Clementine (oficialmente llamado Experimento Científico del Programa de Espacio Profundo ( DSPSE )) fue un proyecto espacial conjunto entre la Organización de Defensa de Misiles Balísticos (anteriormente Organización de Iniciativa de Defensa Estratégica ) y la NASA , lanzado el 25 de enero de 1994. Su objetivo era probar sensores y componentes de naves espaciales en exposición a largo plazo al espacio y para realizar observaciones científicas tanto de la Luna como del asteroide cercano a la Tierra 1620 Geographos .
La observación del asteroide no se pudo realizar debido a un mal funcionamiento de la nave espacial.
Las observaciones lunares incluyeron imágenes en varias longitudes de onda en el visible, así como en ultravioleta e infrarrojo , altimetría láser , gravimetría y mediciones de partículas cargadas. Estas observaciones tenían como objetivo obtener imágenes multiespectrales de toda la superficie lunar, evaluar la mineralogía de la superficie de la Luna, obtener altimetría de latitud 60N a 60S y obtener datos de gravedad para el lado cercano. También había planes para obtener imágenes y determinar el tamaño, la forma, las características de rotación, las propiedades de la superficie y las estadísticas de cráteres de Geographos.
La nave espacial era un prisma octogonal de 1,88 m de alto y 1,14 m de ancho [4] con dos paneles solares que sobresalían en lados opuestos paralelos al eje del prisma. Una antena parabólica fija de alta ganancia de 42 pulgadas de diámetro (1100 mm) estaba en un extremo del prisma y el propulsor de 489 N en el otro extremo. Todas las aberturas de los sensores estaban ubicadas juntas en uno de los ocho paneles, a 90 grados de los paneles solares, y protegidas por una única cubierta de sensor.
El sistema de propulsión de la nave espacial constaba de un sistema monopropulsor de hidracina para el control de actitud y un sistema bipropelente de tetróxido de nitrógeno y monometilhidrazina para las maniobras en el espacio. El sistema bipropulsor tenía una capacidad total Delta-v de aproximadamente 1.900 m/s, siendo necesarios aproximadamente 550 m/s para la inserción lunar y 540 m/s para la salida lunar.
El control de actitud se logró con 12 pequeños jets de control de actitud, dos rastreadores de estrellas y dos unidades de medición inercial. La nave espacial se estabilizó en tres ejes en órbita lunar mediante ruedas de reacción con una precisión de 0,05 grados en control y 0,03 grados en conocimiento. La energía era proporcionada por paneles solares GaAs/Ge de un solo eje con cardán que cargaban una batería de recipiente a presión común Nihau ( Ni-H ) de 15 A·h, 47 W·h/kg.
El procesamiento de datos de la nave espacial se realizó utilizando una computadora MIL-STD-1750A (1,7 MIPS) para modo seguro, control de actitud y operaciones de limpieza, un procesador RISC de 32 bits (18 MIPS) para procesamiento de imágenes y operaciones autónomas, y un sistema de compresión de imágenes. proporcionado por la Agencia Espacial Francesa CNES . Una unidad de manejo de datos secuenció las cámaras, operó el sistema de compresión de imágenes y dirigió el flujo de datos. Los datos se almacenaron en un registrador de datos dinámico de estado sólido de 2 Gbit.
El 25 de enero de 1994, Clementine fue lanzado desde el Complejo de Lanzamiento Espacial 4 Oeste en la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg , California, utilizando un vehículo de lanzamiento Titan II . La misión tuvo dos fases. Después de dos sobrevuelos a la Tierra, la inserción lunar se logró aproximadamente un mes después del lanzamiento. El mapeo lunar se llevó a cabo durante aproximadamente dos meses, en dos partes. La primera parte consistió en una órbita polar elíptica de cinco horas con una periapsis de unos 400 km a 13 grados de latitud sur y una apoapsis de 8.300 km. Cada órbita consistió en una fase de mapeo lunar de 80 minutos cerca del periapsis y 139 minutos de enlace descendente en el apoapsis.
Después de un mes de mapeo, la órbita se giró hasta un periapsis a 13 grados de latitud norte, donde permaneció durante un mes más. Esto permitió una cobertura global de imágenes y altimetría desde 60° sur a 60° norte, en un total de 300 órbitas.
