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 月周回軌道上の LADEE のアーティストによる描写 | |
| ミッションタイプ | 月の大気研究 |
|---|---|
| オペレーター | 米航空宇宙局（NASA） |
| コスパーID | 2013-047A |
| SATCAT番号 | 39246 |
| Webサイト | nasa.gov/ladee |
| ミッション期間 | 主任務: 100 日 延長任務: 28 日 総期間: 223 日 |
| 宇宙船の特性 | |
| バス | MCSB |
| メーカー | エイムズ研究センター |
| 打ち上げ質量 | 383 kg (844 ポンド) [1] |
| 乾燥質量 | 248.2 kg (547 ポンド) [1] |
| ペイロード質量 | 49.6 kg (109 ポンド) [1] |
| 寸法 | 1.85×1.85×2.37メートル（6.1×6.1×7.8フィート）[1] |
| 力 | 295ワット[1] |
| ミッション開始 | |
| 発売日 | 2013 年 9 月 7 日、03:27 UTC [2] |
| ロケット | ミノタウロスV |
| 発射場 | ワロップス パッド0B |
| 請負業者 | 軌道[1] |
| ミッション終了 | |
| 廃棄 | 軌道から外れた |
| 減衰日 | 2014年4月18日、午前4時30分頃 |
| 軌道パラメータ | |
| 参照システム | 月中心説[3] |
| ペリセレネ高度 | 25～50 km (16～31マイル) [4] |
| アポセレーネ高度 | 60～80 km (37～50 マイル) [4] |
| 傾斜 | 157度[4] |
| 期間 | 111.5～116.5分[1] |
| エポック | 計画中（科学フェーズ） |
| 月探査機 | |
| 軌道投入 | 2013年10月6日 10:57 UTC |
 ミッションのロゴタイプ | |
月大気・ダスト環境探査機（LADEE ; / ˈ l æ d i /）[5]は、 NASAの 月探査および技術実証ミッションであった。 2013年9月7日、ミノタウルスVロケットで中部大西洋地域宇宙港から打ち上げられた。[6] 7か月のミッション中、LADEEは月の赤道を周回し、搭載機器を使って月周辺の外気圏とダストを調査した。機器には、ダスト検出器、中性質量分析計、紫外可視分光計、およびレーザー 通信端末からなる技術実証が含まれていた。[7]ミッションは2014年4月18日に終了し、宇宙船のコントローラーはLADEEを意図的に月の裏側に衝突させた。[8] [9]その後、その場所はサンドマンVクレーターの東端付近であることが判明した。[10]
計画と準備
LADEEは、2008年2月にNASAの2009年度予算発表の際に発表された。[11]当初は重力回復・内部実験室（GRAIL）衛星とともに打ち上げられる予定だった。 [12]
音響、振動、衝撃試験を含む機械試験は、 2013年4月にNASAエイムズ研究センターで行われた実物大熱真空チャンバー試験に先立ち完了した。 [13] 2013年8月、LADEEは最終的なバランス調整、燃料補給、ロケットへの搭載が行われ、8月31日までに打ち上げ前の作業はすべて完了し、9月6日に開始された打ち上げ期間に備えた。[14]
NASAエイムズ宇宙センターはLADEEの日常業務を担当し、ゴダード宇宙飛行センターはセンサースイートと技術実証ペイロードの運用、および打ち上げ運用の管理を担当した。[15] LADEEミッションの費用は約2億8000万ドルで、これには宇宙船開発と科学機器、打ち上げサービス、ミッション運用、科学処理、中継サポートが含まれていた。[1]
大気の輝き
