Clementine (Raumschiff) - Clementine (spacecraft)

Dieser Artikel behandelt die amerikanische Mondsonde. Für den französischen Satelliten siehe Clementine (Satellit) .

Clementine
Clementine lunar.jpg
Clementine
Missionstyp Technologiedemonstration
Mondorbiter
Asteroidensonde
Operator BMDO / NASA
COSPAR-ID 1994-004A
SATCAT- Nr. 22973
Missionsdauer 115 Tage
Eigenschaften von Raumfahrzeugen
Hersteller Marineforschungslabor
Startmasse 424 Kilogramm (935 Pfund)
Trockenmasse 227 Kilogramm (500 Pfund)
Leistung 1.850 Watt
Missionsbeginn
Erscheinungsdatum 25. Januar 1994, 16:34:00  UTC ( 1994-01-25UTC16:34Z )
Rakete Titan II(23)G
Startplatz Vandenberg SLC-4W
Ende der Mission
Letzter Kontakt 10. Mai 1995 ( 1995-05-11 )
Bahnparameter
Referenzsystem Selenozentrisch
Halbgroße Achse 5.116,0 Kilometer (3.178,9 Meilen)
Exzentrizität 0,36
Periselene Höhe 2.162 Kilometer (1.343 Meilen)
Aposelene-Höhe 4.594 Kilometer (2.855 Meilen)
Neigung 90°
Zeitraum 300 Minuten
Lunar Orbiter
Orbitale Insertion 19. Februar 1994
Orbitaler Abflug 3. Mai 1994
Instrumente
Charged-Particle- Teleskop
Ultraviolett / Sichtbare Kamera
Nah- Infrarot- CCD-Kamera (NIR)
Laser Image Detection and Ranging (LIDAR) System
Hochauflösende Kamera (HIRES)
 

Clementine (offiziell Deep Space Program Science Experiment (DSPSE) genannt) war ein gemeinsames Weltraumprojekt der Ballistic Missile Defense Organization (früher die Strategic Defense Initiative Organization ) und der NASA , das am 25. Januar 1994 gestartet wurde Raumfahrzeugkomponenten bei langfristiger Exposition im Weltraum und um wissenschaftliche Beobachtungen sowohl des Mondes als auch des erdnahen Asteroiden 1620 Geographos zu machen .

Ergebnisse

Die Beobachtung des Asteroiden wurde aufgrund einer Fehlfunktion des Raumfahrzeugs nicht durchgeführt.

Die Mond Beobachtungen enthalten im sichtbaren bei verschiedenen Wellenlängen Bildgebung sowie in ultravioletten und infraroten , Laser Ranging altimetry , Gravimetrie , und geladene Teilchen Messungen. Diese Beobachtungen dienten dem Zweck, eine multispektrale Abbildung der gesamten Mondoberfläche zu erhalten, die Oberflächenmineralogie des Mondes zu beurteilen, eine Höhenmessung von 60N bis 60S Breite zu erhalten und Gravitationsdaten für die nahe Seite zu erhalten. Es gab auch Pläne, die Größe, Form, Rotationseigenschaften, Oberflächeneigenschaften und Kraterstatistik von Geographos abzubilden und zu bestimmen.

Instrumente

Clementine Star Tracker Blick auf Mond und Venus in der Ferne

Clementine führte sieben verschiedene Experimente an Bord durch: eine UV/Visible-Kamera, eine Nah-Infrarot-Kamera, eine Langwellen-Infrarot-Kamera, eine hochauflösende Kamera, zwei Star-Tracker- Kameras, einen Laser-Höhenmesser und ein Ladungsteilchen-Teleskop. Der S-Band-Transponder wurde für die Kommunikation, Verfolgung und das Gravimetrie-Experiment verwendet. Das Projekt wurde nach dem Lied " Oh My Darling, Clementine " Clementine genannt, da die Raumsonde nach ihrer Mission "lost und für immer verschwunden" sein würde.

