Clementine (statek kosmiczny) - Clementine (spacecraft)

*Klementyna*
	Klementyna
Typ misji	Demonstracja technologii ; Orbiter księżycowy ; Sonda asteroid
Operator	BMDO / NASA
ID COSPAR	1994-004A
SATCAT nr.	22973
Czas trwania misji	115 dni
Właściwości statku kosmicznego
Producent	Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej
Rozpocznij masę	424 kilogramy (935 funtów)
Sucha masa	227 kilogramów (500 funtów)
Moc	1850 watów
Początek misji
Data uruchomienia	25 stycznia 1994, 16:34:00 UTC
Rakieta	Tytan II(23)G
Uruchom witrynę	Vandenberg SLC-4W
Koniec misji
Ostatni kontakt	10 maja 1995 r.
Parametry orbitalne
System odniesienia	selenocentryczny
Półoś wielka	5116,0 km (3178,9 mil)
Ekscentryczność	0,36
Wysokość Periselen	2162 km (1343 mil)
Wysokość aposelenowa	4594 km (2855 mil)
Nachylenie	90°
Okres	300 minut
Księżycowy orbiter
Wstawianie orbitalne	19 lutego 1994
Wylot z orbity	3 maja 1994
Instrumenty
	Teleskop cząstek naładowanych Kamera ; ultrafioletowa / widzialna Kamera CCD ; bliskiej podczerwieni (NIR ) System ; laserowej detekcji i; pomiaru obrazu (LIDAR) Kamera wysokiej rozdzielczości (HIRES)

Clementine (oficjalnie nazywany Deep Space Program Science Experiment (DSPSE)) to wspólny projekt kosmiczny pomiędzy Ballistic Missile Defense Organization (wcześniej Strategic Defense Initiative Organization ) i NASA , uruchomiony 25 stycznia 1994 roku. Jego celem było przetestowanie czujników i elementy statku kosmicznego w długoterminowej ekspozycji w kosmos oraz do prowadzenia naukowych obserwacji zarówno Księżyca, jak i bliskiej Ziemi asteroidy 1620 Geographos .

Wyniki

Obserwacji asteroidy nie dokonano z powodu awarii statku kosmicznego.

Obserwacje Księżyca obejmowały obrazowanie przy różnych długościach fal w zakresie widzialnym, nadfioletowym i podczerwonym , altymetrię laserową , grawimetrię oraz pomiary cząstek naładowanych. Obserwacje te miały na celu uzyskanie wielospektralnego obrazowania całej powierzchni Księżyca, ocenę mineralogii powierzchni Księżyca, uzyskanie wysokości od 60N do 60S szerokości geograficznej oraz uzyskanie danych grawitacyjnych dla bliższej strony. Planowano również zobrazować i określić wielkość, kształt, charakterystykę rotacji, właściwości powierzchni i statystyki kraterowe Geografów.

Instrumenty

Widok Księżyca i Wenus w oddali przez śledzenie gwiazd Clementine

Clementine miała na pokładzie siedem różnych eksperymentów: kamerę UV/widzialną, 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 został wykorzystany do komunikacji, śledzenia i eksperymentu grawimetrycznego. Projekt został nazwany Clementine po piosence „ Oh My Darling, Clementine ”, ponieważ statek kosmiczny zostałby „zagubiony i odszedł na zawsze” po swojej misji.

Projekt statku kosmicznego

Statek kosmiczny był ośmiokątnym pryzmatem o wysokości 1,88 mi szerokości 1,14 m z dwoma panelami słonecznymi wystającymi po przeciwnych stronach równolegle do osi pryzmatu. Na jednym końcu pryzmatu znajdowała się antena o stałym wzmocnieniu o średnicy 42 cali (1100 mm), a na drugim - silnik 489 N. Otwory czujników znajdowały się razem na jednym z ośmiu paneli, 90 stopni od paneli słonecznych i były chronione pojedynczą osłoną czujnika.

Napęd kosmiczny System składał się z monopropellant hydrazyny systemu kontroli położenia i bipropellant czterotlenek azotu i monometylohydrazyna systemu manewrów w przestrzeni. System dwupaliwowy miał całkowitą przepustowość Delta-v około 1900 m/s, przy czym około 550 m/s było wymagane do wejścia na Księżyc i 540 m/s do odlotu.

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

Przetwarzanie danych statku kosmicznego przeprowadzono 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 przetwarzania danych sekwencjonowała kamery, obsługiwała system kompresji obrazu i kierowała przepływem danych. Dane były przechowywane w dynamicznym, półprzewodnikowym rejestratorze danych 2 Gbit.