Después de una transferencia de la Luna a la Tierra y dos sobrevuelos más a la Tierra, la nave espacial debía dirigirse a 1620 Geographos , llegando tres meses después para un sobrevuelo, con una aproximación nominal de menos de 100 km. Desafortunadamente, el 7 de mayo de 1994, después de la primera órbita de transferencia a la Tierra, un mal funcionamiento a bordo de la nave provocó que uno de los propulsores de control de actitud se disparara durante 11 minutos, consumiendo su suministro de combustible y provocando que Clementine girara a aproximadamente 80 rpm. [5] En estas condiciones, el sobrevuelo del asteroide no pudo dar resultados útiles, por lo que la nave espacial fue puesta en una órbita geocéntrica pasando por los cinturones de radiación de Van Allen para probar los distintos componentes a bordo.
La misión terminó en junio de 1994, cuando el nivel de potencia a bordo cayó hasta un punto en el que la telemetría de la nave espacial ya no era inteligible. Sin embargo, "debido a que la nave espacial estaba fortuitamente en la actitud correcta para volver a encenderse, los controladores terrestres pudieron recuperar brevemente el contacto entre el 20 de febrero y el 10 de mayo de 1995". [3]
La NASA anunció el 5 de marzo de 1998 que los datos obtenidos de Clementine indicaban que hay suficiente agua en los cráteres polares de la Luna para sustentar una colonia humana y una estación de combustible para cohetes (ver Experimento de radar biestático).
El Telescopio de Partículas Cargadas (CPT) de Clementine fue diseñado para medir el flujo y los espectros de protones energéticos (3 a 80 MeV ) y electrones (25 a 500 keV). Los objetivos principales de la investigación fueron: (1) estudiar la interacción de la cola magnética de la Tierra y los choques interplanetarios con la Luna; (2) monitorear el viento solar en regiones muy alejadas de otras naves espaciales como parte de un estudio coordinado de múltiples misiones; y (3) medir los efectos de las partículas incidentes sobre la capacidad operativa de las células solares de la nave espacial y otros sensores.
Para cumplir con el estricto límite de masa del instrumento (<1 kg), se implementó como un telescopio de un solo elemento. El telescopio tenía un campo de visión de medio ángulo de 10 grados. El detector, del tipo barrera de superficie de silicio con una superficie de 100 mm 2 y un espesor de 3 mm, estaba blindado para impedir que protones inferiores a 30 MeV llegaran a él desde direcciones distintas a las de la apertura. La abertura estaba cubierta por una lámina muy fina para evitar que la luz incidiera en el detector y generara ruido. La señal del detector se dividió en nueve canales, los seis inferiores dedicados a la detección de electrones y los tres superiores a protones e iones más pesados.
La cámara Ultravioleta/Visible (UV/Vis) fue diseñada para estudiar las superficies de la Luna y del asteroide Geographos en cinco longitudes de onda diferentes en el espectro ultravioleta y visible. La cita de Geographos fue cancelada debido a un mal funcionamiento del equipo. Este experimento arrojó información sobre las propiedades petrológicas del material de la superficie de la Luna, además de proporcionar imágenes útiles para estudios morfológicos y estadísticas de cráteres. La mayoría de las imágenes se tomaron en ángulos bajos del Sol, lo que es útil para estudios petrológicos pero no para observar morfología.
El sensor constaba de un telescopio catadióptrico con una apertura de 46 mm y lentes de sílice fundida enfocadas en una cámara CCD Thompson recubierta con un paso de banda de 250 a 1000 nm y una rueda de filtros de seis posiciones. La respuesta de la longitud de onda estaba limitada en el extremo de la longitud de onda corta por la transmisión y el desenfoque óptico de la lente, y en el extremo largo por la respuesta del CCD. El CCD era un dispositivo de transferencia de tramas que permitía tres estados de ganancia (150, 350 y 1000 electrones/bit). Los tiempos de integración variaron de 1 a 40 ms según el estado de ganancia, el ángulo de iluminación solar y el filtro. Las longitudes de onda del centro del filtro (y los anchos de paso de banda (FWHM)) fueron 415 nm (40 nm), 750 nm (10 nm), 900 nm (30 nm), 950 nm (30 nm), 1000 nm (30 nm) y un Filtro de banda ancha que cubre 400–950 nm. El campo de visión era de 4,2 × 5,6 grados, lo que se traduce en un ancho transversal de unos 40 km a una altitud lunar nominal de 400 km. La matriz de imágenes era de 288 × 384 píxeles. La resolución de píxeles varió de 100 a 325 m durante un mapeo de una sola órbita en la Luna. En Geographos, la resolución de píxeles habría sido de 25 m en la aproximación más cercana a 100 km, dando un tamaño de imagen de aproximadamente 7 × 10 km. La cámara tomó doce imágenes en cada ráfaga de 1,3 s, que ocurrió 125 veces durante el lapso de mapeo de 80 minutos durante cada órbita lunar de cinco horas. La superficie de la Luna quedó completamente cubierta durante la fase de mapeo lunar de dos meses de la misión. El rango dinámico era 15.000. La relación señal-ruido varió de 25 a 87 según el albedo de la superficie y el ángulo de fase , con una calibración relativa del 1% y una calibración absoluta del 15%.
