クレメンタイン（宇宙船）

クレメンタイン

ミッションタイプ	技術実証 月周回衛星 小惑星探査機
オペレーター	BMDO / NASA
コスパーID	1994-004A
SATCAT番号	22973
ミッション期間	115日
宇宙船の特性
メーカー	海軍研究所[1]
打ち上げ質量	424キログラム[2]
乾燥質量	227キログラム（500ポンド）
力	1,850ワット
ミッション開始
発売日	1994 年 1 月 25 日、16:34:00  UTC (1994-01-25UTC16:34Z)
ロケット	タイタンII(23)G
発射場	ヴァンデンバーグ SLC-4W
ミッション終了
最後の連絡	1995年5月10日[3] (1995-05-11)
軌道パラメータ
参照システム	月中心主義
半長軸	5,116.0 キロメートル (3,178.9 マイル)
偏心	0.36
ペリセレネ高度	2,162キロメートル（1,343マイル）
アポセレーネ高度	4,594キロメートル（2,855マイル）
傾斜	90°
期間	300分
月周回衛星
軌道投入	1994年2月21日
軌道離脱	1994年5月3日
楽器
荷電粒子望遠鏡 紫外線/可視 カメラ 近赤外線CCDカメラ（NIR）レーザー画像検出および測距（LIDAR）システム高解像度カメラ（HIRES ）
クレメンタインミッションのロゴ

クレメンタイン（正式名称はディープ・スペース・プログラム・サイエンス・エクスペリメント（ DSPSE））は、 1994年1月25日に打ち上げられた、弾道ミサイル防衛機構（旧戦略防衛構想機構）とNASAの共同宇宙プロジェクトであった。その目的は、宇宙空間に長期間さらされた状態でセンサーや宇宙船の部品をテストし、月と地球近傍小惑星 1620ジオグラフォスの科学的観測を行うことであった。

宇宙船の故障のため、小惑星の観測は行われなかった。

月の観測には、可視光線だけでなく紫外線や赤外線のさまざまな波長での画像撮影、レーザー測距高度測定、重力測定、荷電粒子測定が含まれていた。これらの観測は、月面全体のマルチスペクトル画像を取得し、月の表面鉱物を評価し、北緯60度から南緯60度までの高度測定を取得し、月面の表側の重力データを取得することを目的としていた。また、ジオグラフォスのサイズ、形状、回転特性、表面特性、クレーター統計を画像化して決定する計画もあった。

宇宙船は高さ1.88メートル、幅1.14メートルの八角柱で^[4]、柱の軸と平行に2枚の太陽電池パネルが反対側に突き出ていました。直径42インチ（1,100 mm）の高利得固定皿アンテナが柱の一方の端にあり、489 Nのスラスタがもう一方の端にあります。センサーの開口部はすべて8枚のパネルのうちの1枚にまとめてあり、太陽電池パネルから90度の位置にあり、1つのセンサーカバーで保護されていました。

宇宙船の推進システムは、姿勢制御用の一元推進剤 ヒドラジンシステムと、宇宙での操縦用の二元推進剤四酸化窒素とモノメチルヒドラジンシステムで構成されていました。二元推進剤システムのデルタ v能力は合計で約 1,900 m/s で、月面投入には約 550 m/s、月面離脱には 540 m/s が必要でした。

姿勢制御は、12 基の小型姿勢制御ジェット、2 基のスタートラッカー、および 2 基の慣性測定ユニットによって達成されました。宇宙船は、制御精度 0.05 度、認識精度 0.03 度の反応ホイールによって月軌道上で 3 軸安定化されました。電力は、15 A·h、47 W·h/kg の Nihau ( Ni-H ) 共通圧力容器バッテリーを充電する、ジンバル式の単軸 GaAs/Ge ソーラーパネルによって供給されました。

宇宙船のデータ処理は、セーフモード、姿勢制御、ハウスキーピング操作用のMIL-STD-1750Aコンピュータ (1.7 MIPS)、画像処理と自律操作用のRISC 32 ビット プロセッサ (18 MIPS)、およびフランス宇宙機関CNESによって提供された画像圧縮システムを使用して実行されました。データ処理ユニットは、カメラのシーケンス処理、画像圧縮システムの操作、およびデータ フローの方向付けを行いました。データは、2 Gbit ダイナミック ソリッド ステート データ レコーダーに保存されました。