Misja

Clementine launch

Animacja Clementine „s trajektorii wokół Księżyca od 19 lutego 1994 do 3 maja 1994 roku
Klementyna · Księżyc

25 stycznia 1994 r. Clementine został wystrzelony z kompleksu kosmicznego 4 West w bazie sił powietrznych Vandenberg w Kalifornii przy użyciu pojazdu startowego Titan II . Misja miała dwie fazy. Po dwóch przelotach w pobliżu Ziemi, wejście na Księżyc zostało osiągnięte około miesiąc po wystrzeleniu. Mapowanie Księżyca trwało około dwóch miesięcy, w dwóch częściach. Pierwsza część składała się z pięciogodzinnej eliptycznej orbity polarnej z perycentrum około 400 km na 13° 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 stopniu szerokości geograficznej północnej, gdzie pozostała jeszcze przez jeden miesiąc. Umożliwiło to globalne obrazowanie i pokrycie z wysokości od 60° na południe do 60° na północ, łącznie na 300 orbitach.

Po przejściu Księżyca na Ziemię i dwóch kolejnych przelotach w pobliżu Ziemi, statek kosmiczny miał skierować się w stronę 1620 Geographos , przybywając trzy miesiące później na przelot, z nominalnym podejściem bliżej niż 100 km. Niestety, 7 maja 1994 roku, po pierwszej orbicie Ziemi, awaria na pokładzie statku spowodowała uruchomienie jednego z silników sterujących orientacją na 11 minut, zużywając paliwo i powodując obrót Clementine z prędkością około 80 obr./min ( patrz NASA Informacje o projekcie Clementine ). W tych warunkach przelot obok asteroidy nie mógł przynieść użytecznych wyników, więc statek kosmiczny został umieszczony na orbicie geocentrycznej przechodzącej przez pasy radiacyjne Van Allena, aby przetestować różne elementy na pokładzie.

Misja zakończyła się w czerwcu 1994 roku, kiedy poziom mocy na pokładzie spadł do punktu, w którym telemetria ze statku kosmicznego nie była już zrozumiała. Jednak „ponieważ statek kosmiczny przypadkowo znalazł się we właściwym położeniu do ponownego włączenia zasilania, kontrolerzy naziemni byli w stanie na krótko odzyskać kontakt między 20 lutego a 10 maja 1995 roku”.

NASA ogłosiła 5 marca 1998 r., że dane uzyskane od Clementine wskazują, że w kraterach polarnych na Księżycu jest wystarczająco dużo wody, aby utrzymać ludzką kolonię i stację paliw rakietowych (patrz Bistatic Radar Experiment ).

W pełni wdrożona koncepcja artysty Clementine

Instrumenty naukowe

Teleskop naładowanych cząstek (CPT)

Teleskop naładowanych cząstek (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 oddziaływania ziemskiego ogona magnetycznego i wstrząsów międzyplanetarnych z Księżycem; (2) monitorowanie wiatru słonecznego w regionach oddalonych od innych statków kosmicznych w ramach skoordynowanego wielomisyjnego badania; oraz (3) zmierzyć wpływ padających cząstek na zdolność operacyjną ogniw słonecznych statku kosmicznego i innych czujników.

W celu spełnienia rygorystycznego limitu masy instrumentu (<1 kg) został wdrożony jako teleskop jednoelementowy. Teleskop miał półkątowe pole widzenia 10 stopni. Detektor, krzem typu powierzchni bariery o powierzchni 100 mm ² i o grubości 3 mm został osłonięty, tak aby zapobiec protony poniżej 30 MeV z osiągnięcie to z innych kierunków, niż przez otwór. Apertura została zakryta bardzo cienką folią, aby światło nie padało na detektor i nie generowało szumów. Sygnał z detektora został podzielony na dziewięć kanałów, najniższych sześć przeznaczonych do wykrywania elektronów, a najwyższych trzech do protonów i cięższych jonów.

