La atmósfera lunar y polvo Explorador de Medio Ambiente ( LADEE ; / l æ d i / ) [5] fue un NASA exploración lunar y demostración de la tecnología misión. Fue lanzado en un cohete Minotaur V desde el puerto espacial regional del Atlántico medio el 7 de septiembre de 2013. [6] Durante su misión de siete meses, LADEE orbitó alrededor del ecuador de la Luna, utilizando sus instrumentos para estudiar la exosfera lunar y el polvo en el Cerca de la luna. Los instrumentos incluyen un detector de polvo, neutralespectrómetro de masas , y ultravioleta-visible espectrómetro , así como una demostración de la tecnología que consiste en un láser de comunicaciones de terminal. [7] La misión terminó el 18 de abril de 2014, cuando los controladores de la nave espacial se estrelló intencionalmente LADEE en el lado lejano de la luna , [8] [9] que, más tarde, se determinó que era cerca del borde oriental de Sundman V cráter . [10]
Tipo de misión | Investigación atmosférica lunar |
---|---|
Operador | NASA |
ID COSPAR | 2013-047A |
SATCAT no. | 39246 |
Sitio web | nasa |
Duración de la misión | Misión principal: 100 días Misión extendida: 28 días Duración total: 223 días |
Propiedades de la nave espacial | |
Autobús | MCSB |
Fabricante | Centro de investigación Ames |
Masa de lanzamiento | 383 kg (844 libras) [1] |
Secado masivo | 248,2 kg (547 libras) [1] |
Masa de carga útil | 49,6 kg (109 libras) [1] |
Dimensiones | 1,85 × 1,85 × 2,37 m (6,1 × 6,1 × 7,8 pies) [1] |
Energía | 295 vatios [1] |
Inicio de la misión | |
Fecha de lanzamiento | 7 de septiembre de 2013, 03:27 UTC [2] |
Cohete | Minotauro V |
Sitio de lanzamiento | Almohadilla Wallops 0B |
Contratista | Orbital [1] |
Fin de la misión | |
Disposición | Desorbitado |
Fecha de decaimiento | 18 de abril de 2014 , ~ 04: 30 UTC |
Parámetros orbitales | |
Sistema de referencia | Selenocéntrico [3] |
Altitud de periseleno | 25 a 50 km (16 a 31 mi) [4] |
Altitud aposelene | 60 a 80 km (37 a 50 millas) [4] |
Inclinación | 157 grados [4] |
Período | 111,5 a 116,5 minutos [1] |
Época | Planificado (fase científica) |
Orbitador lunar | |
Inserción orbital | 6 de octubre de 2013, 10:57 UTC |
Logotipo de la misión |
Planificación y preparativos
LADEE se anunció durante la presentación del presupuesto de la NASA para el año fiscal 2009 en febrero de 2008. [ cita requerida ] Inicialmente se planeó su lanzamiento con los satélites Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL). [11]
Las pruebas mecánicas que incluyen pruebas acústicas , de vibración y de choque se completaron antes de las pruebas de la cámara de vacío térmica a gran escala en el Centro de Investigación Ames de la NASA en abril de 2013. [12] Durante agosto de 2013, LADEE se sometió a balanceo final, repostaje y montaje en el lanzador, y todo Las actividades previas al lanzamiento se completaron el 31 de agosto, listas para la ventana de lanzamiento que se abrió el 6 de septiembre. [13]
NASA Ames fue responsable de las funciones diarias de LADEE, mientras que el Goddard Space Flight Center operaba el conjunto de sensores y las cargas útiles de demostración de tecnología, así como la gestión de las operaciones de lanzamiento. [14] La misión LADEE costó aproximadamente $ 280 millones, que incluyeron desarrollo de naves espaciales e instrumentos científicos, servicios de lanzamiento, operaciones de la misión, procesamiento científico y soporte de retransmisión. [1]
Resplandor atmosférico