La cámara de infrarrojo cercano (NIR) Clementine fue diseñada para estudiar las superficies de la Luna y el asteroide cercano a la Tierra 1620 Geographos en seis longitudes de onda diferentes en el espectro del infrarrojo cercano. Este experimento arrojó información sobre la petrología del material de la superficie de la Luna. La cita con Geographos fue cancelada debido a un mal funcionamiento del equipo.
La cámara constaba de una lente catadióptrica que enfocaba una matriz de plano focal CCD Amber InSb enfriada mecánicamente (a una temperatura de 70 K ) con un paso de banda de 1100 a 2800 nm y una rueda de filtros de seis posiciones. Las longitudes de onda del centro del filtro (y los anchos de paso de banda (FWHM)) fueron: 1100 nm (60 nm), 1250 nm (60 nm), 1500 nm (60 nm), 2000 nm (60 nm), 2600 nm (60 nm) y 2780 nm (120 nm). La apertura era de 29 mm con una distancia focal de 96 mm. El campo de visión era de 5,6 × 5,6 grados, lo que daba un ancho transversal de unos 40 km a una altitud lunar nominal de 400 km. La Luna tuvo una cobertura cartográfica completa durante la fase lunar de dos meses de la misión. La matriz de imágenes es de 256 × 256 píxeles y la resolución de píxeles varió de 150 a 500 m durante un mapeo de una sola órbita en la Luna. (En Geographos, la resolución de píxeles habría sido de 40 m en la aproximación más cercana, dando un tamaño de imagen de aproximadamente 10 × 10 km). La cámara tomó doce imágenes en cada ráfaga de imágenes de 1,3 s, lo que ocurrió 75 veces durante los 80 minutos de mapeo durante cada órbita lunar de cinco horas. El rango dinámico era 15.000. La relación señal-ruido varió de 11 a 97 según el albedo de la superficie y el ángulo de fase, con una calibración relativa del 1% y una calibración absoluta del 30%. La ganancia varió de 0,5X a 36X.
El experimento de detección y alcance de imágenes láser Clementine ( LIDAR ) fue diseñado para medir la distancia desde la nave espacial hasta un punto en la superficie de la Luna. Esto permitirá crear un mapa altimétrico, que puede utilizarse para limitar la morfología de grandes cuencas y otras características lunares, estudiar las propiedades de tensión, deformación y flexión de la litosfera, y puede combinarse con la gravedad para estudiar la distribución de densidad en la corteza. El experimento también fue diseñado para medir distancias a la superficie de Geographos, pero esta fase de la misión fue cancelada debido a un mal funcionamiento.
El sistema LIDAR consistía en un transmisor láser Nd-YAG ( itrio -aluminio-granate) de 180 mJ y 1064 nm de longitud de onda que transmitía pulsos a la superficie lunar. El láser produjo un pulso con una anchura inferior a 10 ns. A una longitud de onda de 1064 nm, el pulso tenía una energía de 171 mJ con una divergencia inferior a 500 microrad. A 532 nm, tenía un pulso de 9 mJ con una divergencia de 4 milirads. El pulso reflejado viajó a través del telescopio de la Cámara de Alta Resolución, donde fue dividido por un filtro dicroico hacia un detector de fotodiodos de avalancha de silicio. El detector era un receptor SiAPD de celda única de 0,5 × 0,5 mm con un campo de visión de 0,057 grados cuadrados. El láser tenía una masa de 1250 g, el receptor estaba alojado en la cámara HIRES de 1120 g. El tiempo de viaje de un pulso indicaba el alcance hasta la superficie. La memoria LIDAR podría guardar hasta seis detecciones de retorno por disparo de láser, con un umbral establecido para el mejor compromiso entre detecciones perdidas y falsas alarmas. Los retornos se almacenaron en contenedores de rango de 39,972 m, igual a la resolución del contador de reloj de 14 bits. El LIDAR tiene un alcance nominal de 500 km, pero se recopilaron datos altimétricos para altitudes de hasta 640 km, lo que permitió una cobertura desde 60 grados sur a 60 grados norte al final de la fase lunar de la misión. La resolución vertical es de 40 my la resolución puntual horizontal es de unos 100 m. La distancia entre líneas de las mediciones en el ecuador fue de unos 40 km. Se realizó una medición cada segundo durante un período de 45 minutos durante cada órbita, lo que da un espacio entre trayectorias de 1 a 2 km.
