LADEE (сокр. от англ. L unar A tmosphere and D ust E nvironment E xplorer — «Исследователь лунной атмосферы и пылевого окружения») — программа изучения лунной атмосферы и пылевого окружения её орбиты. Аппарат запущен 7 сентября 2013 года. Полная стоимость проекта оценена примерно в 280 миллионов долларов.

История и предпосылки

Миссия LADEE была представлена в феврале 2008 года во время оглашения бюджета НАСА на 2009 год. Изначально запуск планировалось осуществить совместно с запуском спутника GRAIL .

Свечение экзосферы Луны

В ходе полётов «Аполлонов» астронавты обнаружили, что солнечный свет рассеивается около лунного терминатора , вызывая «свечение горизонта» и «потоки света» над лунной поверхностью. Этот феномен наблюдался с тёмной стороны Луны в течение закатов и рассветов как с посадочных аппаратов на поверхности, так и астронавтами на лунной орбите. Рассеяние явилось неожиданностью, так как до этого считалось, что Луна практически не обладает атмосферой или экзосферой .

Однако, согласно моделям , предлагавшимся ещё с 1956 года , на дневной стороне ультрафиолетовое и гамма-излучение Солнца выбивают электроны из атомов и молекул . Образовавшиеся положительно заряженные пылевые частицы выбрасываются на высоты от нескольких метров до нескольких километров , при этом меньшие по массе частицы достигают бо́льших высот . А на ночной стороне пыль приобретает отрицательный заряд благодаря электронам из солнечного ветра. «Модель фонтана» предполагает, что на ночной стороне пыль приобретает бо́льший по величине заряд, чем на дневной, что должно приводить к выбросу частиц на бо́льшие высоты и с бо́льшими скоростями . Этот эффект может усиливаться во время прохождения Луной магнитного хвоста Земли . На линии терминатора при этом могут возникать сильные горизонтальные градиенты электрического поля между ночной и дневной стороной, что должно приводить к перемещению частиц пыли. Таким образом, достаточное количество пыли может постоянно находиться на больших высотах, что и могло явиться причиной наблюдавшихся свечений.

Другой причиной может служить «натриевый хвост» Луны, открытый в 1998 году во время наблюдения метеоритного потока Леонидов учёными Бостонского университета . Атомарный натрий постоянно испускается с поверхности Луны. Давление солнечного света ускоряет атомы, формируя протяжённый хвост в направлении от Солнца длиной в сотни тысяч километров. Этот хвост также может являться причиной наблюдавшихся лунных свечений.

Ограниченность дальней космической связи

Современные системы дальней космической связи могут обеспечить лишь крайне низкую скорость передачи данных. Например, бо́льшая часть данных от « Вояджеров » принимается со скоростью 160 бит/с , а передача изображений высокого разрешения с Марса может занимать 90 минут . Использование лазерных лучей вместо радиоволн в качестве средства передачи данных может дать существенный выигрыш в скорости передачи .

Цели миссии

Основные научные цели миссии LADEE :

1. Определение общей плотности , состава и изменчивости во времени экзосферы Луны до её возмущения дальнейшей деятельностью человека, а также поиск естественных процессов, оказывающих на неё влияние;
2. Определение причины рассеянного свечения, наблюдавшегося астронавтами « Аполлонов » в 10 километрах над поверхностью Луны;
3. Определение размеров, формы и пространственного распределения частиц космической пыли , движимых электростатическими полями.
4. Определение возможного влияния лунной атмосферы на будущие полёты и на возможность проведения астрономических наблюдений с поверхности Луны.

Проводились испытания системы двусторонней лазерной связи между Луной и Землей, которая позволит существенно увеличить скорость передачи данных по сравнению с существующими системами дальней космической связи , использующих для передачи радиоволны .

Устройство аппарата LADEE

Аппарат построен на базе космической платформы Modular Common Spacecraft Bus .

Двигатели

Двигательная система включает в себя и реактивную систему управления .

Система коррекции орбиты должна обеспечить основное ускорение аппарата LADEE . Главным двигателем, входящим в неё, является тягой 455 Н .

Система реактивного управления обеспечивает:

1. Удержание ориентации аппарата во время работы системы коррекции орбиты;
2. Сброс момента инерции маховиков системы гиростабилизации , управляющей ориентацией аппарата в промежутках между манёврами;
3. Выполнение манёвров в течение научной фазы полёта;
4. Последующий сход с орбиты для захоронения аппарата путём столкновения с поверхностью Луны.

Двигатели , входящие в систему реактивного управления, обеспечивают тягу 22 Н и являются уменьшенными аналогами главного двигателя.