月には、月の表面から絶えず飛び上がっては落ちてくる動く粒子からなる希薄な大気があり、静止しているように見えても絶えず動いている塵の粒子で構成されている「塵の大気」が生じている可能性がある。1956年から提案されているモデルによると、[17]月の昼間側では、太陽の紫外線とX線の放射は、月の土壌の原子と分子から電子をたたき出すのに十分なエネルギーを持っている。正電荷が蓄積し、月の塵の最も小さな粒子（1マイクロメートル以下）は表面からはじかれ、数メートルから数キロメートルの高さまで舞い上がり、最も小さな粒子は最高高度に達する。[17] [18] [19] [20]最終的にそれらは表面に向かって落ちてきて、そこでこのプロセスが繰り返される。夜側では、塵は太陽風の電子によって負に帯電している。実際、「ファウンテンモデル」は、夜側が昼側よりも高い電圧に帯電し、塵粒子をより高い速度と高度に打ち上げる可能性があることを示唆している。[18]この効果は、月が地球の磁気圏尾部を通過する軌道部分でさらに強化される可能性がある。[21]詳細については、 「月の磁場」を参照。境界面では、昼と夜の領域の間に大きな水平電界が形成され、水平方向の塵輸送が生じる可能性がある。[21]
また、月には人間の目では検出できないほどかすかな「ナトリウムの尾」があることがわかっています。これは数十万マイルの長さがあり、1998年にボストン大学の科学者がレオニデス流星群を観測した結果として発見されました。月は表面から原子状ナトリウムガスを絶えず放出しており、太陽の放射圧がナトリウム原子を太陽と反対の方向に加速し、太陽から遠ざかる方向に伸びた尾を形成します。[22] [23] [24] 2013年4月時点では、報告されている月の輝きの原因がイオン化したナトリウムガス原子なのか、帯電した塵なのかはまだ判明していません。[25]
中国の着陸船
2013年12月1日に打ち上げられ、12月6日に月周回軌道に入った中国の嫦娥3号宇宙船[26]は、エンジンの点火による推進剤と着陸時の月の塵の両方で、希薄な月の外気圏を汚染すると予想されていました。 [27]これにより、月の外気圏のベースライン測定値などのLADEEのミッションが妨げられる可能性があるという懸念が表明されましたが、[27]宇宙船の推進システムの排気量と組成の両方が判明したため、科学的価値が高まりました。 [28] LADEEのデータは、月の外気圏における排気ガスと塵の分布と最終的な消散を追跡するために使用されました。[28] [29]また、排気ガスの1つの成分である水の移動を観測することも可能であり、水がどのように輸送され、月の極の周囲に閉じ込められるかについての洞察が得られました。[30]
ミッションの目的
LADEEミッションは3つの主要な科学的目標を達成するために設計されました。[31]
- さらなる人間活動によって乱される前に、希薄な月の外気圏の密度、組成、時間変動を全球規模で測定する。
- アポロ宇宙飛行士が地表から数十キロメートル上空で目撃した拡散放射がナトリウムの輝きであったのか、それとも塵であったのかを判断する。
- ダストインパクタの環境（サイズ、頻度）を文書化して、前哨基地や将来のロボットミッションの設計エンジニアリングを支援します。
そして、技術実証の目標が 1 つあります。
- 月周回軌道からの双方向レーザー通信を実証する。[32]
宇宙飛行の運用
打ち上げ
LADEEは、2013年9月7日3時27分UTC（9月6日午後11時27分EDT）に、中部大西洋地域宇宙港のワロップス飛行施設からミノタウロスV運搬ロケットで打ち上げられた。 [33]これは、その施設から打ち上げられた最初の月探査ミッションであった。打ち上げでは、メイン州からサウスカロライナ州まで、米国東海岸のほとんどの地域で視界が確保できた。晴天のため、ニューヨーク市からバージニア州まで多数の観測者が、上昇、第1段のカットオフ、第2段の点火を観察することができた。[34]
ミノタウルスVは固体燃料ロケットであるため、このミッションでの宇宙船の姿勢制御は、より継続的な閉ループフィードバックを備えた一般的な液体燃料ロケットとは少し異なる方法で行われた。ミノタウルスの最初の3段は「事前にプログラムされた姿勢プロファイルで飛行」して速度を上げ、宇宙船を予備軌道に乗せる。一方、第4段は飛行プロファイルを修正し、LADEE宇宙船をスピン安定化された第5段の近地点に送り込み、その後、宇宙船を地球の周りの高度に楕円形の軌道（3つのうちの最初の軌道）に乗せて、1か月に及ぶ月面通過を開始する。[35]
現在LADEE宇宙船から分離されているが、ミノタウロスVの第4段と第5段は両方とも軌道に到達しており、現在は地球軌道上の宇宙ゴミとなっている。[3]
圧力波によって高く投げ出されたカエルの打ち上げ写真がソーシャルメディアで人気を博した。カエルの状態は不明である。[36] [37]
月の通過