1994年1月25日、クレメンタインはカリフォルニア州ヴァンデンバーグ空軍基地のスペース・ローンチ・コンプレックス4西からタイタンIIロケットで打ち上げられた。このミッションは2段階に分かれていた。2回の地球フライバイの後、打ち上げの約1か月後に月面投入が達成された。月の地図作成は約2か月かけて2部構成で行われた。第1部は南緯13度の約400kmの近点と8,300kmの遠点を持つ5時間の楕円極軌道で構成された。各軌道は近点付近での80分間の月地図作成段階と遠点での139分間のダウンリンク段階から構成された。

1 か月のマッピングの後、軌道は北緯 13 度の近点まで回転され、さらに 1 か月間そこに留まりました。これにより、合計 300 回の軌道にわたって、南緯 60 度から北緯 60 度までの地球全体の画像化と高度測定が可能になりました。

月から地球への遷移とさらに2回の地球フライバイの後、宇宙船は1620 Geographosに向かい、3か月後にフライバイに到着し、名目上の接近距離は100km未満でした。残念なことに、1994年5月7日、最初の地球遷移軌道の後、宇宙船の故障により姿勢制御スラスタの1つが11分間作動し、燃料を使い果たしてクレメンタインは約80rpmで回転しました。^[5]このような状況では、小惑星フライバイでは有用な結果は得られなかったため、宇宙船はヴァン・アレン放射線帯を通過する地心軌道に乗せられ、搭載されているさまざまなコンポーネントをテストしました。

ミッションは1994年6月に終了した。搭載電力レベルが低下し、宇宙船からのテレメトリが解読不能になったためである。しかし、「幸運にも宇宙船は再び電源を入れるのに適切な姿勢にあったため、地上管制官は1995年2月20日から5月10日の間に一時的に連絡を取り戻すことができた」。^[3]

NASA は 1998 年 3 月 5 日に、クレメンタインから得られたデータにより、月の極地クレーターには人間の居住地とロケット燃料補給ステーションを支えるのに十分な水があることが示されたと発表しました (バイスタティック レーダー実験を参照)。

クレメンタインの荷電粒子望遠鏡 (CPT) は、高エネルギー陽子 (3～80  MeV ) と電子 (25～500 keV) のフラックスとスペクトルを測定するために設計されました。調査の主な目的は、(1) 地球の磁気圏尾部と惑星間衝撃波と月の相互作用を研究すること、(2) 複数のミッションの協調研究の一環として、他の宇宙船から遠く離れた地域で太陽風を監視すること、(3) 宇宙船の太陽電池やその他のセンサーの動作能力に対する入射粒子の影響を測定することでした。

装置の質量に関する厳しい制限 (<1 kg) を満たすため、単一要素の望遠鏡として実装されました。望遠鏡の視野角は半角 10 度でした。面積 100 mm ²、厚さ 3 mm のシリコン表面バリア型検出器は、30 MeV 未満の陽子が開口部以外から到達しないようにシールドされていました。開口部は、光が検出器に当たってノイズが発生するのを防ぐため、非常に薄いホイルで覆われていました。検出器からの信号は 9 つのチャネルに分割され、最下位の 6 つのチャネルは電子検出専用、最上位の 3 つのチャネルは陽子とより重いイオン専用でした。

紫外線/可視カメラ (UV/Vis) は、紫外線と可視スペクトルの 5 つの異なる波長で月と小惑星ジオグラフォスの表面を調査するために設計されました。ジオグラフォスのランデブーは、機器の故障によりキャンセルされました。この実験により、月の表面物質の岩石学的特性に関する情報が得られ、形態学的研究やクレーターの統計に役立つ画像も得られました。ほとんどの画像は太陽の低い角度で撮影されました。これは岩石学的研究には役立ちますが、形態の観察には役立ちません。

センサーは、口径 46 mm のカタディオプトリック望遠鏡と、バンドパスが 250 ～ 1000 nm のコーティングされた Thompson CCD カメラと 6 ポジションのフィルター ホイールに焦点を合わせた石英ガラス レンズで構成されていました。波長応答は、短波長側ではレンズの透過率と光学的ぼかしによって制限され、長波長側では CCD 応答によって制限されました。CCD は、3 つのゲイン状態 (150、350、および 1000 電子/ビット) を可能にするフレーム転送デバイスでした。積分時間は、ゲイン状態、太陽光照射角度、およびフィルターに応じて 1 ～ 40 ms でした。フィルターの中心波長 (およびバンドパス幅 (FWHM)) は、415 nm (40 nm)、750 nm (10 nm)、900 nm (30 nm)、950 nm (30 nm)、1000 nm (30 nm)、および 400 ～ 950 nm をカバーする広帯域フィルターでした。視野は 4.2 × 5.6 度で、公称月の高度 400 km でクロストラック幅は約 40 km になります。画像アレイは 288 × 384 ピクセルでした。ピクセル解像度は、月での単一の軌道マッピング実行中に 100～325 m の範囲で変化しました。Geographos では、ピクセル解像度は 100 km の最接近時に 25 m となり、画像サイズは約 7 × 10 km になります。カメラは 1.3 秒の画像バーストごとに 12 枚の画像を撮影し、これは 5 時間の月周回軌道ごとに 80 分間のマッピング期間に 125 回発生しました。月の表面は、ミッションの 2 か月間の月マッピング フェーズで完全にカバーされました。ダイナミック レンジは 15,000 でした。信号対雑音比は、表面アルベドと位相角に応じて 25～87 の範囲で変化し、相対較正は 1%、絶対較正は 15% でした。