Источники питания

Источниками питания являются 30 кремниевых солнечных панелей , расположенных на корпусе аппарата и обеспечивающих выходную мощность 295 ватт на расстоянии 1 а. е. .

В качестве аккумуляторов используется 1 литий-ионная батарея ёмкостью до 24 А·ч при напряжении 28 В .

Научная аппаратура

Орбитальный аппарат LADEE оборудован следующими и демонстраторами технологий:

• Нейтральный масс-спектрометр (NMS), предназначенный для исследования экзосферы Луны. Инструмент является развитием прибора , используемого в Mars Science Laboratory .
• Спектрометр ультрафиолетового и видимого диапазонов (UVS), который планируется использовать для исследования как межпланетной пыли, так и экзосферы Луны. Этот спектрометр является развитием спектрометра, работавшего в миссии LCROSS .
• Датчик пыли , позволяющий напрямую изучить пыль. Этот инструмент является развитием инструментов, работавших в миссиях « Галилео », « Улисс » и « Кассини ».
• Демонстратор технологии космической лазерной связи .

• 
  Схема расположения внешних приборов аппарата LADEE
• 
  Датчик пыли LDEX
• 
  Нейтральный масс-спектрометр NMS
• 
  Спектрометр ультрафиолетового и видимого диапазонов UVS

Полёт

Управление зондом осуществлялось из исследовательского центра Эймса .

Запуск

7 сентября 2013 года в 03:27 UTC (6 сентября в 23:27 EDT ) был успешно произведён запуск ракеты-носителя « Минотавр-5 » с аппаратом LADEE на борту с площадки 0B Среднеатлантического регионального космодрома , расположенного на территории центра полётов Уоллопс .

Кроме самого́ зонда LADEE , на орбиту вышли четвёртая и пятая ступени ракеты-носителя, став космическим мусором .

После отделения от ракеты-носителя зонд LADEE попытался остановить остаточное вращение с помощью маховиков системы ориентации. Однако бортовой компьютер обнаружил, что маховики потребляют слишком большой ток, и аварийно отключил их. Причиной послужили слишком жёсткие параметры системы защиты, заложенные перед стартом. На следующий день, после их корректировки, система ориентации была запущена вновь.

• 
  LADEE и ракета-носитель «Минотавр-5» на стартовой площадке
• 
  Запуск ракеты-носителя «Минотавр-5» с аппаратом LADEE
• 
  Старт LADEE , , штат Виргиния

Перелёт к Луне

Схема полёта зонда LADEE предполагает его вывод на высокоэллиптическую орбиту . В течение 3-х последовательных «фазирующих» витков вокруг Земли высота орбиты будет постепенно увеличиваться. На третьем витке запуск двигателя придаст зонду достаточную скорость для входа в зону действия притяжения Луны и перехода на ретроградную орбиту. Целевые параметры 3-го витка: высота в перигее — 200 км ; в апогее — 278 000 км ; наклон орбиты — 37,65°.

10 сентября 2013 года приблизительно в 7 утра по PDT (14 часов UTC ) космический аппарат ушёл в безопасный режим из-за ошибок в настройке двух камер системы звёздной ориентации, которые привели к ошибке при вычислении отклонений в тот момент, когда обе камеры оказались засвечены Солнцем. Ошибки были исправлены, и следующим утром, 11 сентября 2013 года, аппарат был выведен из безопасного режима и продолжил работу в штатном режиме.

11 сентября 2013 года в 16 часов по PDT (00 часов 12 сентября UTC ) был успешно выполнен манёвр AM-1 (сокр. от англ. Apogee Maneuver — «манёвр в апогее »). Это было тестовое включение главного двигателя системы коррекции орбиты. Тесты, проведённые после включения, говорят о том, что двигатель отработал штатно и без каких либо нареканий .

13 сентября 2013 года в 9:38 PDT (16:38 UTC ) был произведён первый «фазирующий» манёвр PM-1 (Perigee Maneuver — «манёвр в перигее »). Предварительные данные телеметрии показывают штатную работу всех систем. Зонд не уходил в безопасный режим ни до, ни после манёвра. Кроме того зонд впервые и успешно прошёл тень Земли .

15 сентября 2013 года были проведены первичные тесты научного оборудования . Поскольку инструменты всё ещё закрыты защитными крышками, то была произведена лишь проверка их электроники. Проверка не выявила никаких проблем в работе нейтрального массового спектрометра (NMS). Кроме того, были произведены темновые калибровочные съёмки на спектрометре ультрафиолетового и видимого диапазонов (UVS) .

