Открыть главное меню

Lunar Prospector (буквально с англ. — «лунный геолог») — американская автоматическая межпланетная станция для исследования Луны, созданная в рамках программы НАСА «Discovery». Запущена 7 января 1998 года. Завершила работу 31 июля 1999 года

Lunar Prospector
Lunar Prospector orbiter.jpg
«Lunar Prospector» на орбите Луны (рисунок художника)
Заказчик Соединённые Штаты Америки NASA
Задачи изучение поверхности, магнитного, гравитационного полей Луны
Спутник Луны
Стартовая площадка Соединённые Штаты Америки База ВВС США на мысе Канаверал
Ракета-носитель Афина-2
Запуск 7 января 1998 02:28:44 UTC
Выход на орбиту 11 января 1998 10:28 UTC
Длительность полёта 570 дней
Сход с орбиты 31 июля 1999 9:52 UTC
NSSDC ID 1998-001A
SCN 25131
Технические характеристики
Масса 158 кг
Размеры диаметр: 1,40 м; высота: 1,25 м
Мощность 202 Вт
Логотип миссии
Lunar Prospector insignia.png
Сайт проекта
Commons-logo.svg Lunar Prospector на Викискладе

Содержание

Задачи полетаПравить

АМС Lunar Prospector предназначена для глобальной съёмки элементного состава поверхности Луны, исследования её гравитационного поля и внутреннего строения, магнитного поля и выделения летучих веществ. Первые комплексные исследования поверхности Луны были проведены ещё в ходе экспедиций на кораблях Аполлон. В 1994 году АМС «Клементина» впервые составила глобальную карту элементного состава Луны и в частности обнаружила большие запасы льда на её южном полюсе, что очень важно для дальнейшего освоения спутника Земли. Lunar Prospector’у предстояло дополнить и уточнить изыскания «Клементины», а главное — проверить наличие льда.

Конструкция аппаратаПравить

Основой конструкции КА является трёхгранная призма (половинка КА Iridium), к которой крепится внешняя цилиндрическая оболочка диаметром 1.40 и длиной 1.25 м. От цилиндра в направлениях, перпендикулярных оси, отходят три штанги научной аппаратуры длиной по 2.4 м. Масса заправленного КА — 295 кг. Станция стабилизируется вращением вокруг продольной оси. Система энергопитания включает смонтированные на цилиндрической оболочке солнечные элементы с выходной мощностью 206 Вт и никель-водородные аккумуляторные батареи. В системе управления и обработки данных отсутствует бортовой компьютер. Станция работает по командам, выдаваемым из центра управления, который оборудован в Исследовательском центре имени Эймса. Связь со станцией осуществляется через передатчик и приёмник диапазона S, работающие через всенаправленную антенну или антенну среднего усиления MGA, которые находятся на верхнем днище аппарата.

Научная аппаратураПравить

АМС несёт пять приборов:

  • Электронный рефлектометр ER, а также магнитометр MAG служат для обнаружения остаточного магнитного поля и возможного железного ядра Луны.
  • Нейтронный спектрометр NS фиксирует нейтроны, выбиваемые из поверхности Луны ядрами космических лучей, и определяет их энергии. По спектру нейтронов можно установить наличие в грунте водорода, а значит и воды. Аналогичная методика впоследствии нашла большое применение на Марсе (прибор HEND на АМС Mars Odyssey и др)
  • Гамма-спектрометр GRS предназначен для обнаружения 56 основных элементов лунной коры, в том числе калия и фосфора, титана, кремния, алюминия и железа, по их флюоресценции под жёстким излучением Солнца.
  • Альфа-спектрометр APS предназначен для поиска газов, выделяющихся из лунной поверхности в результате тектонических или вулканических явлений — азота, окиси углерода, углекислого газа и радона, и взаимодействия этих явлений с едва заметной лунной атмосферой.

Камеры видимого диапазона на станции нет. Это объясняется с одной стороны тем, что Луна давно и детально отснята, а с другой — тем, что разместить камеру на таком лёгком аппарате с жёсткими ограничениями по энергетике и радиокомплексу было невозможно.

Полёт АМС и научные результатыПравить

 
Траектория полёта Lunar Prospector

Запуск космического аппаратаПравить

Основной и резервой датой запуска Lunar prospector были назначены на 6 и 7 января 1998 года. Даты запуска формировались в соответствии с рядом условий. Во-первых запуск долженбыл произойти в течении 23 месяцев начиная с 16 сентября 1997 года — период без лунных затмений, что бы избежать длительного пребывания аппарата в земной тени. Дело в том, что аккумуляторы аппарата имели малую ёмкость и могли полностью разрядиться в тени. Во-вторых дата старта должна была опеспечить период, когда возможно непрерывное управление аппаратом на этапах перелёта и выхода на окололунную орбиту. Следующая возможная дата запуска выпадала на 5 февраля. Стартовое окно составляло всего четыре минуты[1].