クレメンタイン近赤外線カメラ (NIR)は、近赤外線スペクトルの 6 つの異なる波長で月と地球近傍小惑星 1620 ジオグラフォスの表面を調査するために設計されました。この実験により、月の表面物質の岩石学に関する情報が得られました。ジオグラフォスとのランデブーは、機器の故障によりキャンセルされました。

カメラは、機械的に冷却された（温度 70 K）アンバー InSb CCD 焦点面アレイ（バンドパス 1100～2800 nm）に焦点を合わせるカタディオプトリック レンズと 6 ポジション フィルター ホイールで構成されていました。フィルターの中心波長（およびバンドパス幅（FWHM））は、1100 nm（60 nm）、1250 nm（60 nm）、1500 nm（60 nm）、2000 nm（60 nm）、2600 nm（60 nm）、および 2780 nm（120 nm）でした。口径は 29 mm で、焦点距離は 96 mm でした。視野は 5.6 × 5.6 度で、公称月高度 400 km でクロス トラック幅は約 40 km でした。ミッションの 2 か月間の月相の間、月は完全なマッピング カバレッジを持っていました。画像アレイは 256 × 256 ピクセルで、ピクセル解像度は月での 1 回の軌道マッピング実行中に 150～500 m の範囲で変化しました。(Geographos では、最接近時のピクセル解像度は 40 m で、画像サイズは約 10 × 10 km になります。) カメラは 1.3 秒の画像バーストごとに 12 枚の画像を撮影しました。これは、5 時間の月周回軌道ごとに 80 分間のマッピング期間にわたって 75 回発生しました。ダイナミック レンジは 15,000 でした。信号対雑音比は、表面アルベドと位相角に応じて 11～97 の範囲で変化し、相対較正は 1%、絶対較正は 30% でした。ゲインは 0.5 倍から 36 倍の範囲で変化しました。

クレメンタインのレーザー画像検出および測距 ( LIDAR ) 実験は、宇宙船から月面上の一点までの距離を測定するために設計されました。これにより高度地図を作成でき、大きな盆地やその他の月面の特徴の形態を制限したり、岩石圏の応力と歪み、曲げ特性を研究したり、重力と組み合わせて地殻の密度分布を研究したりすることができます。この実験は、ジオグラフォスの表面までの距離を測定するためにも設計されていましたが、この段階のミッションは故障のため中止されました。

LIDAR システムは、月面にパルスを送信する 180 mJ、波長 1064 nm のNd-YAG (イットリウム- アルミニウム - ガーネット) レーザー送信機で構成されていました。レーザーは幅 10 ns 未満のパルスを生成しました。波長 1064 nm では、パルスのエネルギーは 171 mJ、発散角は 500 マイクロラジアン未満でした。波長 532 nm では、パルスのエネルギーは 9 mJ、発散角は 4 ミリラジアンでした。反射されたパルスは高解像度カメラ望遠鏡を通過し、そこで二色性フィルターによって分割され、シリコンアバランシェフォトダイオード検出器に送られました。検出器は、視野が 0.057 平方度の単一の 0.5 × 0.5 mm セル SiAPD 受信機でした。レーザーの質量は 1250 g で、受信機は 1120 g の HIRES カメラに収められていました。パルスの移動時間から表面までの距離がわかる。LIDAR のメモリには、レーザー発射ごとに最大 6 つのリターン検出を保存でき、しきい値は検出漏れと誤報の間の最良の妥協点として設定された。リターンは 39.972 m の範囲ビンに保存され、これは 14 ビット クロック カウンタの分解能に等しい。LIDAR の公称範囲は 500 km だが、高度測定データは高度 640 km まで収集され、ミッションの月相の終わりまでに南 60 度から北 60 度までをカバーできた。垂直解像度は 40 m、水平スポット解像度は約 100 m である。赤道での測定の軌道横断間隔は約 40 km であった。各軌道中、45 分間に 1 秒ごとに 1 回の測定が行われ、軌道沿面間隔は 1～2 km となった。