17 сентября 2013 года завершена послестартовая проверка электроники демонстратора технологии лазерной связи . Непосредственно сеанс связи по оптическому каналу не планировался и проведён не был. Проверка показала, что LLCD полностью готов к работе .

18 сентября 2013 года нейтральный масс-спектрометр NMS подготовлен к снятию защитного чехла. Спектрометр ультрафиолетового и видимого диапазонов UVS второй раз прошёл темновые калибровочные съёмки и сейчас дополнительно подогревается, чтобы гарантировать отсутствие остатков воды. Зонд LADEE прошёл апогей и находится на втором «фазирующем» витке .

21 сентября 2013 года в 4:53 PDT (11:53 UTC ) успешно выполнен второй манёвр в перигее PM-2. Вместе с этим LADEE опять прошёл через тень Земли. Все бортовые системы, включая систему питания, работают в штатном режиме .

1 октября 2013 выполнен манёвр TCM-1 (Trajectory Correction Maneuver — «манёвр корректировки орбиты») . Запланированный на эту дату манёвр PM-3 не понадобился благодаря отлично произведённым предыдущим манёврам .

3 октября 2013 сброшена защитная крышка нейтрального масс-спектрометра NMS .

Выход на лунную орбиту и проверка систем

В этот период учёные проведут первые проверки бортового оборудования и научных приборов. Далее, в течение недели, специалисты переведут зонд на высокую окололунную орбиту. Планируется, что в результате манёвров этой фазы полёта аппарат LADEE выйдет на лунную орбиту с наклоном в 155°, после чего орбита будет постепенно понижена до рабочей .

На 6 октября 2013 года, при приближении к апогею на третьем витке, выполнен манёвр LOI-1 ( англ. Lunar Orbit Insertion — «выход на лунную орбиту»). Продолжительность манёвра составила 196 с , изменение скорости составило 267 м/с . В результате манёвра зонд LADEE вышел на 24-часовую эллиптическую орбиту вокруг Луны. Точность выполнения манёвра позволила избежать последующих корректировок орбиты .

9 октября 2013 года был выполнен манёвр LOI-2. Продолжительность — 198 с , изменение скорости — 296 м/с . В результате манёвра аппарат LADEE перешёл на эллиптическую орбиту вокруг Луны с периодом обращения 4 часа .

12 октября 2013 года выполнен манёвр LOI-3. Продолжительность — 146 с , изменение скорости — 239 м/с . По завершении этого манёвра зонд LADEE вышел на круговую лунную орбиту с перицентром на высоте приблизительно 235 км и апоцентром на высоте приблизительно 250 км . В результате всех манёвров аппарат LADEE выведен на расчётную орбиту и готов к работе.

16 октября 2013 года были завершены проверки инструментов LDEX и UVS .

Испытания системы двусторонней лазерной связи LLCD

18 октября 2013 года были проведены испытания системы двусторонней лазерной связи Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) . В результате удалось достичь скорости передачи данных 622 Мбит / сек с аппарата на наземную станцию и 20 Мбит / сек с наземной станции на аппарат, находившийся на расстоянии 385 000 км (239 000 миль ) от Земли .

Научная фаза

Номинальная орбита для научной миссии — почти круговая (приблизительно 50 км над поверхностью Луны) ретроградная экваториальная с периодом 113 минут , периселений орбиты — над терминатором . После того, как основная часть научной миссии была выполнена, орбитальный аппарат был помещён на более высокую эллиптическую орбиту для демонстрации технологии лазерной связи.

Завершение работы

Перед завершением миссии космический аппарат LADEE постепенно снижал свою орбитальную высоту и продолжал проведение научных наблюдений .

17 апреля 2014 года в 10:59 PDT (19:59 UTC ) LADEE столкнулся с поверхностью Луны .

Галерея

• 
  Тестирование основы LADEE , Modular Common Spacecraft Bus , в исследовательском центре Эймса , 2008 год.
• 
  Установка солнечных панелей на аппарат LADEE в чистой комнате исследовательского центра Эймса .
• 
  LADEE перед испытаниями на вибростенде , январь 2013 года.
• 
  LADEE перед установкой головного обтекателя, август 2013 года.

См. также

• Lunar Quest (космическая программа)

Примечания

Ссылки

• (англ.) . . NASA . Дата обращения: 7 сентября 2013.
• Алексей Тимошенко. (неопр.) . Наука и техника . Lenta.ru (7 сентября 2013). Дата обращения: 9 сентября 2013.
• Dwayne Brown. (англ.) (PDF). NASA (август 2013). Дата обращения: 10 сентября 2013.