El Explorador de la Atmósfera y el Entorno de Polvo Lunar (LADEE; /ˈlæd i / ) [ 5 ] fue una misión de exploración lunar y demostración de tecnología de la NASA . Fue lanzada 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 el ecuador lunar, utilizando sus instrumentos para estudiar la exosfera lunar y el polvo en las proximidades de la Luna. Los instrumentos incluyeron un detector de polvo, un espectrómetro de masas neutrales y un espectrómetro ultravioleta-visible , así como una demostración de tecnología que consistía en una terminal de comunicaciones láser . [7] La misión terminó el 18 de abril de 2014, cuando los controladores de la nave espacial estrellaron intencionalmente LADEE en el lado lejano de la Luna , [8] [9] que, más tarde, se determinó que estaba cerca del borde oriental del cráter Sundman V. [ 10]
LADEE se anunció durante la presentación del presupuesto del año fiscal 2009 de la NASA en febrero de 2008. [11] Inicialmente se planeó que se lanzara con los satélites GRAIL ( Gravity Recovery and Interior Laboratory ). [12]
Se completaron pruebas mecánicas que incluían pruebas acústicas , de vibración y de impacto antes de las pruebas de cámara de vacío térmico a gran escala en el Centro de Investigación Ames de la NASA en abril de 2013. [13] Durante agosto de 2013, LADEE se sometió a un equilibrado final, abastecimiento de combustible y montaje en el lanzador, y todas las actividades previas al lanzamiento se completaron el 31 de agosto, listo para la ventana de lanzamiento que se abrió el 6 de septiembre. [14]
La NASA Ames fue responsable de las funciones diarias de LADEE, mientras que el Centro de Vuelos Espaciales Goddard operó el conjunto de sensores y las cargas útiles de demostración de tecnología, además de gestionar las operaciones de lanzamiento. [15] La misión LADEE costó aproximadamente 280 millones de dólares, que incluyeron el desarrollo de la nave espacial y los instrumentos científicos, los servicios de lanzamiento, las operaciones de la misión, el procesamiento científico y el soporte de retransmisión. [1]
La Luna puede tener una atmósfera tenue de partículas en movimiento que saltan y caen constantemente de la superficie lunar, 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, [17] en el lado iluminado de la Luna, la radiación solar ultravioleta y de rayos X es lo suficientemente energética como para arrancar 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 o menos) son repelidas de la superficie y se elevan a una altura de entre metros y kilómetros, y las partículas más pequeñas alcanzan las altitudes más altas. [17] [18] [19] [20] Finalmente, vuelven a caer hacia la superficie, donde se repite el proceso. En el lado nocturno, el polvo está cargado negativamente por los electrones del viento solar . De hecho, el "modelo de fuente" sugiere que el lado nocturno se cargaría hasta voltajes más altos que el lado diurno, posiblemente lanzando partículas de polvo a velocidades y altitudes mayores. [18] Este efecto podría verse potenciado aún más durante la parte de la órbita de la Luna en la que pasa por la cola magnética de la Tierra ; [21] véase Campo magnético de la Luna para más detalles. En el terminador podrían formarse importantes campos eléctricos horizontales entre las zonas diurnas y nocturnas, lo que daría lugar a un transporte horizontal de polvo. [21]
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 kilómetros de largo y fue descubierta en 1998 como resultado de que los científicos de la Universidad de Boston observaran la tormenta de meteoros Leónidas . La Luna está liberando constantemente gas de sodio atómico desde su superficie, y la presión de la radiación solar acelera los átomos de sodio en la dirección contraria al Sol, formando una cola alargada que apunta en dirección opuesta al Sol. [22] [23] [24] 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 brillos lunares reportados. [25]