Raumfahrzeugdesign

Das Raumfahrzeug war ein achteckiges Prisma mit einer Höhe von 1,88 m und einem Durchmesser von 1,14 m mit zwei Sonnenkollektoren, die auf gegenüberliegenden Seiten parallel zur Achse des Prismas hervorragten. An einem Ende des Prismas befand sich eine feststehende Schüsselantenne mit einem Durchmesser von 42 Zoll (1.100 mm) und am anderen Ende das 489-N-Triebwerk. Die Sensoröffnungen befanden sich alle zusammen auf einem der acht Panels, 90 Grad von den Solarpanels entfernt und durch eine einzige Sensorabdeckung geschützt.

Das Antriebssystem des Raumfahrzeugs bestand aus einem Eintreibstoff- Hydrazinsystem zur Lagekontrolle und einem Zweitreibstoff- Stickstofftetroxid- und Monomethylhydrazin- System für die Manöver im Weltraum. Das Doppelantriebssystem hatte eine Delta-v- Gesamtfähigkeit von etwa 1.900 m/s, wobei etwa 550 m/s für die Mondeinführung und 540 m/s für den Mondabflug erforderlich waren .

Die Lageregelung wurde mit 12 kleinen Lageregelungsdüsen, zwei Startrackern und zwei Trägheitsmesseinheiten erreicht. Das Raumfahrzeug wurde in der Mondumlaufbahn über Reaktionsräder mit einer Präzision von 0,05 Grad Kontrolle und 0,03 Grad Wissen dreiachsig stabilisiert . Die Energie wurde durch kardanisch aufgehängte , einachsige GaAs/Ge-Solarpaneele bereitgestellt , die eine 15 Ah, 47 Wh/kg Nihau ( Ni-H ) gewöhnliche Druckbehälterbatterie geladen haben .

Die Datenverarbeitung des Raumfahrzeugs wurde unter Verwendung eines MIL-STD-1750A-Computers (1,7 MIPS) für den Speichermodus, der Lageregelung und der Verwaltungsvorgänge, eines RISC- 32-Bit-Prozessors (18 MIPS) für die Bildverarbeitung und des autonomen Betriebs sowie eines bereitgestellten Bildkomprimierungssystems durchgeführt von der französischen Raumfahrtbehörde CNES . Eine Datenverarbeitungseinheit sequenzierte die Kameras, bediente das Bildkompressionssystem und steuerte den Datenfluss. Die Daten wurden in einem dynamischen 2-Gbit-Festkörperdatenrekorder gespeichert.

Mission

Clementine- Start
Animation von Clementine ‚s Bahn um Mond vom 19. Februar 1994 bis 3. Mai 1994
   Clementine  ·   Mond

Am 25. Januar 1994 wurde Clementine mit einer Titan-II- Trägerrakete vom Space Launch Complex 4 West auf der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien gestartet. Die Mission bestand aus zwei Phasen. Nach zwei Vorbeiflügen an der Erde wurde die Mondeinführung etwa einen Monat nach dem Start erreicht. Die Mondkartierung fand über etwa zwei Monate in zwei Teilen statt. Der erste Teil bestand aus einer fünfstündigen elliptischen Polarbahn mit einer Periapsis von etwa 400 km bei 13 Grad südlicher Breite und einer Apoapsis von 8300 km. Jede Umlaufbahn bestand aus einer 80-minütigen Mondkartierungsphase in der Nähe der Periapsis und 139 Minuten Downlink bei der Apoapsis.

Nach einem Monat Kartierung wurde die Umlaufbahn zu einer Periapsis auf 13 Grad nördlicher Breite gedreht, wo sie für einen weiteren Monat verblieb. Dies ermöglichte eine globale Bildgebung und Höhenmessung von 60° Süd bis 60° Nord über insgesamt 300 Umlaufbahnen.

Nach einem Mond-Erde-Transfer und zwei weiteren Vorbeiflügen an der Erde sollte die Raumsonde 1620 Geographos ansteuern und drei Monate später für einen Vorbeiflug eintreffen, mit einem nominellen Anflug von näher als 100 km. Leider führte am 7. Mai 1994, nach der ersten Erdtransferbahn, eine Fehlfunktion an Bord des Fahrzeugs dazu, dass eines der Triebwerke zur Lageregelung 11 Minuten lang feuerte, seinen Treibstoffvorrat aufbrauchte und Clementine mit etwa 80 U/ min drehte ( siehe NASA Clementine-Projektinfo ). Unter diesen Bedingungen konnte der Vorbeiflug des Asteroiden keine brauchbaren Ergebnisse liefern, daher wurde das Raumfahrzeug in eine geozentrische Umlaufbahn gebracht, die durch die Van-Allen-Strahlungsgürtel ging , um die verschiedenen Komponenten an Bord zu testen.