Kamera ultrafioletowa/widzialna

W Reiner Gamma Lunar Wiry przy 750 nm, a nagrane przez Clementine misji

Kamera ultrafioletowa/widzialna (UV/Vis) została zaprojektowana do badania powierzchni Księżyca i asteroidy Geographos przy pięciu różnych długościach fal w widmie ultrafioletowym i widzialnym. Spotkanie Geographos zostało odwołane z powodu awarii sprzętu. Eksperyment ten dostarczył informacji na temat właściwości petrologicznych materiału powierzchniowego Księżyca, a także dostarczył obrazów przydatnych do badań morfologicznych i statystyk kraterowych. Większość zdjęć wykonano pod małymi kątami Słońca, 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 skupionych na powlekanej kamerze CCD Thompson z pasmem przepustowym 250–1000 nm i sześciopozycyjnym kołem filtrów. Odpowiedź na długość fali była ograniczona na krótkim końcu przez transmisję i rozmycie optyczne soczewki, a na długim 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 do 40 ms w zależności od stanu wzmocnienia, kąta oświetlenia słonecznego i filtra. Środkowe długości fal filtrów (i szerokości pasmowoprzepustowe (FWHM)) wynosiły 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 toru poprzecznego około 40 km na nominalnej 400 km wysokości księżycowej. Matryca obrazów miała wymiary 288 × 384 piksele. Rozdzielczość pikseli wahała się od 100-325 m podczas pojedynczego mapowania orbity na Księżycu. W Geographos rozdzielczość piksela wynosiłaby 25 m przy najbliższym zbliżeniu 100 km, co daje obraz o wymiarach około 7 × 10 km. Kamera wykonała dwanaście zdjęć w każdej serii zdjęć o długości 1,3 s, co miało miejsce 125 razy w ciągu 80-minutowego okresu mapowania podczas każdej pięciogodzinnej orbity Księżyca. Powierzchnia Księżyca została całkowicie pokryta podczas dwumiesięcznej fazy mapowania Księżyca misji. Zakres dynamiczny wynosił 15 000. Stosunek sygnału do szumu wahał się od 25 do 87 w zależności od albedo powierzchni i kąta fazowego , ze względną kalibracją 1% i bezwzględną kalibracją 15%.

Kamera CCD bliskiej podczerwieni (NIR)

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

Kamera składała się z obiektywu katadioptrycznego, który skupiał się na chłodzonej mechanicznie (do temperatury 70 K ) matrycy płaszczyzny ogniskowej CCD Amber InSb z pasmem 1100–2800 nm i sześciopozycyjnym kołem filtrów. Środkowe długości fal filtrów (i szerokości pasmowoprzepustowe (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 przy ogniskowej 96 mm. Pole widzenia wynosiło 5,6 × 5,6 stopnia, co daje szerokość toru poprzecznego około 40 km przy nominalnej 400 km wysokości księżycowej. Księżyc miał pełne pokrycie mapowe podczas dwumiesięcznej fazy księżycowej misji. Matryca obrazów ma wymiary 256 × 256 pikseli, a rozdzielczość pikseli wahała się od 150-500 m podczas pojedynczego mapowania orbity na Księżycu. (W Geographos rozdzielczość piksela wynosiłaby 40 m przy najbliższym zbliżeniu, co daje obraz o wymiarach około 10 × 10 km.) Aparat wykonał dwanaście zdjęć w każdej serii zdjęć 1,3 s, co miało miejsce 75 razy w ciągu 80-minutowego okresu mapowania podczas każdego pięciogodzinna orbita księżycowa. Zakres dynamiczny wynosił 15 000. Stosunek sygnału do szumu wahał się od 11 do 97 w zależności od albedo powierzchni i kąta fazowego, ze względną kalibracją 1% i bezwzględną kalibracją 30%. Wzmocnienie wahało się od 0,5X do 36X.

Laserowy system wykrywania i określania odległości (LIDAR)

Pomiary reliefowe wykonane przez LIDAR

Clementine Laser Obraz Detection And Ranging ( LIDAR ) eksperyment został zaprojektowany, aby zmierzyć odległość od sondy do punktu na powierzchni Księżyca. Umożliwi to sporządzenie mapy wysokościowej, która może być wykorzystana do ograniczenia morfologii dużych basenów i innych obiektów księżycowych, badania naprężeń i odkształceń oraz właściwości zginania litosfery, a także może być łączona z grawitacją w celu zbadania rozkładu gęstości w Skorupa. Eksperyment został również zaprojektowany do pomiaru odległości do powierzchni Geographos, ale ta faza misji została odwołana z powodu awarii.

