нет. Тепловые нейтроны — это нейтроны, генерируемые космическими лучами , которые потеряли большую часть своей энергии при столкновениях с атомами водорода. Различия в подсчете между двумя канистрами указывают на количество обнаруженных тепловых нейтронов, что, в свою очередь, указывает на количество водорода в лунной коре в данном месте. Большое количество водорода, скорее всего, связано с присутствием воды.
NS был разработан для обнаружения небольших количеств водяного льда, который, как считалось, существовал на Луне. Он был способен обнаруживать водяной лед на уровне менее 0,01%. Для изучения полярных льдов НЗ должна была исследовать полюса до 80 градусов широты с чувствительностью не менее 10 ppm по объему водорода. Для исследований с имплантированным водородом NS предназначался для исследования всего земного шара с чувствительностью 50 ppmv. На Луне есть несколько постоянно затененных кратеров возле полюсов с постоянной температурой -190 ° C (-310,0 ° F). Эти кратеры могут действовать как холодные ловушки для воды от приближающихся комет и метеороидов. Любая вода из этих тел, попавшая в эти кратеры, могла навсегда замерзнуть. NS также использовался для измерения количества водорода, внедренного солнечным ветром .
Спектрометр альфа-частиц (APS) представлял собой куб размером примерно 18 см (7,1 дюйма), расположенный рядом с нейтронным спектрометром на конце одной из трех радиальных научных стрел Lunar Prospector длиной 2,5 м (8 футов 2 дюйма). Он содержал десять кремниевых детекторов, зажатых между золотыми и алюминиевыми дисками , расположенными на пяти из шести сторон куба. Альфа-частицы, образующиеся в результате распада радона и полония, оставляют следы заряда на кремниевых пластинах, когда они ударяются о кремний. На кремний подается высокое напряжение, ток усиливается, направляясь по дорожкам к алюминиевому диску, и записывается для идентификации. APS был разработан для глобального изучения событий выброса газа и распределения полония с разрешением на поверхности 150 км (93 мили) и точностью 10%.
APS был разработан для обнаружения событий выделения радона на поверхности Луны. APS зарегистрировал альфа-частицы радиоактивного распада радона и его побочного продукта, полония . Предполагается, что эти предполагаемые явления выделения газа, в ходе которых выделяются радон, азот и углекислый газ, являются источником разреженной лунной атмосферы и могут быть результатом вулканической/тектонической активности низкого уровня на Луне. Информация о существовании, времени и источниках этих событий может помочь в определении стиля и скорости лунной тектоники.
АПС был поврежден во время запуска, в результате чего была повреждена одна из пяти обнаруживающих лиц. Кроме того, из-за пика активности солнечных пятен во время миссии лунные данные были скрыты из-за солнечных помех. В конечном итоге информация была восстановлена путем вычитания эффектов солнечной активности.
Доплеровский гравитационный эксперимент (DGE) был первым полярным исследованием лунного гравитационного поля на малых высотах. Миссия «Клементина» ранее создала карту относительно низкого разрешения, но «Проспектор ДГЕ» получил данные примерно в пять раз более подробные: «первая по-настоящему действующая гравитационная карта Луны». [14] Практическими преимуществами этого являются более стабильные долгосрочные орбиты и лучшая топливная эффективность. Кроме того, ожидается, что данные DGE помогут исследователям узнать больше о происхождении Луны и природе лунного ядра. DGE идентифицировал три новые области концентрации массы на ближней стороне .
Целью Lunar Prospector DGE было изучение поверхности и внутреннего распределения массы Луны. Это достигается путем измерения доплеровского сдвига сигнала слежения S-диапазона , когда он достигает Земли, который можно преобразовать в ускорение космического корабля. Ускорения могут быть обработаны для получения оценок лунного гравитационного поля, на основе которых можно смоделировать расположение и размер аномалий массы, влияющих на орбиту космического корабля. Оценки поверхностного и внутреннего распределения массы дают информацию о коре, литосфере и внутренней структуре Луны .
Этот эксперимент предоставил первые данные о лунной гравитации с низкой полярной орбиты. Поскольку для этого эксперимента требовалось отслеживание прямой видимости, с помощью этого доплеровского метода можно было оценить только ближнее гравитационное поле. Этот эксперимент был побочным продуктом отслеживания космического корабля в S-диапазоне , поэтому для него не указаны требования к весу или мощности. Эксперимент был спроектирован так, чтобы получить ближнее гравитационное поле с поверхностным разрешением 200 км (120 миль) и точностью 5 мГал (0,05 мм/с²) в виде коэффициентов сферических гармоник до степени и порядка 60. В расширенном режиме В ходе миссии, в ходе которой космический корабль спускался на орбиту высотой 50 км (31 миль), а затем на высоту 10 км (6,2 мили), ожидалось, что это разрешение улучшится в 100 и более раз.
