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 アポロ11号の月面におけるレーザー測距反射鏡実験 | |
| ミッション期間 | アポロ11号: 55年、4か月、2日 アポロ14号: 53年、9か月、23日 アポロ15号: 53年、3か月、23日 (進行中) |
|---|---|
| 宇宙船の特性 | |
| メーカー | アーサー・D・リトル社 パーキンエルマー |
レーザー測距レトロリフレクター( LRRR )は、史上初の展開可能な月面レーザー測距実験です。これは、アポロ11号では初期アポロ科学実験パッケージの一部として、アポロ14号とアポロ15号ではアポロ月面実験パッケージ(ALSEP)の一部として搭載されました。LRRR は、パネル内に配置された一連のコーナー反射鏡で構成されています。地球から送信されたレーザー光線はレトロリフレクターで反射され、返送信号のタイミングを使用して、信号源から反射鏡までの距離を測定できます。反射鏡は、1961年にジェームズ E. ファラーによって考案されました。実験の主任研究者は、最初はメリーランド大学の キャロル アリーでしたが、最終的にはファラーが後任となりました。
背景
反射鏡の開発の動機は、一般相対性理論、特にブランス・ディッケの重力理論で生じた問題に対する、より優れた実験的根拠を求める欲求から生まれた。[1]プリンストン大学の研究グループは、人工衛星に搭載されたコーナーリフレクターを使用して重力定数をテストする可能性を探っていた。当時はレーザーが開発されておらず、このアプローチには閃光管の使用が必要だった。[2] 1960年にベル研究所で最初の機能するレーザーが開発されたことで、この実験は人工衛星での実施に限定されなくなり、地球の自然衛星である月も使用できるようになりました。[3]
月面でコーナーリフレクターを使用するという構想は、当時大学院博士課程の学生だったジェームズ・E・ファラーが1961年に考案した。NASAのサーベイヤー着陸計画を念頭に置いて考案された彼のアイデアは、ロボット着陸機から落とせるゴムボールの中にコーナーリフレクターを取り付けたもので、着陸するとボールアセンブリが自動的に元の位置に戻り、リフレクターを上向きにするというものだった。ファラーはこれらのアイデアを「月面パッケージの提案（月面コーナーリフレクター）」と題するメモにまとめたが、論文を完成させる必要があったため、この構想のさらなる開発はすぐには行われなかった。[3]
1962年には、反射鏡を使わずにレーザーを使って月を精密に測距する試みがあった。最も有名なのは、1962年にマサチューセッツ工科大学のルイス・スムリンとジョルジオ・フィオッコが行った試みである。月の表面はレーザー光線を散乱させ、地球上で検知できるほど強い信号を生成することができ、その結果、120メートル（390フィート）以内の精度で測距ができた。しかし、これを超えると地形の影響が問題となり、また、返される信号の強度が弱く、時間的に分散していることと相まって、表面散乱は精密測距の目的には不十分であった。[4]
1964年の物理学会でのプリンストン大学の教職員と卒業生の会合の後、この概念に基づく実験をNASAに提案することが決定された。実験の計画は1965年に発表された論文にまとめられ、その年の後半にNASAへの提案が提出された。[5]これを主導したのはメリーランド大学の教授であるキャロル・アリーで、NASA本部に近いことから実験の主任研究員にふさわしい人物だった。同時に月面探査実験（LURE）諮問委員会が結成され、その著名なメンバーにはロバート・H・ディッケ、ジェームズ・E・ファラー、デビッド・トッド・ウィルキンソン、ウィリアム・M・カウラ、ゴードン・JF・マクドナルドが含まれていた。[6]
楽器
この実験装置は、月面の厳しい環境条件に耐えられるように構築する必要があった。これには、大きな温度変化、宇宙放射線と太陽放射線、アポロ月着陸船の到着と出発の両方で巻き上げられた月の塵などが含まれる。[4]ファラーは、小径の反射キューブを並べた方が、同じ質量の1つ以上の大きなキューブよりも熱的に優れていることを確認した。この熱性能が重要だったのは、反射器の材料として考えられている溶融シリカが、太陽エネルギーからの熱の入力によって光学的に歪むためである。[3]各月の日中の半分の間にデータ収集の機会を失うことを避けるために、実験を月の昼間に実行できるようにすることが強く望まれていた。[5]
アポロ11号と14号の機器は、45cm（18インチ）四方のパネル内に設置された100個の固体溶融シリカコーナーリフレクターで構成されていました。[6]コーナーリフレクターは、パーキンエルマー社とボックストンビール社によって製造されました。アレイパッケージの設計と製造は、アーサー・D・リトル社によって行われました。 [6]各リフレクターは直径3.8cm（1.5インチ）で、パネルの上面から1.9cm（0.75インチ）下に位置し、より優れた熱保護のためにテフロンリングの間に取り付けられています。[5] パネルは、より最適化された断面積を提供できるように、わずかに傾斜して設置することができました。[5]リフレクターは、月面からの反射と比較して10〜100倍の強力な信号を返します。[5]実験の予想寿命は10年以上でした。[6]
ミッション
アポロ11号
アポロ11号LRRRは、1969年7月21日にアポロ11号の宇宙飛行士バズ・オルドリンによって月面上に展開されました。この装置は、月着陸船イーグルから約60フィート（18メートル）の地点に展開されました。 [5]オルドリンは当初、アレイの面を大まかに地球に向けるように調整し、より正確な調整は日時計によって行われました。[1]機器の展開には約5分かかりました。[1]
月面からの信号の検出は、リック天文台のカリフォルニア大学、ウェズリアン大学、ゴダード宇宙飛行センターのチームと、マクドナルド天文台のテキサス大学、メアリー大学、ゴダード大学のチームによって行われた。リック天文台の3メートル（9.8フィート）望遠鏡は、アポロ11号の着陸直後の初期信号検出期間に使用された。マクドナルド天文台の2.7メートル（8フィート10インチ）望遠鏡は、数年にわたる長期観測プログラムの一部として使用された。[5]
各観測所は独自のQスイッチ ルビーレーザーを使用して、長さ数十ナノ秒、パルスあたり約7ジュールのエネルギーのレーザーパルスを供給しました。各望遠鏡は、レーザービームの発散をわずか2秒角に減らすために使用されました。[5]これにより、レーザーパルスは直径300マイル（480 km）ではなく、直径1マイル（1.6 km）で月に到達しました。[6]地球から月への完全な旅の後に返される信号の直径は10マイル（16 km）の幅で、望遠鏡によるレーザーショットごとに検出可能な光電子はわずか1.6個でした。 [6]