Se esperaba que la nave espacial china Chang'e 3 , que fue lanzada el 1 de diciembre de 2013 y entró en la órbita lunar el 6 de diciembre, [26] contaminara la tenue exosfera lunar tanto con propulsor de los encendidos del motor como con polvo lunar del aterrizaje del vehículo. [27] Si bien se expresó preocupación de que esto pudiera interrumpir la misión de LADEE, [27] 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 de los gases de escape del sistema de propulsión de la nave espacial. [28] Los datos de LADEE se utilizaron para rastrear la distribución y la eventual disipación de los gases de escape y el polvo en la exosfera de la Luna. [28] [29] También fue posible observar la migración de agua , un componente de los gases de escape, lo que dio una idea de cómo se transporta y queda atrapado alrededor de los polos lunares. [30]
La misión LADEE fue diseñada para abordar tres objetivos científicos principales: [31]
y un objetivo de demostración de tecnología :
El lanzamiento de LADEE se realizó el 7 de septiembre de 2013 a las 03:27 UTC (6 de septiembre, 23:27 EDT), desde la instalación de vuelo Wallops en el puerto espacial regional del Atlántico medio en un cohete portador Minotaur V. [33] Esta fue la primera misión lunar lanzada desde esa instalación. El lanzamiento tenía potencial de visibilidad a lo largo de gran parte de la costa este de los EE. UU., desde Maine hasta Carolina del Sur; el clima 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. [34]
Como el Minotaur V es un cohete de combustible sólido , el control de actitud de la nave espacial en esta misión funcionó un poco diferente de un cohete típico de combustible líquido con una retroalimentación de circuito cerrado más continua . Las primeras tres etapas del Minotaur "vuelan un perfil de actitud preprogramado" para ganar velocidad y entregar el vehículo a su trayectoria preliminar, mientras que la cuarta etapa se utiliza para modificar el perfil de vuelo y entregar la nave espacial LADEE al perigeo para que la quinta etapa estabilizada por giro coloque 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. [35]
Aunque ahora están separadas de la nave espacial LADEE, tanto la cuarta como la quinta etapa del Minotaur V alcanzaron la órbita y ahora son desechos espaciales en la órbita de la Tierra . [3]
En las redes sociales se hizo popular una foto de una rana lanzada a gran altura por la ola de presión. Se desconoce el estado de salud de la rana. [36] [37]
LADEE adoptó un enfoque inusual en su tránsito por la Luna . Lanzada a una órbita terrestre altamente elíptica , la nave espacial realizó 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. [38]
Tras separarse del Minotauro, se detectaron altas corrientes eléctricas en las ruedas de reacción del satélite , lo que provocó su apagado. No hubo indicios de avería y, tras ajustar los límites de protección, se reanudó la orientación con ruedas de reacción al día siguiente. [39]
La nave espacial LADEE realizó tres " órbitas de desfase " de la Tierra antes de lograr una inserción en la órbita lunar (LOI), que ocurrió en el perigeo de la tercera órbita utilizando un encendido del motor de tres minutos. [3] La órbita objetivo para la tercera órbita terrestre tenía un perigeo de 200 kilómetros (120 mi), un apogeo de 278.000 km (173.000 mi) 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 novedosa trayectoria que utiliza bucles de desfase orbital se realizó por cuatro razones principales: [40]
El LADEE entró en órbita lunar el 6 de octubre de 2013, cuando se lo colocó en una órbita de captura elíptica de 24 horas de duración. [41] El LADEE se redujo aún más a una órbita de cuatro horas el 9 de octubre de 2013, [42] Se produjo un encendido más el 12 de octubre que redujo al LADEE a una órbita circular alrededor de la Luna con una altitud de aproximadamente 250 kilómetros (160 mi) para su fase de puesta en servicio, que duró unos 30 días. [43] Los sistemas e instrumentos del LADEE se comprobaron después de que la órbita se redujera a 75 km (47 mi) de altitud. [3]
El sistema de láser pulsado Lunar Laser Communication Demonstration (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 "velocidad de carga de datos sin errores de 20 Mbps" desde la estación terrestre a la nave espacial. [44] Las pruebas se llevaron a cabo durante un período de prueba de 30 días. [45]
El LLCD es un sistema de comunicación óptica en el espacio libre . Es el primer intento de la NASA de establecer una 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.