System LIDAR składał się z nadajnika laserowego Nd-YAG ( itru -aluminium-granat) o długości fali 180 mJ, 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 z rozbieżnością mniejszą niż 500 mikroradów. Przy 532 nm miał impuls 9 mJ z rozbieżnością 4 miliradów. Odbity impuls przeszedł przez teleskop High-Resolution Camera, gdzie został oddzielony przez filtr dichroiczny do krzemowego fotodiodowego detektora lawinowego. Detektorem był pojedynczy odbiornik SiAPD z ogniwami 0,5 × 0,5 mm o polu widzenia 0,057 stopnia kwadratowego. Laser miał masę 1250 g, odbiornik mieścił się w kamerze HIRES 1120 g. Czas przemieszczania się impulsu dawał zasięg na powierzchnię. Pamięć LIDAR może zapisać do sześciu wykrytych powrotów na każde wystrzelenie lasera, z progiem ustawionym dla najlepszego kompromisu między nieodebranymi detekcjami a fałszywymi alarmami. Zwroty były przechowywane w pojemnikach o zasięgu 39,972 m, co odpowiada rozdzielczości 14-bitowego licznika zegara. LIDAR ma nominalny zasięg 500 km, ale dane wysokościowe zostały zebrane dla wysokości do 640 km, co pozwoliło na pokrycie od 60 stopni na południe do 60 stopni na północ do końca księżycowej fazy misji. Rozdzielczość pionowa wynosi 40 m, a punktowa rozdzielczość pozioma około 100 m. Rozstaw torów w poprzek pomiarów na równiku wynosił około 40 km. Na każdą sekundę wykonywano jeden pomiar w ciągu 45 minut podczas każdej orbity, co dało odstęp wzdłuż toru 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 asteroidy 1620 Geographos bliskiej Ziemi, chociaż spotkanie z asteroidą zostało odwołane z powodu awarii. Eksperyment ten umożliwił szczegółowe zbadanie procesów powierzchniowych na Księżycu, a w połączeniu z danymi spektralnymi umożliwił badania składu i geologiczne o wysokiej rozdzielczości.

Imager był wzmocnioną kamerą CCD Thompsona z sześciopozycyjnym kołem filtrów. Zestaw filtrów składał się z filtra szerokopasmowego o paśmie przepustowym od 400 do 800 nm, czterech filtrów wąskopasmowych o długościach fal centralnych (i szerokości przepustowej (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 przekłada się na szerokość około 2 km na nominalnej wysokości księżyca 400 km. Matryca obrazów 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 <5 m przy najbliższym zbliżeniu.) Czysta przysłona 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 jedynie wybranych obszarów Księżyca, w postaci albo długich, wąskich pasów jednego koloru, albo krótszych pasów do czterech barw. Przyrząd 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 o wysokiej rozdzielczości był współdzielony z instrumentem LIDAR. Powrót lasera 1064 nm został podzielony do odbiornika LIDAR (detektor fotodiodowy lawinowy) przy użyciu filtra dichroicznego.

Zdjęcia z HIRES można oglądać w oprogramowaniu NASA World Wind .

**Cztery widoki ortogonalne Księżyca**
Bliski bok	Strona tylna	Daleko z boku	Strona wiodąca
0°	90°	180°	270°

**Regiony biegunowe (prostopadłe, wyśrodkowane na biegunie)**
Biegun północny	Biegun południowy

Eksperyment z radarem bistatycznym

„ Bistatic Radar Experiment”, improwizowany podczas misji, miał na celu poszukiwanie śladów wody księżycowej na biegunach Księżyca. Sygnały radiowe z nadajnika sondy 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 sugerowała obecność lotnych lodów, interpretowanych jako zawierające lód wodny, w glebach na powierzchni Księżyca. Ogłoszono możliwe złoże lodu odpowiadające sporemu jezioru. Jednak późniejsze studia wykonane za pomocą radioteleskopu Arecibo wykazały podobne wzorce odbicie nawet z obszarów nie w stałym cieniu (w których takie substancje lotne nie może utrzymywać), co doprowadziło do sugestii, że Clementine ' Wyniki s zostały błędnie zinterpretowane i były prawdopodobnie spowodowane innymi czynnikami, takimi jako chropowatość powierzchni.

Po misji księżycowej

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

Artefakty

Model inżynieryjny statku kosmicznego Clementine wisi w Air & Space Museum w Waszyngtonie.

Bibliografia

^ ^a ^b „Beyond Earth: Kronika eksploracji kosmosu” . 20 września 2018 r.
^ Clementine Bistatic Radar Eksperyment , NASA
^ Lód na Księżycu , NASA
^ Lód na Kościach Suchego Księżyca , Paul D. Spudis, grudzień 1996
^ ^a ^b ^c NASA - Clementine
^ „Klementyna, model inżynierski” . Źródło 24 maja 2021 .

Zewnętrzne linki

[nasa.gov-1] „Beyond Earth: Kronika eksploracji kosmosu” . 20 września 2018 r.

[2] Clementine Bistatic Radar Eksperyment , NASA

[3] Lód na Księżycu , NASA

[4] Lód na Kościach Suchego Księżyca , Paul D. Spudis, grudzień 1996

[clem-5] NASA - Clementine

[NASM-6] „Klementyna, model inżynierski” . Źródło 24 maja 2021 .

Languages

In other projects