Для запуска использовалась твёрдотопливная трёхступенчатая ракета-носитель «Афина-2». Это был первый «боевой» старт ракеты. Предыдущий, испытательный, был неудачным и завершился подрывом ракеты[2].

Изначально запуск должен был состояться 6 января 1998 года в 01:31 UTC (5 января в 20:31 EST), но из-за поломки радиолокатора службы обеспечения безопасности полёта авиабазы Патрик, старт был перенесён на следующий день. 7 января в 02:28:44 UTS (6 января в 21:28:44 EST) (первая секунда стартового окна) был произведён успешный запуск ракеты-носителя. Старт производился со стартовой позиции LC-46 космопорта Флорида[1]. Запуск ракеты-носителя контролировался с помощью контрольно-измерительных пунктов на острове Антигуа (Т +6 мин 20 сек), острове Вознесения (Т +20 мин 23 сек), и в Австралии (Т[к 1] +51 мин 40 сек)[1].

Запуск производился по азимуту 97.13° и отличался длительным вертикальным участком выведения. На 88-й секунде и высоте 19,05 км произошёл запуск второй ступени. Через пять с половиной минут после старта произошло отделение головного блока, состоявшего из жидкостной доводочной ступени англ. OAM, разгонного блока (РБ) TLI (англ. Trans Lunar Injection) и самого космического аппарата. Доводочная ступень OAM осуществила выведение на опорную орбиту высотой около 200 км и обеспечила ориентацию связки РБ+АМС во время баллистической паузы. Разделение OAM и РБ+АМС было произведено на 3315 секунде от момента старта после пролёта примерно 2/3 витка. После отделения OAM была произведена стабилизация TLI закруткой по продольной оси (57 об/мин) и включение твёрдотопливного ускорителя «Star 37FM», который проработал 64 секунды. После перехода с опорной орбиты на отлётную на Т +3390 сек прошла команда на включение питания систем Lunar Prospector. Запуск был полностью успешным, все системы сработали штатно. Космическому аппарату был присвоено международное регистрационное обозначение 1998-001A, а в каталог Космического командования США он был внесён под номером 25131. Ступень OAM сошла с орбиты 7 января[1].

Перелёт и выход на окололунную орбитуПравить

Путь от Землм до Луны проходил балее драматично, чем выведение на опорную орбиту. Связь с космическим аппаратом Lunar Prospector была установлена 7 января 1998 года в 03:47 UTS, через 47 минут с момента старта. Измерения подтвердили успешность выведения на орбиту перелёта к Луне — отклонение по скорости было мение 1 м/с. Телеметрия, полученная со станции, показала нормальный заряд батареи и потребляемый ток 3 А. Для передачи телеметрии со станции использовался геостационарный ретранслятор англ. TDRS. При этом прямой сигнал, получаемый со станции был слаб, по причине нахождения антенны в тени корпуса станции. Сам сигнал содержал большое количество ошибок, что крайне осложняло передачу команд на борт. Из-за плохого прохождения сигналов были отложены штатное развёртывание штанг с научными приборами и ориентация станции. На этом этапе было важно не допустить перегрева оборудования и парафиновых замков механизмов раскрытия штанг. Для решения этой проблемы была заданна временная ориентация 30° относительно траектрории[3].

К 12:30 UTS 7 января удалось раскрыть штанги приборов: нагревательные элементы штатно расплавили парафиновые замки и штанги заняли рабочее положение. После этого было подано напряжение на научное оборудование. По завершении этих операций был проведён манёвр англ. TCM-1[к 2], который, из-за возникших трудностей со связью, хотели пренести на сутки. Для обеспечения монёвра станция была переведена в рабочую ориентацию, которая поддерживалась вращением 12,2 об/мин[3].

8 января с 06:09 по 07:44 UTS было произведено последовательное подключение к источнику питания высокого напряжения электронного рефлектометра, нейтронного спектрометра и гамма-спектрометра — все приборы включились без замечаний. С 08:25 по 08:40 UTS был проведён манёвр англ. TCM-2, приведший к приращению скорости на 8,4 м/с. После манёвра планировалось перевести аппарат из перелётной ориентации (двигатели назад) в ориентацию перехода на окололунную орбиту (двигатели вперёд). Но баллистики запросили сутки для оценки параметров изменившейся орбиты. На 17:00 UST все системы Lunar Prospektor функционировали нормально, команды и телеметрия передовались без потерь, научные данные со скоростью 3600 Б/сек передавались через всенаправленную антенну, ориентация поддерживалась закруткой 12,685 об/мин. К полуночи было успешно передано 250 команд[3].