La Luna puede tener una atmósfera tenue de partículas en movimiento que saltan y caen constantemente de la superficie de la Luna, dando lugar a una "atmósfera de polvo" que parece estática pero está compuesta de partículas de polvo en constante movimiento. Según los modelos propuestos a partir de 1956, [16] en el lado iluminado por el día de la Luna, la radiación solar ultravioleta y de rayos X es lo suficientemente enérgica como para eliminar los electrones de los átomos y moléculas del suelo lunar. Las cargas positivas se acumulan hasta que las partículas más pequeñas de polvo lunar (que miden 1 micrómetro y menos) son repelidas de la superficie y se elevan desde metros a kilómetros de altura, y las partículas más pequeñas alcanzan las altitudes más altas. [16] [17] [18] [19] Finalmente, caen hacia la superficie donde se repite el proceso. En el lado nocturno, el polvo está cargado negativamente por electrones en el viento solar . De hecho, el "modelo de la fuente" sugiere que el lado nocturno se cargaría a voltajes más altos que el lado diurno, posiblemente lanzando partículas de polvo a velocidades y altitudes más altas. [17] Este efecto podría intensificarse aún más durante la parte de la órbita de la Luna donde pasa a través de la cola magnética de la Tierra ; [20] ver Campo magnético de la Luna para más detalles. En el terminador podrían formarse campos eléctricos horizontales significativos entre las áreas diurna y nocturna, lo que resultaría en un transporte de polvo horizontal. [20]
Además, se ha demostrado que la Luna tiene una " cola de sodio " demasiado débil para ser detectada por el ojo humano. Tiene cientos de miles de millas de largo y fue descubierto en 1998 como resultado de la observación de la tormenta de meteoros Leónidas por parte de científicos de la Universidad de Boston . La Luna libera constantemente gas de sodio atómico de su superficie, y la presión de la radiación solar acelera los átomos de sodio en la dirección anti-sol, formando una cola alargada que apunta en dirección opuesta al Sol. [21] [22] [23] En abril de 2013, aún no se había determinado si los átomos de gas de sodio ionizado o el polvo cargado son la causa de los resplandores de la Luna. [24]
Módulo de aterrizaje chino
Se esperaba que la nave espacial china Chang'e 3 , que se lanzó el 1 de diciembre de 2013 y entró en órbita lunar el 6 de diciembre, [25] contamine la tenue exosfera lunar tanto con el propulsor de los motores encendidos como con el polvo lunar del aterrizaje del vehículo. [26] Si bien se expresó preocupación de que esto pudiera interrumpir la misión de LADEE, [26] como sus lecturas de referencia de la exosfera de la Luna, en cambio proporcionó un valor científico adicional ya que se conocían tanto la cantidad como la composición del escape del sistema de propulsión de la nave espacial. [27] Los datos de LADEE se utilizaron para rastrear la distribución y eventual disipación de los gases de escape y el polvo en la exosfera de la Luna. [27] [28] También fue posible observar la migración del agua , un componente del escape, dando una idea de cómo se transporta y queda atrapada alrededor de los polos lunares. [29]
Objetivos de la misión
La misión LADEE se diseñó para abordar tres objetivos científicos principales: [30]
- Determinar la densidad global, la composición y la variabilidad temporal de la tenue exosfera lunar antes de que sea perturbada por más actividad humana;
- Determinar si los avistamientos de emisión difusa del astronauta del Apolo a decenas de kilómetros sobre la superficie fueron resplandor de sodio o polvo;
- Documentar el entorno del impactador de polvo (tamaño, frecuencia) para ayudar a guiar la ingeniería de diseño para el puesto de avanzada y también para futuras misiones robóticas;
y un objetivo de demostración de tecnología :
- Demuestre la comunicación láser bidireccional desde la órbita lunar. [31]
