Mondpenetrometer - Lunar penetrometer

Das Mondpenetrometer war ein sphärisches elektronisches Werkzeug, mit dem die Tragfähigkeit des Mondes zur Vorbereitung der Landung von Raumfahrzeugen gemessen werden konnte . Es wurde von der NASA entworfen , um von einem über Kopf kreisenden Fahrzeug auf die Oberfläche fallen zu lassen und Informationen an das Raumschiff zu übertragen. Obwohl es für mehrere Mond- und Planetenmissionen vorgeschlagen wurde, wurde das Gerät von der NASA nie eingesetzt.

Geschichte

Das Mondpenetrometer wurde erstmals in den frühen 1960er Jahren im Rahmen des Lunar Penetrometer-Programms des NASA Langley Research Center entwickelt. Zu dieser Zeit veranlasste der immense Druck des laufenden Weltraumrennens die NASA, ihren Fokus von rein wissenschaftlichen Mondexpeditionen auf die Landung eines Mannes auf dem Mond vor den Russen zu verlagern. Infolgedessen wurden die Mondflugprojekte Ranger und Surveyor des Jet Propulsion Laboratory neu konfiguriert, um das Projekt Apollo direkt zu unterstützen .

Eines der Hauptprobleme, mit denen die NASA bei der Vorbereitung der Apollo-Mondlandung konfrontiert war, war die Unfähigkeit, die Oberflächeneigenschaften des Mondes in Bezug auf Landungen von Raumfahrzeugen und die Fortbewegung von Erkundungsfahrzeugen und Personal nach der Landung zu bestimmen. Während die zu dieser Zeit auf der Erde befindliche Funk- und Optiktechnologie großräumige Merkmale wie die Größe und Verteilung von Bergen und Kratern erkennen konnte, gab es keine erdbasierte Methode zur Messung kleinräumiger Merkmale wie der Mondoberfläche Textur und topografische Details mit angemessener Auflösung. 1961 schlug der Chefingenieur der NASA, Abe Silverstein , dem US-Kongress vor, dass Project Ranger dazu beitragen würde, wichtige Daten zur Oberflächentopographie des Mondes bereitzustellen, um die Apollo-Mondlandung zu erleichtern. Nachdem das Ranger-Programm finanziert worden war, wies Silverstein die NASA-Laboratorien an, potenzielle Instrumente zu untersuchen, die Informationen über die Härte der Mondoberfläche liefern könnten.

Das Lunar Penetrometer Program wurde kurz nach Silversteins Anweisung eingeführt und entwickelte ein stoßmessendes instrumentiertes Projektil oder Penetrometer , das vorläufige Informationen über die Mondoberfläche lieferte. Der Mond Penetrometer untergebrachte Auswirkungen Beschleunigungsmesser , dass der Verzögerungszeitverlauf des Projektils gemessen , wie es in Kontakt mit der Mondoberfläche gemacht seine Härte zu messen, Stärke trägt, und Durchdringbarkeit sowie ein Funkentfernungsmesser , den die Schlaginformationen zu einem entfernten Empfänger übertragen konnte . Die Kenntnis der vollständigen Geschichte der Aufprallbeschleunigungszeit hätte es den NASA-Forschern auch ermöglicht, die physikalische Zusammensetzung des Bodens festzustellen und festzustellen, ob er körnig, pulverförmig oder spröde war. Bei Erfolg war das Mondpenetrometer für den Einsatz für unbemannte Landungen in den Ranger- und Surveyor-Programmen sowie für die Apollo-Mission geplant.

Der Abteilungsleiter des Jet Propulsion Laboratory Space Sciences, Robert Meghreblian, entschied jedoch im August 1963, dass die Verwendung des Mondpenetrometers zur Bereitstellung von Informationen über die Mondoberfläche in situ zu riskant sei. Stattdessen wurde beschlossen, die Zusammensetzung der Mondoberfläche mithilfe von Gammastrahlenspektrometrie und Oberflächentopographie mittels Fernsehfotografie und Radarsuche zu bestimmen . 1966 wurde das Mondpenetrometer als potenzielles Schallgerät für die Apollo-Missionen untersucht, es liegen jedoch keine Informationen darüber vor, ob es auf diese Weise verwendet wurde.

Design

Um richtig zu funktionieren, wurde das Mondpenetrometer entwickelt, um die Beschleunigungen des Projektilkörpers während des Aufprallprozesses zu erfassen und die gesammelten Informationen an eine nahe gelegene Empfangsstation zu telemetrieren. Dazu musste das Penetrometer ein Beschleunigungserfassungsgerät sowie ein unabhängiges Telemetriesystem mit Stromversorgung , Sender und Antennensystem verpacken . Die Komponenten mussten auch in einem Gehäuse untergebracht werden, das einer Vielzahl von Stoßbelastungen standhalten konnte.