La cámara de alta resolución Clementine constaba de un telescopio con un intensificador de imágenes y un generador de imágenes CCD de transferencia de cuadros . El sistema de imágenes fue diseñado para estudiar porciones seleccionadas de las superficies de la Luna y el asteroide cercano a la Tierra 1620 Geographos, aunque el encuentro con el asteroide fue cancelado debido a un mal funcionamiento. Este experimento permitió el estudio detallado de los procesos superficiales de la Luna y, combinado con datos espectrales, permitió estudios geológicos y de composición de alta resolución.
El generador de imágenes era una cámara CCD Thompson intensificada con una rueda de filtros de seis posiciones. El conjunto de filtros constaba de un filtro de banda ancha con un paso de banda de 400 a 800 nm, cuatro filtros de banda estrecha con longitudes de onda centrales (y ancho de paso de banda (FWHM)) de 415 nm (40 nm), 560 nm (10 nm) , 650 nm (10 nm) y 750 nm (20 nm) y 1 cubierta opaca para proteger el intensificador de imágenes. El campo de visión era de 0,3 x 0,4 grados, lo que se traduce en una anchura de unos 2 km a una altitud lunar nominal de 400 km. La matriz de imágenes es de 288 × 384 píxeles (tamaño de píxel de 23 × 23 micrómetros), por lo que la resolución de píxeles en la Luna era de 7 a 20 m, dependiendo de la altitud de la nave espacial. (En Geographos, la resolución habría sido <5 m en la aproximación más cercana). La apertura clara fue de 131 mm y la distancia focal fue de 1250 mm. La velocidad de imagen nominal fue de unos 10 fotogramas por segundo en ráfagas de imágenes individuales que cubrían todos los filtros de la Luna. La alta resolución y el pequeño campo de visión sólo permitieron cubrir áreas seleccionadas de la Luna, en forma de franjas largas y estrechas de un solo color o franjas más cortas de hasta cuatro colores. El instrumento tiene una relación señal-ruido de 13 a 41 dependiendo del albedo y ángulo de fase, con una calibración relativa del 1% y una calibración absoluta del 20%, y un rango dinámico de 2000.
El telescopio de la cámara de alta resolución fue compartido por el instrumento LIDAR. El retorno del láser de 1064 nm se dividió en el receptor LIDAR (un detector de fotodiodos de avalancha) mediante un filtro dicroico.
Las imágenes de HIRES se pueden ver en el software World Wind de la NASA .
El " Experimento de radar biestático ", improvisado durante la misión, fue diseñado para buscar evidencia de agua lunar en los polos de la Luna. Las señales de radio del transmisor de la sonda Clementine se dirigieron hacia las regiones polares norte y sur de la Luna y sus reflejos fueron detectados por los receptores de la Red de Espacio Profundo en la Tierra. El análisis de la magnitud y la polarización de las señales reflejadas sugirió la presencia de hielos volátiles, que se interpreta que incluyen hielo de agua, en los suelos de la superficie de la Luna. Se anunció un posible depósito de hielo equivalente a un lago de tamaño considerable. Sin embargo, estudios posteriores realizados con el radiotelescopio de Arecibo mostraron patrones de reflexión similares incluso en áreas que no están en sombra permanente (y en las que tales volátiles no pueden persistir), lo que llevó a sugerir que los resultados de Clementine habían sido mal interpretados y probablemente se debían a otros factores como como rugosidad superficial. [6] [7] [8]
El 7 de mayo de 1994 (UTC), Clementine experimentó un fallo en su computadora después de abandonar la órbita lunar. [9] La falla provocó que agotara el propulsor restante, haciendo girar la nave espacial hasta 80 rotaciones por minuto. [9] Fue utilizado en una órbita geocéntrica hasta el final de su misión, pero el viaje al asteroide fue abortado el 2 de mayo. [9]
El modelo de ingeniería de la nave espacial Clementine se exhibe en el Museo Nacional del Aire y el Espacio en Washington, DC [10]