Телеметрический сигнал нисходящей линии связи передавался на частоте 2273 МГц в полосе пропускания ±1 МГц в виде сигнала с правой круговой поляризацией при номинальной мощности 5 Вт и пиковой мощности 7 Вт. Командные восходящие линии связи передавались на частоте 2093,0542 МГц в диапазоне ±1 МГц. пропускная способность. Транспондер представлял собой стандартный транспондер Loral/Conic S-Band. Всенаправленную антенну можно использовать для восходящей и нисходящей линии связи, или можно использовать спиральную антенну со средним усилением (только нисходящая линия связи). Поскольку вращение космического корабля было стабилизировано, вращение привело к смещению доплеровского сигнала из-за вращения диаграммы направленности антенны космического корабля относительно земной станции на 0,417 Гц (27,3 мм/с) для всенаправленной антенны и -0,0172 Гц ( −1,12 мм/с) для антенны со средним усилением. Данные LOS собирались через 5 секунд, чтобы учесть примерно 5-секундную скорость вращения космического корабля, в результате чего остаток составлял менее 0,1 мм/с.
Собранные подробные данные показали, что на низкой лунной орбите единственные стабильные или « замороженные » орбиты имеют наклонения около 27°, 50°, 76° и 86°. [15]
Магнитометр и электронный рефлектометр (в совокупности MAG/ER) обнаружили аномальные поверхностные магнитные поля на Луне, которые резко контрастируют с глобальной магнитосферой (которой на Луне нет). Общее магнитное поле Луны слишком слабое, чтобы отклонить солнечный ветер , но MAG/ER обнаружил небольшую поверхностную аномалию, которая может это сделать. Эту аномалию диаметром около 100 км (62 мили) поэтому называют «самой маленькой из известных магнитосферы, магнитооболочки и головной ударной системы в Солнечной системе». [16] Из-за этой и других магнитных особенностей поверхности Луны водород, осаждаемый солнечным ветром , распределяется неравномерно, будучи более плотным на периферии магнитных особенностей. Поскольку плотность водорода является желательной характеристикой гипотетических лунных баз, эта информация может быть полезна при выборе оптимальных мест для возможных долгосрочных лунных миссий.
Электронный рефлектометр (ЭР) и магнитометр (МАГ) были предназначены для сбора информации о лунных магнитных полях . У Луны нет глобального магнитного поля, но есть слабые локализованные магнитные поля на ее поверхности. Это могут быть палеомагнитные остатки бывшего глобального магнитного поля или же они могут быть результатом ударов метеоритов или других местных явлений. Этот эксперимент должен был помочь составить карту этих полей и предоставить информацию об их происхождении, позволить изучить распределение минералов на лунной поверхности, помочь в определении размера и состава лунного ядра и предоставить информацию о лунном магнитном диполе . .
ЭР определял положение и силу магнитных полей по энергетическому спектру и направлению электронов . Прибор измерил питч- углы электронов солнечного ветра , отраженных от Луны лунными магнитными полями. Более сильные локальные магнитные поля могут отражать электроны с большими питч-углами. Напряженность поля всего 0,01 нТл можно измерить с пространственной точностью около 3 км (1,9 мили) на поверхности Луны. MAG представлял собой трехосный феррозондовый магнитометр, по конструкции похожий на прибор, используемый на Mars Global Surveyor . Он может измерять амплитуду и направление магнитного поля на высоте космического корабля с пространственным разрешением около 100 км (62 мили), когда возмущения окружающей плазмы минимальны.
Отделение скорой помощи и блок электроники располагались в конце одной из трех радиальных научных стрел на Лунном Проспекторе . MAG, в свою очередь, был удлинен на стреле длиной 0,8 м (2 фута 7 дюймов) - в совокупности на 2,6 м (8 футов 6 дюймов) от Lunar Prospector , чтобы изолировать его от магнитных полей, генерируемых космическим кораблем. Приборы ER и MAG имели общую массу 5 кг (11 фунтов) и потребляли мощность 4,5 Вт .