Operaciones de vuelos espaciales
Lanzamiento
LADEE fue lanzado el 7 de septiembre de 2013 a las 03:27 UTC (6 de septiembre a las 11:27 pm EDT), desde la instalación de vuelo Wallops en el puerto espacial regional del Atlántico medio en un cohete portador Minotaur V. [32] Esta fue la primera misión lunar que se lanzó desde esa instalación. El lanzamiento tenía el potencial de tener visibilidad a lo largo de gran parte de la costa este de Estados Unidos, desde Maine hasta Carolina del Sur; el tiempo despejado permitió que numerosos observadores desde la ciudad de Nueva York hasta Virginia observaran el ascenso, el corte de la primera etapa y el encendido de la segunda etapa. [33]
Como el Minotaur V es un cohete de propulsor sólido , el control de actitud de la nave espacial en esta misión funcionó de manera un poco diferente a un cohete típico de combustible líquido con una retroalimentación de circuito cerrado más continua . Las primeras tres etapas del Minotauro "vuelan en un perfil de actitud preprogramado" para ganar velocidad y llevar el vehículo a su trayectoria preliminar, mientras que la cuarta etapa se usa para modificar el perfil de vuelo y entregar la nave espacial LADEE en el perigeo para la quinta con giro estabilizado. etapa para luego poner la nave espacial en una órbita altamente elíptica alrededor de la Tierra , la primera de tres, para comenzar un tránsito lunar de un mes de duración. [34]
Aunque ahora estaban separados de la nave espacial LADEE, tanto la cuarta como la quinta etapa del Minotauro V alcanzaron la órbita, y ahora son desechos espaciales en la órbita de la Tierra . [3]
Tránsito lunar
LADEE adoptó un enfoque inusual en su tránsito por la Luna . Lanzada a una órbita terrestre altamente elíptica , la nave dio tres vueltas cada vez más grandes alrededor de la Tierra [3] antes de acercarse lo suficiente para entrar en la órbita lunar . El tránsito requirió aproximadamente un mes. [35]
Después de separarse del Minotauro, se detectaron altas corrientes eléctricas en las ruedas de reacción del satélite, lo que provocó que se apagaran. No hubo indicios de avería y, una vez ajustados los límites de protección, se reanudó la orientación con ruedas de reacción al día siguiente. [36]
La nave espacial LADEE realizó tres " órbitas en fase " de la Tierra antes de realizar una inserción en la órbita lunar (LOI), que se produjo en el perigeo de la tercera órbita utilizando un motor encendido de tres minutos. [3] La órbita objetivo de la tercera órbita terrestre tenía un perigeo de 200 kilómetros (120 millas), un apogeo de 278.000 km (173.000 millas) y una inclinación de 37,65 grados. El argumento planificado del perigeo es de 155 grados, mientras que su energía característica , C3, es de -2,75 km 2 / s 2 . [3] La nueva trayectoria que utiliza bucles de fase orbital se realizó por cuatro razones principales: [37]
- el vehículo de lanzamiento Minotaur V no tenía suficiente delta-v para poner el LADEE de 383 kg (844 lb) directamente en una inyección translunar .
- para manejar posibles dispersiones de lanzamiento fuera de lo nominal del Minotaur V, que es una pila de cinco etapas de cohetes sólidos , y no se considera un cohete particularmente preciso, de una manera eficiente en el propulsor, dejando el perfil de la órbita flexible a grandes dispersiones en la órbita de inyección inicial.
- para ampliar la ventana de lanzamiento a cinco días. En el caso, LADEE no necesitaba esto ya que el lanzamiento se produjo al comienzo de la ventana el primer día.
- para aumentar la robustez de la misión ante cualquier maniobra orbital anómala o fallida con la nave espacial.