Das Mondpenetrometer hatte die Form eines sphärischen omnidirektionalen Penetrometers, das die Ausrichtung des Penetrometers während des Aufpralls nicht berücksichtigen musste, was in einer Umgebung mit wenig bis gar keiner Atmosphäre wie der Mondoberfläche schwer zu berücksichtigen war. Das omnidirektionale Design verpackte den Beschleunigungsmesser, den Computer, das Netzteil und das Telemetriesystem in einer Kugel mit einem Durchmesser von 3 Zoll. Das sphärische Instrumentenfach des Mondpenetrometers hatte einen omnidirektionalen Beschleunigungssensor in der Mitte, der von konzentrisch platzierten Batterien und elektronischen Modulen umgeben war. Die Komponenten waren in einer elektromagnetischen Abschirmung eingeschlossen , die eine einheitliche metallische Referenz für die Rundstrahlantenne lieferte, die das Instrumentenfach umgibt. Außerhalb des Abteils sorgte ein Aufprallbegrenzer aus Balsaholz für Stoßdämpfung, um die Aufprallkräfte auf die inneren Komponenten auf ein tolerierbares Maß zu begrenzen, und eine geringe Gesamtdichte des Penetrometers, um die Empfindlichkeit gegenüber weichen, schwachen Zieloberflächen sicherzustellen. Der Balsa-Schlagbegrenzer wurde mit einer dünnen Außenhülle aus Glasfaser- Epoxid beschichtet .

Beschleunigungsmesser

Im Rahmen des Mondpenetrometer-Programms beauftragte das NASA Langley Research Center die Harry Diamond Laboratories (später zum US Army Research Laboratory zusammengefasst ) mit der Entwicklung des omnidirektionalen Beschleunigungsmessers für das Mondpenetrometer. Der omnidirektionale Beschleunigungsmesser oder der omnidirektionale Beschleunigungssensor war ein Beschleunigungsmesser, der die Beschleunigungszeitverläufe unabhängig von seiner Winkelbeschleunigung oder Ausrichtung beim Aufprall messen konnte . Die Forscher der Harry Diamond Laboratories verwendeten ursprünglich eine hohle piezoelektrische Kugel, wechselten jedoch später zur Modifizierung eines herkömmlichen dreiachsigen Beschleunigungsmessers. Die momentane Größe der Beschleunigung wurde berechnet, indem die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der drei orthogonalen Beschleunigungszeitsignaturen erhalten wurde. Das omnidirektionale Beschleunigungsmesser widerstand maximal 40.000 G bei Schocktests und betrieben , um eine 20V Stromversorgung Zeichnung 10 mA verwenden.

Telemetriesystem

Das Telemetriesystem für das Mondpenetrometer wurde von der NASA beim kanadischen Verteidigungsunternehmen Computing Devices of Canada (heute General Dynamics Mission Systems ) in Auftrag gegeben. Es bestand aus einem Netzwerk, das den Ausgang des Beschleunigungsmessers einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker zuführte, der auch mit einem Master-Oszillator und einem Pufferverstärker verbunden war . Die Verstärker und der Oszillator fungierten zusammen als Sender, dessen Ausgänge einer sphärischen Antenne zugeführt wurden, die in die Außenhaut des Penetrometers eingebettet war.

Relais Handwerk

Aufgrund von Einschränkungen der verfügbaren Leistung, des Antennenwirkungsgrads und anderer Faktoren konnten die Informationen zur Aufprallbeschleunigung von den Mondpenetrometern nicht über große Entfernungen übertragen werden. Infolgedessen musste ein Relaisfahrzeug innerhalb des Übertragungsfeldes der Mondpenetrometer platziert werden, um die Mondpenetrometersignale abzufangen und an eine entfernte Empfangsstation zu senden. Wenn sich das Relaisfahrzeug wie ein übergeordnetes Raumschiff in mäßiger Reichweite einer Empfangsstation befindet, diente es dazu, die Mondpenetrometersignale einfach zu verstärken und umzuleiten. Bei größeren Entfernungen würde das Relaisfahrzeug eine Datensignalverarbeitung durchführen, bei der es den Spitzenleistungsbedarf der sofortigen Datenübertragung gegen eine längere Übertragungszeit austauschte, um die Anforderungen an die Stromversorgung zu verringern. Das Relaisfahrzeug funktionierte so, dass es die Mondpenetrometersignale empfing und erst dann an die Empfangsstation sendete, nachdem die Mondpenetrometer auf der Oberfläche gelandet waren und bevor das Relaisfahrzeug selbst auf den Boden stürzte. Infolgedessen würde dem Relaisfahrzeug eine strenge Frist auferlegt, um die von den Penetrometern gesendeten erforderlichen Daten zu liefern.