Третий день полёта начался с проблем со связью: в течении полутора часов станция дальней космической связи DSS-24 не могла обеспечить надёжный контакт с Lunar Prospector. Решить проблему удалось после переподстройки несущей частоты, но восстановить удалось только данные последних 53 минут телеметрии. После отладки связи производилась настройка и калибровка научных приборов. В этот день менеджер полётных операций Марси Смит обнародовала результаты коррекции TCM-2: манёвр был осуществлён столь успешно, что коррекция TCM-3 была отменена. После этого была успешно произведена смена полётной ориентации двигателями вперёд (LOI-ориентация) для перехода на окололунную орбиту. Планировавшийся на 11 января резервный манёвр перехода в LOI-ориентацию был отменён[3].

К 23:00 UTS 10 января на борт станции передали 8 команд, на что потребовалось 39 часов. 11 января Lunar Prospector перешёл на окололунную орбиту. Успех операции зависил от попадания в двухчасовое окно связанное с точкой максимального сближения с Луной. В 10:45 UTS на борт космического аппарата была загружена команда выполнения манёвра LOI-1[к 3]. Станция подошла к точке манёвра с отклонениями от планируемой орбиты:

Текст заголовка Расчётный показатель Практический показатель
Наклонение орбиты 89,9° 89,7°
Высота над поверхностью Луны 82 км 71 км
Время манёвра Т Т -33 сек

В 11:45 UTS начался манёвр LOI-1, который длился 32,2 минуты. Из-за ошибки в рассчётах станция дальнейсвязи не смогла контролировать процесс полностью и примерно пять минут данных,передаваемых с борта станции,оказались потерянными. Несмотря на потерю связи аппарат успешно вышел на окололунную «орбиту захвата» с высотой апоцентра около 8500 км и преиодом обращения 11,8 часов. Параметры орбиты были признанны удовлетворительными и резервная коррекция была отменена[3].

12 января в 10:58 UTS был проведён манёвр LOI-2. Чере 27 минут с момента включения двигателя Lunar Prospector перешёл на эллиптическую орбиту 83×1870 км и периодом обращения 210 мин. По завершении LOI-2 на борту станции осталось 58 кг топлива (израсходавано 80 кг). Ключевыми требованиями к орбите была возможность постоянной связи с Землёй и отсутствие затенённых участков. В результате манёвров LOI плоскость орбиты аппарата оказалась практически перпендикулярной направлению на Землю и световому потоку от Солнца. Переселий орбиты находился над 30° северной широты Луны[к 4]. Станция вращалась вокруг своей оси со скоростью 12,15 об/мин. Передача данных через всенаправленную антенны велась со скоростью 3600 бит в секунду[3].

13 января в 11:27 UTC Lunar Prospector провёл 27-ми минутный манёвр LOI-3 с целью перевести аппарат на околокруговую орбиту с высотой 100 км. Изменение орбиты проводилось по так называемой «консервативной схеме», которая не допускала чрезмерного снижения орбиты. Тормозной импульс был на 4% ниже номинального, что привело к формированию новой орбиты: 92×160 км, наклонение 89,93°, длительность витка около 2 часов. На коррекцию было потрачено 24 кг топлива. После манёвра станция имела закрутку 12 об/мин. Эта орбита имела короткий участок радиотени и впервые аппарат вошёл в него в 18:54 UTC и связь с Землёй прервалась на 7 минут[3].

14 января центр управления начал работы по переводу рабочих смен на дневное время — до этого основные операции выпадали на ночь по тихоокеанскому времени. К середине дня стали известны уточнённые параметры орбиты: 92×153 км, наклонение 90,1°, период обращения 120 мин. К полудню время нахождения в радиотени увеличилось до 33,5 мин[3].

15 января был проведён переход аппарата на рабочую орбиту. В 20:31 UTC была включена система нагрева двигателей, которые в 21:44 были включены на 76,6 сек для снижения скорости на 12,1 м/сек и уменьшения апоселения до 100 км. Второе включение двигателей произошло в 22:06 и длилось 14,6 сек, что привело к прирощению скорости на 2,6 м/сек и поднятию переселения до 99 км. В итоге была сформирована орбита 99×100 км, период обращения 118 мин, наклонение 90° и орбитальная скорость аппарата 1,63 км/с. В 23:57 началась серия из 139 импульсов двигателей с целью развернуть Lunar Prospector осью вращения перпендикулярно плоскости эклиптики и направить научные приборы в сторону поверхности Луны. Ось вращения была развёрнута на 31,5° и фактическое отклонение от оптимального составило 2,7°, что полностью укладывалось в допустимую погрешность. После завершения манёвров скорость закрутки станции срставила 12,09 об/мин[3].