Die Mission endete im Juni 1994, als die Leistung an Bord auf einen Punkt absank, an dem die Telemetrie des Raumfahrzeugs nicht mehr verständlich war. "Da sich das Raumschiff jedoch zufällig in der richtigen Fluglage befand, um wieder hochzufahren, konnten die Bodenlotsen zwischen dem 20. Februar und dem 10. Mai 1995 kurzzeitig Kontakt aufnehmen."

Die NASA gab am 5. März 1998 bekannt, dass Daten von Clementine darauf hindeuteten, dass es in den Polarkratern des Mondes genug Wasser gibt, um eine menschliche Kolonie und eine Raketentankstelle zu versorgen (siehe Bistatisches Radarexperiment ).

Künstlerische Vorstellung von Clementine vollständig umgesetzt

Wissenschaftliche Instrumente

Teleskop für geladene Teilchen (CPT)

Das Charged Particle Telescope (CPT) auf Clementine wurde entwickelt, um den Fluss und die Spektren von energetischen Protonen (3–80 MeV ) und Elektronen (25–500 keV) zu messen  . Die Hauptziele der Untersuchung waren: (1) Untersuchung der Wechselwirkung des Magnetschweifs der Erde und interplanetarer Schocks mit dem Mond; (2) Überwachung des Sonnenwinds in Regionen, die weit von anderen Raumfahrzeugen entfernt sind, als Teil einer koordinierten Multimissionsstudie; und (3) Messen der Auswirkungen einfallender Partikel auf die Betriebsfähigkeit der Solarzellen des Weltraumfahrzeugs und anderer Sensoren.

Um die strenge Grenze der Masse des Instruments (<1 kg) einzuhalten, wurde es als Einzelelement-Teleskop ausgeführt. Das Teleskop hatte ein Halbwinkel-Sichtfeld von 10 Grad. Der Detektor, ein Silizium-Oberflächenbarrieretyp mit einer Fläche von 100 mm 2 und einer Dicke von 3 mm, wurde abgeschirmt, um zu verhindern, dass Protonen unter 30 MeV ihn aus anderen Richtungen als durch die Öffnung erreichen. Die Öffnung wurde mit einer sehr dünnen Folie abgedeckt, um zu verhindern, dass Licht auf den Detektor trifft und Rauschen erzeugt. Das Signal des Detektors wurde in neun Kanäle aufgeteilt, wobei die niedrigsten sechs für die Elektronendetektion und die höchsten drei für Protonen und schwerere Ionen bestimmt waren.

Ultraviolett/sichtbare Kamera

Die Reiner Gamma Lunar Swirls bei 750 nm, wie von der Clementine- Mission aufgezeichnet

Die Ultraviolett/Visible-Kamera (UV/Vis) wurde entwickelt, um die Oberflächen des Mondes und des Asteroiden Geographos bei fünf verschiedenen Wellenlängen im ultravioletten und sichtbaren Spektrum zu untersuchen. Das Geographos Rendezvous wurde wegen einer Fehlfunktion der Ausrüstung abgesagt. Dieses Experiment lieferte Informationen über die petrologischen Eigenschaften des Oberflächenmaterials auf dem Mond sowie nützliche Bilder für morphologische Studien und Kraterstatistiken. Die meisten Bilder wurden bei niedrigen Sonnenwinkeln aufgenommen, was für petrologische Studien nützlich ist, aber nicht für die Beobachtung der Morphologie.