望遠鏡の操作者へのリスクを回避するために、電子観察システムが使用され、後方散乱したレーザー光が人間の目に及ぼすリスクが軽減されました。[1]これにより、知覚されるコントラストが増し、地球上の現地日中に地物を識別できるようになるなど、さらなる利点がもたらされました。[1]サンフランシスコ湾岸地域の空港に着陸する航空機に混乱が生じる可能性があるという懸念から、連邦航空局は航空機を迂回させました。[1]
機器が展開されるとすぐに、返送信号を検出する試みがなされたが、観測時間が限られており、実験パッケージの正確な位置を導き出すことが不確実であったため、成功しなかった。[5]強い返送信号は、8月1日にリック天文台のチームによって初めて検出され、最初の観測で約7メートル（23フィート）の精度で測定が達成された。[5]この検出は、機器の位置の不確実性を減らすことで他の天文台を支援した。[6]パネルは最終的に約15センチメートル（5.9インチ）の測定精度を可能にした。[1]リック望遠鏡を操作していた科学者たちは、測定された信号時間と予測された時間との間の持続的なドリフトに困惑した。 [1]その説明は、リック望遠鏡の地球上での記録された位置が約25メートル（82フィート）間違っていたというものでした。 [1 ] [7]
参考文献
- ^ abcdefghi Faller, James E.; Wampler, E. Joseph (1970). 「The Lunar Laser Reflector」. Scientific American . 222 (3): 38–49. Bibcode :1970SciAm.222c..38F. doi :10.1038/scientificamerican0370-38. ISSN 0036-8733. JSTOR 24925752. 2023年7月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年7月10日閲覧。
- ^ Hoffmann, WF; Krotkov, R.; Dicke, RH (1960). 「人工衛星の精密光学追跡」. IRE Transactions on Military Electronics . MIL-4 (1): 28–37. doi :10.1109/IRET-MIL.1960.5008190. ISSN 0096-2511. S2CID 51632472. 2018年6月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年7月12日閲覧。
- ^ abc Faller, JE (2014年10月). 「月面レーザー測距」(PDF) .第19回国際レーザー測距ワークショップ、メリーランド州アナポリス、2014年10月27日〜31日。 2023年6月12日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2023年6月12日閲覧。
- ^ ab Alley, CO; Bender, PL; Dicke, RH; Faller, JE; Franken, PA; Plotkin, HH; Wilkinson, DT (1965年5月1日). 「月面のコーナーリフレクターを使用した光学レーダー」. Journal of Geophysical Research . 70 (9): 2267–2269. Bibcode :1965JGR....70.2267A. doi :10.1029/JZ070i009p02267. 2023年7月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年6月8日閲覧。
- ^ abcdefghij Bender, PL; Currie, DG; Dicke, RH; Eckhardt, DH; Faller, JE; Kaula, WM; Mulholland, JD; Plotkin, HH; Poultney, SK; Silverberg, EC; Wilkinson, DT; Williams, JG; Alley, CO (1973). 「月面レーザー測距実験」. Science . 182 (4109): 229–238. Bibcode :1973Sci...182..229B. doi :10.1126/science.182.4109.229. ISSN 0036-8075. JSTOR 1737100. PMID 17749298. S2CID 32027563. 2023年6月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年6月13日閲覧。
- ^ abcdefg Faller, James; Winer, Irvin; Carrion, Walter; Johnson, Thomas S.; Spadin, Paul; Robinson, Lloyd; Wampler, E. Joseph; Wieber, Donald (1969年10月3日). 「月面反射鏡アレイに向けられたレーザービーム：最初の帰還の観測」. Science . 166 (3901): 99–102. Bibcode :1969Sci...166...99F. doi :10.1126/science.166.3901.99. ISSN 0036-8075. PMID 17769756. S2CID 29071972. 2023年4月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年7月10日閲覧。
- ^ シャベ、ジュリアン;クールド、クレマン。トーレ、ジャン＝マリー。ブキヨン、セバスチャン。ブルゴワン、エイドリアン。アイマール、ムラド。アルバネーズ、ドミニク。ベルトラン・ショーヴィノー。マリーエイ、エルヴェ。マルティノ＝ラガルド、グレゴワール。モーリス、ニコラス。フン、ドゥイハ。サメイン、エティエンヌ。ヴィオ、エルヴェ (2020)。 「グラースレーザー測距基地における月面レーザー測距の最近の進歩」。地球と宇宙の科学。７（３）。Bibcode :2020E&SS....700785C。土井: 10.1029/2019EA000785。S2CID 212785296。