По итогам перелёта аппарата Lunar Prospector от Земли до Луны Алан Байндер заявил, что получаемые научные данные лучше ожидаемых, а управление станцией он сравнил с детской игрой[3].

Ход миссииПравить

В ночь с 22 на 23 января на борт аппарата было передано 72 команды, которые должны были настроить магнитометр и электронный рефлектрометр. Кроме этого проводилась настройка остронаправленной антенны среднего усиления — её использование вместо всенаправленной антенны позволило поднять уровень мощности сигнала на 7 дБ, что улучшило условия получения сигнала на Земле[4].

10 февраля в 22:29 UTC был проведён манёвр изменения ориентации на Солнце. Для этого на борт передали 13 команд. В результате планировалось сместить ось вращения спутника на 1,7°, в результате получилось 1,84°. Для настройки гамма-спектрометра 21 февраля с Земли было передано 2 команды. А 27 февраля произошла частичная потеря данных при передачи на Землю: аппарат оказался на линии Солнце—Земля и в течении 9 минут приёмные станции получали солнечные помехи вместо полезного сигнала[5].

Научные результатыПравить

В течение 1998 года были решены большинство научных задач, ради которых запускался аппарат. Прежде всего, был уточнён возможный объём льда на южном полюсе Луны, его содержание в грунте учёные оценили как 1-10 % и ещё более сильный сигнал указывает на наличие льда на северном полюсе.[6] На обратной стороне Луны магнитометром были обнаружены сравнительно мощные локальные магнитные поля — 40 нТл (0,1 % от земного маг. поля), которые сформировали 2 небольшие магнитосферы диаметром около 200 км. По возмущениям в движении аппарата было обнаружено 7 новых масконов.

Также была проведена первая глобальная спектрометрическая съемка в гамма-лучах, по итогам которой были составлены карты распределения титана, железа, алюминия, калия, кальция, кремния, магния, кислорода, урана, редкоземельных элементов и фосфора, и создана модель гравитационного поля Луны с гармониками до 100-го порядка, что позволяет очень точно рассчитывать орбиту спутников Луны.[6]

По первоначальным планам Lunar Prospector должен был закончить работу до 28 июля 1999 года. В этот день должно было состояться лунное затмение, в ходе которого аппарат более чем на 3 часа остался бы без освещения Солнцем и неминуемо разрядил бы свои батареи. Однако аппарат выжил (ценой тотального отключения научной аппаратуры) и был готов совершить свой последний эксперимент: управляемое падение в кратер на южном полюсе Луны, где предполагалось наличие льда. По выбросу материалов во время удара учёные надеялись точно установить содержание льда в кратере. 31 июля аппарат выдал последний импульс и пошёл вниз. За событием наблюдали все крупнейшие телескопы Земли и космический телескоп Хаббл, однако никакого облака пыли или иного эффекта в месте падения обнаружено не было. Аналогичный эксперимент был повторен в 2006 году с АМС SMART-1, тогда слабую вспышку в месте удара зарегистрировал лишь один крупный телескоп на Гавайях.

КомментарииПравить

  1. Символ «Т» обозначает момен старта ракеты-носителя;
  2. первая коррекция траектории;
  3. англ. Lunar Orbit Insertion;
  4. примерно справа вверху при наблюдении с Землм;

ПримечанияПравить

  1. 1 2 3 4 И. Лисов. Запуск АМС «Lunar Prospector» // Новости космонавтики : журнал. — 1998. — № 1/2 (168/169). — С. 22.
  2. И. Лисов. Ракета-носитель «Athena 2» // Новости космонавтики : журнал. — 1998. — № 1/2 (168/169). — С. 49.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И. Лисов. АМС «Lunar Prospector» // Новости космонавтики : журнал. — 1998. — № 1/2 (168/169). — С. 27—30.
  4. С. Тимаков. «Lunar Prospector» // Новости космонавтики : журнал. — 1998. — № 3 (170). — С. 33.
  5. С. Карпенко. Lunar Prospector // Новости космонавтики : журнал. — 1998. — № 6 (173). — С. 17.
  6. 1 2 Завершение полета Lunar Prospector. Архивировано 17 февраля 2012 года.

СсылкиПравить

ЛитератураПравить