Der Sensor bestand aus einem katadioptrischen Teleskop mit einer Öffnung von 46 mm und Quarzglaslinsen, die auf eine beschichtete Thompson-CCD-Kamera mit einem Bandpass von 250–1000 nm und einem Filterrad mit sechs Positionen fokussiert waren. Die Wellenlängenantwort war am Ende der kurzen Wellenlängen durch die Transmission und die optische Unschärfe der Linse und am langen Ende durch die CCD-Antwort begrenzt. Das CCD war ein Bildübertragungsgerät, das drei Verstärkungszustände (150, 350 und 1000 Elektronen/Bit) zuließ. Integrationszeiten variierten von 1 bis 40 ms , je nach Verstärkungszustand, Solarbeleuchtungswinkel und Filter. Die Filtermittenwellenlängen (und Bandpassbreiten (FWHM)) waren 415 nm (40 nm), 750 nm (10 nm), 900 nm (30 nm), 950 nm (30 nm), 1000 nm (30 nm) und a Breitbandfilter für 400–950 nm. Das Sichtfeld betrug 4,2 × 5,6 Grad, was einer Spurquerbreite von etwa 40 km bei einer nominalen Mondhöhe von 400 km entspricht. Das Bildarray war 288 × 384 Pixel groß. Die Pixelauflösung variierte von 100–325 m während einer einzelnen Umlaufbahnkartierung auf dem Mond. Bei Geographos hätte die Pixelauflösung bei 100 km nächster Annäherung 25 m betragen, was einer Bildgröße von etwa 7 × 10 km entspricht. Die Kamera nahm zwölf Bilder in jedem 1,3-sekündigen Bildausbruch auf, die 125 Mal über die 80-minütige Kartierungsspanne während jeder fünfstündigen Mondumlaufbahn auftraten. die Mondoberfläche war während der zweimonatigen Mondkartierungsphase der Mission vollständig bedeckt. Der Dynamikbereich betrug 15.000. Das Signal-Rausch-Verhältnis von 25 bis 87 variiert abhängig von der Oberfläche Albedo und Phasenwinkel , mit einer relativen Kalibrierung von 1% und eine absolute Kalibrierung von 15%.

Nahinfrarot-CCD-Kamera (NIR)

Die Clementine Near-Infrared Camera (NIR) wurde entwickelt, um die Oberflächen des Mondes und des erdnahen Asteroiden 1620 Geographos bei sechs verschiedenen Wellenlängen im nahen Infrarotspektrum zu untersuchen. Dieses Experiment lieferte Informationen über die Petrologie des Oberflächenmaterials auf dem Mond. Das Rendezvous mit Geographos wurde wegen einer Fehlfunktion der Ausrüstung abgesagt.

Die Kamera bestand aus einem katadioptrischen Objektiv, das auf ein mechanisch gekühltes (auf eine Temperatur von 70 K ) Amber InSb CCD Focal-Plane-Array mit einem Bandpass von 1100–2800 nm und einem Filterrad mit sechs Positionen fokussierte. Die Filtermittenwellenlängen (und Bandpassbreiten (FWHM)) waren: 1100 nm (60 nm), 1250 nm (60 nm), 1500 nm (60 nm), 2000 nm (60 nm), 2600 nm (60 nm) und 2780 nm (120 nm). Die Öffnung betrug 29 mm bei einer Brennweite von 96 mm. Das Sichtfeld betrug 5,6 × 5,6 Grad, was einer Spurquerbreite von etwa 40 km bei einer nominellen 400 km Mondhöhe entspricht. Der Mond hatte während der zweimonatigen Mondphase der Mission eine vollständige Kartenabdeckung. Das Bildarray ist 256 × 256 Pixel groß und die Pixelauflösung variierte von 150 bis 500 m während einer einzelnen Umlaufbahnkartierung auf dem Mond. (Bei Geographos hätte die Pixelauflösung bei nächster Annäherung 40 m betragen, was einer Bildgröße von etwa 10 × 10 km entspricht.) Die Kamera nahm zwölf Bilder in jedem 1,3-sekündigen Bildausbruch auf, die während der 80-minütigen Kartierungsspanne jeweils 75 Mal auftraten fünfstündige Mondumlaufbahn. Der Dynamikbereich betrug 15.000. Das Signal-Rausch-Verhältnis variierte je nach Oberflächenalbedo und Phasenwinkel von 11–97, mit einer relativen Kalibrierung von 1 % und einer absoluten Kalibrierung von 30 %. Die Verstärkung variierte von 0,5X bis 36X.