LADEEは月面通過に珍しいアプローチをとった。高度に楕円形の 地球軌道に打ち上げられた宇宙船は、月軌道に入るのに十分近づく前に、地球の周りを3周し、周回距離を延ばしていった[3]。通過には約1ヶ月を要した[38] 。
ミノタウルスから分離した後、衛星のリアクションホイールに高電流が検出され、リアクションホイールが停止した。故障の兆候はなく、保護限界が調整された後、翌日にはリアクションホイールによる方向付けが再開された。[39]
LADEE宇宙船は、3分間のエンジン燃焼を使用して3回目の軌道の近地点で月周回軌道投入（LOI）を達成する前に、地球を3回「位相軌道」で周回しました。 [3] 3回目の地球周回軌道の目標軌道は、近地点が200キロメートル（120マイル）、遠地点が278,000キロメートル（173,000マイル）、傾斜角が37.65度でした。計画された近地点引数は155度で、その特性エネルギーC3は-2.75 km 2 /s 2です。[3]軌道位相ループを使用した新しい軌道は、主に4つの理由で実行されました。[40]
- ミノタウルスVロケットは、383kg（844ポンド）のLADEEを直接月周回軌道に投入するにはデルタVが不十分でした。
- ミノタウルス V は 5 段の固体ロケットのスタックであり、特に精密なロケットとは見なされていませんが、このロケットからの潜在的な非公称打ち上げ分散を、初期の噴射軌道での大きな分散に対して軌道プロファイルを柔軟に保ちながら、推進剤を効率的に利用して処理します。
- 打ち上げ期間を5日間に延長すること。しかし、実際には、打ち上げは初日の期間開始時に行われたため、LADEE ではこの延長は必要ありませんでした。
- 宇宙船の異常な軌道変更や軌道変更の失敗に直面してもミッションの堅牢性を高めるため。
月の軌道とシステムのチェックアウト
LADEEは2013年10月6日に月周回軌道に入り、24時間の楕円軌道に投入された。[41] LADEEは2013年10月9日にさらに4時間の軌道に下げられ、[42] 10月12日にさらに1回の噴射が行われ、LADEEは高度約250キロメートル（160マイル）の月周回円軌道に 下げられ、約30日間続いた試運転段階に入った。[43]軌道が高度75キロメートル（47マイル）に下げられた後、LADEEのシステムと機器がチェックアウトされた。[3]
月面レーザー通信の実証
LADEEの月面レーザー通信実証（LLCD）パルスレーザーシステムは、2013年10月18日にテストに成功し、宇宙船と地球上の地上局の間で385,000キロメートル（239,000マイル）離れた場所からデータを送信しました。このテストでは、宇宙船から地上へのダウンリンク速度622メガビット/秒（Mbps）と、地上局から宇宙船への「エラーのないデータアップロード速度20Mbps」を記録しました。[44]テストは30日間のテスト期間にわたって実施されました。[45]
LLCD は自由空間光通信システムです。これは、電波の代わりに光レーザーを使用して双方向宇宙通信を行う NASA 初の試みです。これは、将来の NASA 衛星で運用可能なレーザー システムにつながることが期待されています。
科学フェーズ
科学観測のため、LADEEは近日点高度20km（12マイル）、遠日点高度60km（37マイル）の軌道に投入された。 [1] LADEEの主要ミッションの科学観測期間は当初100日間と計画されていたが、[3]後に28日間延長された。この延長により、衛星は月の満ち欠けに相当する超低高度データをさらに収集する機会が得られ、科学者が月の希薄な外気圏の性質を解明するのに役立つことになった。[46]
ミッション終了
宇宙船の管制官は2014年4月11日、LADEEを月面から2km（1マイル）以内に降ろし、遅くとも4月21日までに衝突できるように準備するため、最終的なエンジン燃焼を命じた。[8] [9] [47]その後、探査機は4月15日の2014年4月の月食に対処したが、その間、探査機は4時間地球の影の中にいたため電力を生成できなかった。[48]このイベント中、科学機器はオフにされ、ヒーターが循環してエネルギーを節約しながら宇宙船を暖かく保った。[48]技術者たちは、LADEEがそのような環境に対処するように設計されていなかったため、LADEEが生き残るとは思っていなかったが、圧力センサーの故障がいくつかあっただけで日食から脱出した。[9]