Comprobación de la órbita lunar y los sistemas
LADEE entró en órbita lunar el 6 de octubre de 2013, cuando LADEE se puso en una órbita de captura elíptica de 24 horas de duración. [38] LADEE se redujo aún más a una órbita de cuatro horas el 9 de octubre de 2013, [39] Se produjo una quemadura más el 12 de octubre, bajando LADEE a una órbita circular alrededor de la Luna con una altitud de aproximadamente 250 kilómetros (160 millas) para su fase de puesta en servicio, que duró unos 30 días. [40] Los sistemas e instrumentos de LADEE fueron revisados después de que la órbita se redujo a 75 km (47 millas) de altitud. [3]
Demostración de comunicación láser lunar
El sistema de láser pulsado de demostración de comunicación láser lunar (LLCD) de LADEE realizó una prueba exitosa el 18 de octubre de 2013, transmitiendo datos entre la nave espacial y su estación terrestre en la Tierra a una distancia de 385.000 kilómetros (239.000 millas). Esta prueba estableció un récord de enlace descendente de 622 megabits por segundo (Mbps) desde la nave espacial a la tierra, y una "tasa de carga de datos sin errores de 20 Mbps" desde la estación terrestre a la nave espacial. [41] Las pruebas se llevaron a cabo durante un período de prueba de 30 días. [42]
El LLCD es un sistema de comunicación óptica de espacio libre . Es el primer intento de la NASA de comunicación espacial bidireccional utilizando un láser óptico en lugar de ondas de radio . Se espera que conduzca a sistemas láser operativos en futuros satélites de la NASA. La próxima iteración del concepto será la Demostración del relé de comunicaciones láser programada para 2017. [41] Además, se ha propuesto como carga útil para el orbitador Phobos And Deimos & Mars Environment (PADME). [43]
Fase de ciencia
Para las operaciones científicas, LADEE se maniobró en una órbita con un periseleno de 20 km (12 mi) y un aposelene de 60 km (37 mi). [1] La fase científica de la misión principal de LADEE se planeó inicialmente como 100 días, [3] y luego se le dio una extensión de 28 días. La extensión brindó una oportunidad para que el satélite recopilara un ciclo lunar completo adicional con datos de muy baja altitud para ayudar a los científicos a desentrañar la naturaleza de la exosfera tenue de la Luna. [44]
Fin de la misión
Los controladores de la nave espacial ordenaron un encendido final del motor el 11 de abril de 2014, para bajar LADEE a 2 km (1 mi) de la superficie de la Luna y prepararlo para el impacto a más tardar el 21 de abril. [8] [9] [45] El Luego, la sonda se ocupó del eclipse lunar de abril de 2014 el 15 de abril, durante el cual no pudo generar energía porque estuvo a la sombra de la Tierra durante cuatro horas. [46] Los instrumentos científicos se apagaron y los calentadores se activaron durante el evento para conservar energía pero mantener caliente la nave espacial. [46] Los ingenieros no esperaban que LADEE sobreviviera, ya que no estaba diseñado para manejar un entorno de este tipo, pero salió del eclipse con solo unas pocas fallas en el sensor de presión. [9]
Durante su penúltima órbita el 17 de abril, la periapsis de LADEE lo llevó a 300 m (1,000 pies) de la superficie lunar. [47] El contacto con la nave espacial se perdió alrededor de las 04:30 UTC del 18 de abril cuando se movió detrás de la Luna. [8] [48] LADEE golpeó la superficie del lado lejano de la Luna en algún momento entre las 04:30 y las 05:22 a una velocidad de 5.800 km / h (3.600 mph). [9] [47] La cara oculta de la Luna fue elegida para evitar la posibilidad de dañar lugares históricamente importantes como los lugares de aterrizaje de la Luna y el Apolo . [8] La NASA usó el Lunar Reconnaissance Orbiter para obtener imágenes de la ubicación del impacto, que se determinó que estaba cerca del borde este del cráter Sundman V. [10] [45] [47]
Astronave
Diseño