Laser Image Detection and Ranging (LIDAR)-System

Reliefmessungen von LIDAR

Das Clementine Laser Image Detection And Ranging ( LIDAR )-Experiment wurde entwickelt, um die Entfernung von der Raumsonde zu einem Punkt auf der Mondoberfläche zu messen. Dies ermöglicht die Erstellung einer Höhenkarte, die verwendet werden kann, um die Morphologie großer Becken und anderer Mondmerkmale einzuschränken, die Spannungs- und Dehnungs- und Biegeeigenschaften der Lithosphäre zu untersuchen und mit der Schwerkraft kombiniert werden kann, um die Dichteverteilung in der Kruste. Das Experiment sollte auch Entfernungen zur Oberfläche von Geographos messen, aber diese Phase der Mission wurde aufgrund einer Fehlfunktion abgebrochen.

Das LIDAR-System bestand aus einem 180 mJ, 1064 nm Wellenlänge Nd-YAG ( Yttrium- Aluminium-Garnet) Lasersender, der Impulse zur Mondoberfläche sendete. Der Laser erzeugte einen Puls mit einer Breite von weniger als 10 ns. Bei einer Wellenlänge von 1064 nm hatte der Puls eine Energie von 171 mJ mit einer Divergenz von weniger als 500 Mikrorad. Bei 532 nm hatte es einen 9-mJ-Puls mit einer Divergenz von 4 Millirad. Der reflektierte Puls wanderte durch das High-Resolution Camera-Teleskop, wo er von einem dichroitischen Filter zu einem Silizium-Lawinen-Photodioden-Detektor abgespalten wurde. Der Detektor war ein einzelner 0,5 × 0,5 mm SiAPD-Empfänger mit einem Sichtfeld von 0,057 Quadratgrad. Der Laser hatte eine Masse von 1250 g, der Empfänger war in der 1120 g schweren HIRES-Kamera untergebracht. Die Laufzeit eines Impulses gab die Reichweite zur Oberfläche an. Der LIDAR-Speicher kann bis zu sechs Rückkehrerkennungen pro Laserabfeuerung speichern, wobei ein Schwellenwert für den besten Kompromiss zwischen verpassten Erkennungen und Fehlalarmen eingestellt wird. Die Rücksendungen wurden in 39,972 m Range Bins gespeichert, die der Auflösung des 14-Bit-Taktzählers entsprechen. Der LIDAR hat eine nominelle Reichweite von 500 km, aber es wurden Höhendaten für Höhen bis zu 640 km gesammelt, die eine Abdeckung von 60 Grad Süd bis 60 Grad Nord bis zum Ende der Mondphase der Mission ermöglichten. Die vertikale Auflösung beträgt 40 m und die horizontale Punktauflösung beträgt ca. 100 m. Der Spurabstand der Messungen am Äquator betrug ca. 40 km. Eine Messung wurde jede Sekunde über einen Zeitraum von 45 Minuten während jeder Umlaufbahn durchgeführt, was einen Abstand von 1–2 km entlang der Spur ergab.

Hochauflösende Kamera (HIRES)

Die Clementine High-Resolution Camera bestand aus einem Teleskop mit Bildverstärker und einem Frame-Transfer- CCD- Imager. Das Bildgebungssystem wurde entwickelt, um ausgewählte Teile der Oberflächen des Mondes und des erdnahen Asteroiden 1620 Geographos zu untersuchen, obwohl das Asteroiden-Rendezvous aufgrund einer Fehlfunktion abgebrochen wurde. Dieses Experiment ermöglichte die detaillierte Untersuchung von Oberflächenprozessen auf dem Mond und ermöglichte in Kombination mit Spektraldaten hochauflösende kompositorische und geologische Studien.