4月17日の最後から2番目の周回軌道では、LADEEの近点は月面から300メートル（1,000フィート）以内にまで近づいた。[49]探査機が月の裏側へ移動した4月18日午前4時30分（UTC）頃、探査機との連絡が途絶えた。[8] [50] LADEEは午前4時30分から午前5時22分の間に、時速5,800キロメートル（時速3,600マイル）の速度で月の裏側の表面に衝突した。[9] [49]月の裏側が選ばれたのは、ルナやアポロの着陸地点など、歴史的に重要な場所を損傷する可能性を避けるためである。[8] NASAは月探査機ルナ・リコネッサンス・オービターを使って衝突場所を撮影し、衝突場所はサンドマンVクレーターの東端付近であると判明した。[10] [47] [49]
LADEE - 衝突クレーター[10]
サンドマン V クレーター (東縁) ; 2014 年 4 月 18 日
宇宙船
デザイン
LADEEはNASAのエイムズ研究センターによって設計、統合、製造、試験された最初の宇宙船である。[51]この宇宙船は斬新な設計（これまで飛行したことのない宇宙船バス）であり、典型的なNASAの科学ミッションよりもはるかに低コストであるため、軌道設計チームには、初めて使用する新しいロケット（ミノタウロスV）と飛行試験のレガシーのない宇宙船を扱いながら、信頼性の高い宇宙飛行軌道計画で新しい宇宙船を月に打ち上げるという新たな課題が提示された。（上記の月面通過を参照。）[51]
LADEEミッションは、燃料なしの質量が248.2 kg（547ポンド）の軽量カーボン複合材で作られたモジュラー共通宇宙船バス（またはボディ）を使用します。バスは、さまざまなモジュールや適用可能なシステムを使用して、月や地球近傍天体への航海を含むさまざまな種類のミッションを実行する能力があります。このモジュールコンセプトは、カスタム設計から多目的設計と組立ライン生産に移行する革新的な方法であり、宇宙船開発のコストを大幅に削減できます。[52] LADEE宇宙船バスモジュールは、航空電子機器、電気システム、姿勢センサーを搭載したラジエーターモジュール、バスモジュール、2つの最大の機器を搭載したペイロードモジュール、および推進システムを収容する拡張モジュールで構成されています。[1]
- 仕様
主構造物の高さは2.37メートル（7.8フィート）、幅は1.85メートル（6.1フィート）、奥行きは1.85メートル（6.1フィート）である。宇宙船の総質量は383キログラム（844ポンド）である。[1]
力
電力は、1AUあたり295Wを生産するシリコン太陽電池パネル30枚で構成された太陽光発電システムによって生成された。太陽電池パネルは衛星の外側の表面に取り付けられ、電力は最大24Ahの28ボルト電力を供給する1つのリチウムイオン電池に蓄えられた。[1]
推進システム
LADEE推進システムは、軌道制御システム（OCS）と反応制御システム（RCS）で構成されていました。OCSは、大きな速度調整のために+ Z軸に沿った速度制御を提供しました。RCSは、OCSシステムの燃焼中に3軸姿勢制御を提供し、また、OCSの燃焼間の主要な姿勢制御システムである反応ホイールの運動量ダンプを提供しました。 [33]
メインエンジンは455Nの高性能アポジスラスタ（HiPAT）でした。高効率の22N姿勢制御スラスタは、高温材料を使用して製造されており、HiPATに似ています。メインエンジンは、宇宙船の軌道修正操作の推力の大部分を供給しました。制御システムスラスタは、ミッションの科学フェーズで計画された小規模な操作に使用されました。[1]
科学研究段階の後、廃止期間が設けられ、その間に宇宙船が月面に衝突するまで高度は徐々に下げられた。[1]
科学ペイロード
LADEE は 3 つの科学機器と技術実証ペイロードを搭載しました。
科学搭載物は以下のものから構成される: [53]
- 中性質量分析計 (NMS) は、質量分析法によって外気圏の原子と分子のその場測定を実行しました。NMS の一部は、火星科学実験室の SAM 装置に基づいています。
- UV-Vis 分光計 (UVS) は、紫外可視分光法によって塵と外気圏の両方を測定しました。この機器は、 LCROSSミッションの UV-Vis 分光計に基づいています。