Para las operaciones científicas, se maniobró a LADEE hasta una órbita con un periseleno de 20 km (12 mi) y un aposeleno de 60 km (37 mi). [1] La fase científica de la misión principal de LADEE se planeó inicialmente con una duración de 100 días, [3] y luego se le dio una extensión de 28 días. La extensión proporcionó una oportunidad para que el satélite recopilara un ciclo lunar completo adicional de datos de muy baja altitud para ayudar a los científicos a desentrañar la naturaleza de la tenue exosfera de la Luna. [46]
Los controladores de la nave espacial ordenaron una última quema de motores el 11 de abril de 2014, para bajar a LADEE a 2 km (1 milla) de la superficie de la Luna y prepararla para el impacto a más tardar el 21 de abril. [8] [9] [47] La sonda luego lidió con el 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. [48] Los instrumentos científicos se apagaron y los calentadores se encendieron y apagaron durante el evento para conservar energía pero mantener la nave espacial caliente. [48] Los ingenieros no esperaban que LADEE sobreviviera, ya que no estaba diseñada para manejar tal entorno, pero salió del eclipse con solo algunas fallas en el sensor de presión. [9]
Durante su penúltima órbita el 17 de abril, el periapsis de LADEE lo llevó a 300 m (1000 pies) de la superficie lunar. [49] 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] [50] 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 5800 km/h (3600 mph). [9] [49] El lado lejano de la Luna fue elegido para evitar la posibilidad de dañar lugares históricamente importantes como los sitios de aterrizaje de la Luna y Apolo . [8] La NASA utilizó el Lunar Reconnaissance Orbiter para obtener imágenes del lugar del impacto, que se determinó que estaba cerca del borde oriental del cráter Sundman V. [10] [47] [49]
LADEE es la primera nave espacial diseñada , integrada , construida y probada por el Centro de Investigación Ames de la NASA . [51] La nave espacial tiene un diseño novedoso (un bus espacial nunca antes volado) y un costo mucho menor que las misiones científicas típicas de la NASA, lo que presentó desafíos novedosos para el equipo de diseño de trayectoria para lanzar la nueva nave espacial a la Luna con un plan de trayectoria de vuelo espacial de alta confianza, al tiempo que se lidiaba con un nuevo cohete de primer uso (Minotaur V) y una nave espacial sin legado de pruebas de vuelo . (ver tránsito lunar, arriba). [51]
La misión LADEE utiliza el Bus Espacial Común Modular , o cuerpo, hecho de un compuesto de carbono ligero con una masa sin combustible de 248,2 kg (547 lb). El bus 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 dejar atrás los diseños personalizados y avanzar hacia diseños de usos múltiples y producción en cadena de montaje, lo que podría reducir drásticamente el costo del desarrollo de naves espaciales. [52] Los módulos del bus de la nave espacial LADEE consisten en el Módulo del Radiador que lleva la aviónica, el sistema eléctrico y los sensores de actitud; el Módulo del 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]
La estructura principal tiene 2,37 m (7,8 pies) de alto, 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 libras). [1]
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 proporcionaba hasta 24 Ah de potencia de 28 voltios . [1]
El sistema de propulsión del LADEE constaba de un sistema de control de órbita (OCS) y un sistema de control de reacción (RCS). El OCS proporcionaba control de velocidad a lo largo del eje + Z para realizar grandes ajustes de velocidad. El RCS proporcionaba control de actitud de tres ejes durante los encendidos del sistema OCS, y también proporcionaba descargas de momento para las ruedas de reacción , que eran el sistema de control de actitud principal entre los encendidos del OCS. [33]
El motor principal era un propulsor de apogeo de alto rendimiento de 455 N (HiPAT). Los propulsores de control de actitud de 22 N de alta eficiencia están fabricados con materiales resistentes a altas temperaturas y son similares a los del 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 planificadas 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]
LADEE transportaba tres instrumentos científicos y una carga útil de demostración de tecnología.
La carga útil científica consta de: [53]
LADEE también llevaba una carga útil de demostración tecnológica 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 se transfieren datos en un cable de fibra óptica . Se utilizaron tres estaciones terrestres. Este método de comunicación podría proporcionar potencialmente velocidades de datos cinco veces más altas que el sistema de comunicación por radiofrecuencia anterior . [32] [55] La tecnología es un predecesor directo del sistema de demostración de retransmisión de comunicaciones láser (LCRD) de la NASA , que debía lanzarse en 2017, [56] [57] y que en realidad se lanzó en 2021. [58]
Los equipos científicos de LADEE continuaron analizando los datos adquiridos en el momento del aterrizaje de Chang'e 3 el 14 de diciembre de 2013. [59]
El equipo de LADEE incluyó colaboradores de la sede de la NASA en Washington DC, el Centro de Investigación Ames de la NASA en Moffett Field, California, el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland , y el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado en Boulder. [63] Los investigadores invitados incluyen a los de la Universidad de California en Berkeley; el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins en Laurel, Maryland; la Universidad de Colorado; la Universidad de Maryland; y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. [63]
LADEE también tiene el potencial de medir el polvo que podría elevarse por encima de la superficie lunar tras el aterrizaje de la sonda Chang'e 3.
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