LADEE es la primera nave espacial diseñada , integrada , construida y probada por el Centro de Investigación Ames de la NASA . [49] La nave espacial tiene un diseño novedoso (un autobús espacial nunca antes volado), y de un costo mucho menor que las misiones científicas típicas de la NASA, que presentó desafíos novedosos para el equipo de diseño de trayectorias para lograr que la nueva nave espacial se lanzara a la Luna con un plan de trayectoria de vuelo espacial de alta confianza, mientras se trata de un nuevo cohete de primer uso (Minotaur V) y una nave espacial sin legado de prueba de vuelo . (ver Tránsito lunar , más arriba). [49]
La misión LADEE hace uso del Bus Modular Common Spacecraft , o carrocería, hecha de un compuesto de carbono ligero con una masa sin combustible de 248,2 kg (547 lb). El autobús tiene la capacidad de realizar varios tipos de misiones, incluidos viajes a la Luna y objetos cercanos a la Tierra, con diferentes módulos o sistemas aplicables. Este concepto modular es una forma innovadora de pasar de los diseños personalizados a diseños de usos múltiples y producción en línea de ensamblaje, lo que podría reducir drásticamente el costo del desarrollo de naves espaciales. [50] Los módulos de bus de la nave espacial LADEE consisten en el Módulo Radiador que transporta la aviónica, el sistema eléctrico y los sensores de actitud; el módulo de bus; el módulo de carga útil que lleva los dos instrumentos más grandes; y los módulos de extensión, que albergan el sistema de propulsión. [1]
- Especificaciones
La estructura principal tiene 2,37 m (7,8 pies) de altura, 1,85 m (6,1 pies) de ancho y 1,85 m (6,1 pies) de profundidad. La masa total de la nave espacial es de 383 kg (844 lb). [1]
Energía
La energía eléctrica se generó mediante un sistema fotovoltaico compuesto por 30 paneles de células solares de silicio que producían 295 W en una UA . Los paneles solares se montaron en las superficies exteriores del satélite y la energía eléctrica se almacenó en una batería de iones de litio que proporciona hasta 24 Ah de 28 voltios de energía. [1]
Sistema de propulsión
El sistema de propulsión LADEE constaba de un sistema de control de órbita (OCS) y un sistema de control de reacción (RCS). El OCS proporcionó control de velocidad a lo largo del eje + Z para grandes ajustes de velocidad. El RCS proporcionó control de actitud de tres ejes durante las quemaduras del sistema OCS, y también proporcionó descargas de impulso para las ruedas de reacción, que eran el sistema de control de actitud principal entre las quemaduras de OCS. [32]
El motor principal era un propulsor Apogee de alto rendimiento 455 N (HiPAT). Los propulsores de control de actitud 22N de alta eficiencia se fabrican con materiales de alta temperatura y similares al HiPAT. El motor principal proporcionó la mayor parte del empuje para las maniobras de corrección de la trayectoria de la nave espacial. Los propulsores del sistema de control se utilizaron para las pequeñas maniobras previstas para la fase científica de la misión. [1]
Después de la fase científica, se produjo un período de desmantelamiento, durante el cual la altitud se redujo gradualmente hasta que la nave espacial impactó la superficie lunar. [1]
Carga útil de la ciencia
LADEE llevaba tres instrumentos científicos y una carga útil de demostración tecnológica.
La carga útil científica consta de: [51]
- El espectrómetro de masas neutrales (NMS), que realizó mediciones in situ de átomos y moléculas exosféricas mediante espectroscopía de masas . Partes de NMS se basaron en el instrumento SAM en el Laboratorio de Ciencias de Marte .
- El espectrómetro UV-Vis (UVS), que midió tanto el polvo como la exosfera mediante espectroscopía ultravioleta-visible . El instrumento se basó en el espectrómetro UV-Vis de la misión LCROSS .
- Lunar Dust EXperiment (LDEX), que midió directamente el polvo utilizando un detector de ionización por impacto. Esto funciona midiendo la ionización de las partículas que golpean el detector. [52] El instrumento se basó en la experiencia obtenida con instrumentos similares en Galileo , Ulysses y Cassini .