- 月ダスト実験（LDEX）は、衝突イオン化検出器を使用して塵を直接測定しました。これは、検出器に衝突した粒子のイオン化を測定することによって機能します。[54]この機器は、ガリレオ、ユリシーズ、カッシーニの同様の機器で得られた経験に基づいて構築されました。
技術実証ペイロード
LADEEには光通信システムをテストするための技術実証ペイロードも搭載されていた。月面レーザー通信実証（LLCD）は、光ファイバーケーブルでデータが転送されるのとほぼ同じ方法で、レーザーを使用して光のパルスとしてデータを送受信した。3つの地上局が使用された。この通信方法は、以前の無線周波数通信システムの5倍のデータレートを提供できる可能性がある。[32] [55]この技術は、2017年に打ち上げが予定されていたNASAのレーザー通信リレー実証（LCRD）システムの直接の前身であり、[56] [57]実際には2021年に打ち上げられた。[58]
-
ラベルの付いた器具付きLADEE -
NMS -
UVS -
LDEX
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結果
LADEEの科学チームは、2013年12月14日の嫦娥3号の着陸時に取得したデータの分析を続けました。[59]
- 月塵実験 (LDEX) チームは、着陸の前後に塵が増加したと記録している。しかし、塵の増加は着陸時刻の数時間前に起きており、別の原因が考えられた。実際、ふたご座流星群がこの着陸イベントと同時期に発生し、着陸前、着陸中、着陸後に塵の量が急増した。[59]チームは、「LADEE が嫦娥 3 号の最終降下によって舞い上がった月の土粒子に遭遇したとしても、それらはふたご座流星群が引き起こしたイベントの背景に埋もれていただろう」と報告している。[59]
- 中性質量分析計（NMS）チームは、水、一酸化炭素、二酸化炭素（COとCO 2）、窒素（N 2）などの排気ガス種のデータを調査してきました。[59]
- 紫外線可視光分光計（UVS）は、着陸と流星群の両方の影響を調べるために、一連の前後観測を実施した。分析により、ふたご座流星群に関連して外気圏のナトリウムが増加し、塵による光散乱が増加した証拠が明らかになった。UVSはまた、原子酸素の輝線を監視し、鉄（Fe）とチタン（Ti）の両方の存在を示す可能性のある放射を確認した。これらは予想されていたが、これまで観測されたことはなかった。[59]
- 4 He、 20 Ne、 40 Arガスは月の外気圏で最も豊富な種であると判明した。 [60] [61]ヘリウムとネオンは太陽風によって供給されていることが判明した。 [60]
- 2015年8月17日、NASAの科学者はLADEE宇宙船による研究に基づいて、月の外気圏でネオンを検出したと報告した。 [62]
チーム
LADEEのチームには、ワシントンDCのNASA本部、カリフォルニア州モフェットフィールドのNASAエイムズ研究センター、メリーランド州グリーンベルトのNASAゴダード宇宙飛行センター、コロラド大学ボルダー校の大気宇宙物理学研究所からの貢献者が含まれていました。[63]ゲスト研究者には、カリフォルニア大学バークレー校、メリーランド州ローレルのジョンズホプキンス大学応用物理学研究所、コロラド大学、メリーランド大学、メリーランド州グリーンベルトのNASAゴダード宇宙飛行センターからの研究者が含まれています。[63]
ギャラリー
-
2013年8月、フェアリングに封入される前のLADEE -
2013年1月の振動試験開始前に振動台に取り付けられたLADEE -
エイムズ研究センターのクリーンルームに置かれたLADEE 。ソーラーパネルが取り付けられる前 -
LADEE のバスとなるモジュラー共通宇宙船バス。2008 年にエイムズでテスト中。バスの上部にあるアポロ 11 号の宇宙飛行士バズ・オルドリンの署名に注目してください。
参照
参考文献
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、 LADEEに関連するメディアがあります。
- NASAのLADEEミッションサイト
- NASA サイエンスにおける LADEE
- MITリンカーン研究所、レーザー通信端末開発
- NASA 月面科学プログラム - 2008 年 2 月 27 日 - ケリー スヌーク
- K-8 生徒向け概要 (YouTube ビデオ)