Der Imager war eine verstärkte Thompson-CCD-Kamera mit einem Filterrad mit sechs Positionen. Der Filtersatz bestand aus einem Breitbandfilter mit einem Bandpass von 400 bis 800 nm, vier Schmalbandfiltern mit Mittenwellenlängen (und Bandpassbreite (FWHM)) von 415 nm (40 nm), 560 nm (10 nm) , 650 nm (10 nm) und 750 nm (20 nm) und 1 lichtundurchlässige Abdeckung zum Schutz des Bildverstärkers. Das Sichtfeld betrug 0,3 x 0,4 Grad, was einer Breite von etwa 2 km bei einer nominellen Mondhöhe von 400 km entspricht. Das Bildarray ist 288 × 384 Pixel groß (Pixelgröße 23 × 23 Mikrometer), sodass die Pixelauflösung auf dem Mond je nach Höhe des Raumfahrzeugs 7–20 m betrug. (Bei Geographos wäre die Auflösung bei nächster Annäherung <5 m gewesen.) Die lichte Öffnung betrug 131 mm und die Brennweite 1250 mm. Die nominelle Bildrate betrug etwa 10 Bilder pro Sekunde in einzelnen Bildbursts, die alle Filter auf dem Mond abdeckten. Die hohe Auflösung und das kleine Sichtfeld ermöglichten nur die Abdeckung ausgewählter Bereiche des Mondes, entweder in Form von langen, schmalen Streifen einer einzelnen Farbe oder kürzeren Streifen von bis zu vier Farben. Das Instrument hat ein Signal-Rausch-Verhältnis von 13 bis 41, abhängig von Albedo und Phasenwinkel, mit 1 % relativer Kalibrierung und 20 % absoluter Kalibrierung und einem Dynamikbereich von 2000.

Das Teleskop der High-Resolution Camera wurde vom LIDAR-Instrument geteilt. Die 1064-nm-Laserrückstrahlung wurde unter Verwendung eines dichroitischen Filters auf den LIDAR-Empfänger (einen Avalanche-Photodioden-Detektor) aufgeteilt.

Die Bilder der HIRES können in der NASA World Wind Software betrachtet werden.

Vier orthographische Ansichten des Mondes
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0° 90° 180° 270°
PIA00302 PIA00303 PIA00304 PIA00305
Polarregionen (orthographisch, auf Pol zentriert)
Nordpol Südpol
PIA00002 PIA00001

Bistatisches Radarexperiment

Die „ Bistatic Radar Experiment“, während der Mission improvisierte, wurde zum Nachweis von aussehen entworfen Mond Wasser an den Polen des Mondes. Funksignale vom Sender der Clementine- Sonde wurden auf die Nord- und Südpolarregionen des Mondes gerichtet und ihre Reflexionen von Deep Space Network- Empfängern auf der Erde erkannt . Die Analyse der Stärke und Polarisation der reflektierten Signale deutete auf das Vorhandensein von flüchtigem Eis, das als Wassereis interpretiert wird, in den Oberflächenböden des Mondes hin. Eine mögliche Eisablagerung, die einem beträchtlichen See entspricht, wurde angekündigt. Allerdings machte spätere Studien die Verwendung von Radioteleskop Arecibo ähnliche Reflexionsmuster zeigte auch aus Bereichen , die nicht in permanentem Schatten (und in denen solche flüchtigen Bestandteile kann nicht bestehen bleiben), was zu Vermutungen , dass Clementine ' s Ergebnisse falsch interpretiert worden war , und waren wahrscheinlich auf andere Faktoren, als Oberflächenrauheit.

Nach der Mondmission

Am 7. Mai 1994 (UTC) erlitt Clementine einen Computerausfall, nachdem er die Mondumlaufbahn verlassen hatte. Der Fehler führte dazu, dass es seinen verbleibenden Treibstoff verbrauchte und das Raumfahrzeug mit bis zu 80 Umdrehungen pro Minute drehte. Es wurde bis zum Ende seiner Mission in einer geozentrischen Umlaufbahn eingesetzt, aber die Asteroidenreise wurde am 2. Mai abgebrochen.

Artefakte

Das technische Modell der Raumsonde Clementine hängt im Air & Space Museum in Washington, DC.

Verweise

  1. ^ a b "Jenseits der Erde: Eine Chronik der Weltraumforschung" . 20.09.2018.
  2. ^ Clementine Bistatic Radar Experiment , NASA
  3. ^ Eis auf dem Mond , NASA
  4. ^ Eis auf dem knochentrockenen Mond , Paul D. Spudis, Dezember 1996
  5. ^ a b c NASA - Clementine
  6. ^ "Clementine, Ingenieursmodell" . Abgerufen am 24. Mai 2021 .

Externe Links