Carga útil de demostración de tecnología
LADEE también llevó una carga útil de demostración de tecnología para probar un sistema de comunicación óptica . La demostración de comunicación láser lunar (LLCD) utilizó un láser para transmitir y recibir datos como pulsos de luz, de la misma manera que los datos se transfieren en un cable de fibra óptica . Se utilizaron tres estaciones terrestres. Este método de comunicación podría proporcionar velocidades de datos cinco veces más altas que el sistema de comunicación por radiofrecuencia anterior . [31] [53] La tecnología es un predecesor directo del sistema de demostración de relé de comunicaciones láser (LCRD) de la NASA, que se lanzará en 2017. [54] [55]
LADEE con instrumentos etiquetados
NMS
UVS
LDEX
Resultados preliminares
Los equipos científicos de LADEE continuaron analizando los datos adquiridos en el momento del aterrizaje del Chang'e 3 el 14 de diciembre de 2013. [56]
- El equipo Lunar Dust EXperiment (LDEX) notó un aumento en el polvo alrededor del momento del aterrizaje. Sin embargo, el aumento precedió al tiempo de aterrizaje por muchas horas, lo que sugiere un origen diferente. De hecho, la lluvia de meteoros Gemínidas coincidió con este evento de aterrizaje y produjo un elevado recuento de polvo antes, durante y después del período de aterrizaje. [56] El equipo informó que "si LADEE encontrara partículas de suelo lunar arrojadas por el descenso final de Chang'e 3, se habrían perdido en el trasfondo de los eventos producidos por Geminid". [56]
- El equipo del espectrómetro de masas neutrales (NMS) ha estado buscando los datos de especies de gases de escape como agua, monóxido de carbono y dióxido de carbono (CO y CO 2 ), así como nitrógeno (N 2 ). [56]
- El espectrómetro de luz ultravioleta y visible (UVS) llevó a cabo una serie de observaciones antes / después en busca de efectos tanto del aterrizaje como de las lluvias de meteoritos. El análisis reveló un aumento de sodio en la exosfera en relación con la lluvia de meteoros Gemínidas, así como evidencia de una mayor dispersión de luz debido al polvo. El UVS también monitoreó las líneas de emisión de oxígeno atómico y vio emisiones que pueden haber indicado la presencia de hierro (Fe) y titanio ( Ti ), que se esperaban pero que nunca antes se habían observado. [56]
- Se determinó que los gases de helio , argón y neón son las especies más abundantes en la exosfera lunar. [57] [58] Se encontró que el helio y el neón eran suministrados por el viento solar . [57]
- El 17 de agosto de 2015, basándose en estudios con la nave espacial LADEE, los científicos de la NASA informaron de la detección de neón en la exosfera de la Luna. [59]
Equipo
El equipo de LADEE incluyó colaboradores de la Sede de la NASA, Washington DC, el Centro de Investigación Ames de la NASA, Moffett Field, California, el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland , y el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado en Boulder. [60] Los investigadores invitados incluyen a los de la Universidad de California, Berkeley, el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, Laurel, Maryland; la Universidad de Colorado; la Universidad de Maryland; y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland. [60]
Galería
LADEE en agosto de 2013, antes de ser encapsulado en su carenado
LADEE montado en la mesa de vibración antes del inicio de las pruebas de vibración en enero de 2013
LADEE en la sala limpia del Centro de Investigación Ames antes de que se instalaran sus paneles solares
El Bus Modular de la Nave Espacial Común que se convertiría en el bus de LADEE, siendo probado en Ames en 2008. Note la firma del astronauta del Apolo 11 Buzz Aldrin en la parte superior del bus.
Ver también
- Lista de objetos artificiales en la Luna
Referencias
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enlaces externos
- Sitio de la misión LADEE de la NASA
- LADEE en NASA Science
- Lincoln Lab del MIT, desarrollo de terminales lasercomm
- Programa de ciencia lunar de la NASA - 27 de febrero de 2008 - Kelly Snook
- Descripción general para estudiantes de K-8 (video de YouTube)