Operation

Während der Mondaufklärung würde eine Nutzlast, die das Mondpenetrometer und die Relaisstationsstruktur enthält, auf dem Raumschiff montiert, wenn es zu seinem Ziel fährt. Oberhalb der Mondoberfläche würde das Raumschiff die Nutzlast freigeben, die sich für die Stabilität der Achslage drehen und den Haupt- Retrorocket- Motor verwenden würde, um die Sinkgeschwindigkeit zu verringern. Bei ungefähr 5.600 Fuß über dem Zielbereich würde der zweite Retrorocket feuern, sobald der Hauptretrorocket von der Nutzlast abgeworfen wurde. Die aus der Spinstabilisierungstechnik resultierende Zentrifugalkraft würde dazu führen, dass sich eine Salve von Mondpenetrometern verteilt und frei zur Mondoberfläche fällt. Der Nutzlastwagen würde insgesamt 16 Mondpenetrometer aufnehmen, die in Intervallen von etwa vier Sekunden in vier Salven freigesetzt würden. Der Aufprall der Mondpenetrometer wird je nach Zieloberfläche als elastisch, plastisch oder durchdringend eingestuft. Nach dem Ausbrennen des sekundären Retrorockets würde die Nutzlast ebenfalls frei auf die Mondoberfläche fallen. Sobald die Penetrometer Kontakt mit der Mondoberfläche haben, werden die Aufprallinformationen an die absteigende Nutzlast-Relaisstation übertragen, die dann an ein Sendeantennensystem auf der Erde weitergeleitet wird. Kurz gesagt, diese Kommunikationskette würde innerhalb des Zeitintervalls zwischen der Freigabe der Mondpenetrometer und dem Moment stattfinden, in dem die Nutzlastrelaisstation auf der Mondoberfläche landet.

Testen

Schockprüfung

Harry Diamond Laboratories wurde beauftragt, eine Hochenergie-Schocktestmethode zu entwickeln, mit der das Verhalten des omnidirektionalen Beschleunigungsmessers während eines Beschleunigungspeaks bei 20.000 G überwacht wurde. Komponenten des omnidirektionalen Beschleunigungsmessers wie Widerstände , Kondensatoren , Oszillatoren und Magnetkerne wurden a unterzogen modifizierter Luftgewehrtest . Die zu testende Komponente wurde in einem Zielkörper in einem Verlängerungsrohr vor einer Luftpistole platziert. Die Luftpistole feuerte ein Projektil ab, traf auf den Zielkörper und beschleunigte ihn auf eine Spitze von 20.000 G, bis es das Leitziel nur noch in kurzer Entfernung im Verlängerungsrohr traf. Die Ergebnisse des Schocktests zeigten, dass sich die Widerstände und Kondensatoren während des Schocks nur sehr wenig änderten, während der handelsübliche Unterträgeroszillator und die bandgewickelten Magnetkerne erheblich betroffen waren.

Schlagprüfung

Mit dem sphärischen Mondpenetrometer wurden mehr als 200 Schlagversuche durchgeführt, um seine Bodenpenetrationseigenschaften zu untersuchen. Die meisten bestanden darin, die Penetrometer mit Geschwindigkeiten von 6 bis 76 m / s auf einen weiten Bereich von Zielmaterialien aufzuschlagen und dann die gemessenen Aufpralleigenschaften aufzuzeichnen. In mehreren Experimenten wurde die Fähigkeit des Penetrometers untersucht, die Tiefe vorherzusagen, bis zu der ein Mondmodul die Oberfläche der Landezone durchdringen würde. Die Ergebnisse dieser Studien ergaben, dass die Mondpenetrometer nicht nur die Art der aufprallenden Oberfläche, dh ob die Oberfläche starr oder kollabierbar war, erfolgreich identifizierten, sondern auch zwischen teilchenförmigen Materialien unterschiedlicher Lagerfestigkeit und Spitzenaufprallbeschleunigungen unterschieden. Die Mondpenetrometer waren in der Lage, die Bedingungen der Landeplatzdurchdringungen genau vorherzusagen.

Sounding Geräteanwendung

Das Mondpenetrometer wurde 1966 als potenzielles Schallgerät für eine bemannte Apollo-Mondmodullandung untersucht. Das Gerät wurde vorgeschlagen, um Astronauten bei der Entscheidung vor Ort zu unterstützen, ob eine sichere Landung des Mondmoduls möglich ist. Einmal einzeln oder in Salve innerhalb der Landezone fallen gelassen, könnten die Mondpenetrometer beim Aufprall autonom ein Beschleunigungszeitprofil übertragen und die Oberflächenhärte der Landezone charakterisieren. Eine kurze Studie zur Machbarkeit dieser Anwendung wurde durchgeführt, um die Flug-, Flugbahn- und Aufprallparameter der Mondpenetrometer zu bestimmen, die einmal von einem Mondmodul gestartet wurden. Die Studie ergab, dass die Aufprallgeschwindigkeiten des Mondpenetrometers auf einen Bereich von 120 ft / s bis 200 ft / s begrenzt waren, was bedeutet, dass die Aufprallwinkel der Geschwindigkeiten zwischen 54 und 62 Prozent von der Vertikalen abweichen müssten. Der früheste Start eines Mondpenetrometers erfolgte in einer Reichweite von 3.400 Fuß und einer Höhe von 1.075 Fuß, wodurch die Besatzung im Mondmodul 16 Sekunden Zeit hatte, um die Penetrometerdaten zu analysieren.

Verweise