クレメンタイン高解像度カメラは、イメージ インテンシファイアとフレーム転送CCDイメージャーを備えた望遠鏡で構成されていました。このイメージング システムは、月と地球近傍小惑星 1620 ジオグラフォスの表面の特定の部分を調査するために設計されましたが、小惑星とのランデブーは故障のためキャンセルされました。この実験により、月の表面プロセスの詳細な調査が可能になり、スペクトル データと組み合わせることで、高解像度の組成と地質の研究が可能になりました。

イメージング装置は、6 ポジションのフィルター ホイールを備えた増強型トムソン CCD カメラでした。フィルター セットは、バンドパスが 400 ～ 800 nm の広帯域フィルター、中心波長 (およびバンドパス幅 (FWHM)) が 415 nm (40 nm)、560 nm (10 nm)、650 nm (10 nm)、および 750 nm (20 nm) の 4 つの狭帯域フィルター、およびイメージ増強装置を保護する不透明カバー 1 つで構成されていました。視野は 0.3 x 0.4 度で、公称月の高度 400 km で約 2 km の幅に相当します。画像アレイは 288 × 384 ピクセル (ピクセル サイズは 23 × 23 マイクロメートル) であるため、月でのピクセル解像度は宇宙船の高度に応じて 7 ～ 20 m でした。 (ジオグラフォスでは、最接近時の解像度は 5 m 未満でした。) 有効口径は 131 mm、焦点距離は 1250 mm でした。公称撮影速度は、月のすべてのフィルターをカバーする個別の画像バーストで約 10 フレーム/秒でした。高解像度と狭い視野のため、単色の細長いストリップまたは最大 4 色の短いストリップの形で、月の選択された領域のみをカバーできました。この機器の信号対雑音比は、アルベドと位相角に応じて 13 ～ 41、相対較正は 1%、絶対較正は 20%、ダイナミック レンジは 2000 です。

高解像度カメラの望遠鏡は LIDAR 装置と共有されました。1064 nm のレーザー反射は、ダイクロイック フィルターを使用して LIDAR 受信機 (アバランシェ フォトダイオード検出器) に分割されました。

HIRES からの画像は、NASA World Windソフトウェアで表示できます。

ミッション中に即興で作られた「バイスタティック レーダー実験」は、月の両極に月の水の証拠を探すために設計された。クレメンタイン探査機の送信機からの無線信号は月の北極と南極に向けられ、その反射が地球のディープ スペース ネットワーク受信機によって検出された。反射信号の大きさと偏光の分析により、月の表面の土壌に水氷を含むと解釈される揮発性の氷が存在することが示唆された。かなり大きな湖に相当する氷の堆積物が存在する可能性があると発表された。しかし、アレシボ電波望遠鏡を使用した後の研究では、永久影ではない領域（そのような揮発性物質が持続できない領域）でも同様な反射パターンが示されたため、クレメンタインの結果は誤って解釈され、表面の粗さなどの他の要因による可能性が示唆された。^{[6] [7] [8]}

1994年5月7日（UTC）、クレメンタインは月周回軌道を離れた後にコンピュータ障害を経験した。^[9]この障害により残りの燃料を使い果たし、宇宙船は毎分最大80回転した。^[9]ミッション終了まで地球中心軌道で運用されたが、小惑星への旅は5月2日に中止された。^[9]

クレメンタイン宇宙船のエンジニアリングモデルはワシントンDCの国立航空宇宙博物館に展示されている^[10]

• 月へのミッションのリスト

• Kaufman, B.; Middour, J.; Dasenbrock, R.; Campion, R. (1995 年 5 月 1 日)。「ディープ スペース プログラム サイエンス エクスペリメント ミッション (DSPSE) のアストロダイナミクスの概要」。Acta Astronautica 。より良い世界のための宇宙の課題。35 ( 9): 661–668。Bibcode :1995AcAau..35..661K。doi : 10.1016/0094-5765(95)00011-N。ISSN 0094-5765  。

ウィキメディア・コモンズには、クレメンタイン (宇宙船)に関連するメディアがあります。

• NASA太陽系探査によるクレメンタインミッションプロファイル
• 海軍研究所によるクレメンタインミッションの概要
• クレメンタインプロジェクト情報
• クレメンタインミッションの概要
• クレメンタイン - USGS 画像
• 米国国防総省のニュース写真
• NASA PDSイメージングノードクレメンタインミッションページ 2020年7月31日アーカイブ、Wayback Machineにて
• 月探査：クレメンタイン・ミッション