月貫入計

月貫入計は、宇宙船の着陸に備えて月の耐荷重特性を測定するための球形の電子ツールでした。^{[1] [2]これは}NASAによって設計され、上空を周回する車両から表面に落とされ、宇宙船に情報を送信します。^{[3] [4] [5]}しかし、いくつかの月面および惑星ミッションに提案されたにもかかわらず、この装置はNASAによって実際に配備されることはありませんでした。^[6]

月貫入計は、1960年代初頭にNASAラングレー研究センターの月貫入計プログラムの一環として初めて開発されました。 ^[7]当時、進行中の宇宙開発競争からの大きな圧力により、NASAは純粋に科学的な月探査の実施から、ロシアに先駆けて人類を月に着陸させることに重点を移しました。その結果、ジェット推進研究所の月飛行プロジェクトであるレンジャーとサーベイヤーは、アポロ計画への直接的な支援を提供するために再構成されました。^[6]

アポロ月面着陸の準備でNASAが直面した大きな問題の一つは、宇宙船の着陸と着陸後の探査車両および人員の移動に関して月の表面特性を判定できなかったことである。当時地球にあった無線および光学技術は、山やクレーターの大きさや分布などの大規模な特性を判別できたが、月面の質感や地形の詳細などの小規模な特徴を十分な解像度で測定する地球ベースの方法はなかった。^{[8] [9]} 1961年、NASAの主任技術者エイブ・シルバースタインは、米国議会に、アポロ月面着陸を容易にするために、レンジャー計画が月面の地形に関する重要なデータを提供するのに役立つと提案した。レンジャー計画に資金が提供されると、シルバースタインはNASAの研究所に、月面の硬度に関する情報を返す可能性のある機器を調査するよう指示した。^[6]

シルバースタインの指令の直後に導入された月面貫入計プログラムは、月面に関する予備情報を提供する衝撃測定装置付き発射体、または貫入計の開発を考案した。月面貫入計には、月面に接触した発射体の減速時間履歴を測定して硬度、支持強度、貫入性を測定する衝撃加速度計と、衝撃情報を遠隔受信機に送信できる無線テレメータが組み込まれていた。完全な衝撃加速度時間履歴の知識があれば、NASAの研究者は土壌の物理的組成や、それが粒状、粉状、または脆いかを確認することも可能だっただろう。^[8]成功すれば、月面貫入計はレンジャーおよびサーベイヤー計画の無人着陸やアポロ計画に配備される予定だった。^{[5] [9]}

しかし、ジェット推進研究所の宇宙科学部門のマネージャーであるロバート・メグレブリアンは、1963年8月に、月面の情報をその場で得るために月貫入計を使用するのはリスクが大きすぎると判断した。代わりに、月面の組成は、ガンマ線分光法とテレビ写真およびレーダー探査による表面地形を使用して決定されることになった。^[6] 1966年、月貫入計はアポロ計画の探査装置としての可能性について調査されたが、実際にそのように使用されたかどうかについては情報がない。^[10]

月面貫入計が適切に機能するためには、衝突の過程で発射体が受ける加速度を感知し、収集した情報を近くの受信局に遠隔測定するように設計されていた。そのためには、加速度感知装置と、電源、送信機、アンテナシステムを備えた独立した遠隔測定システムを貫入計に組み込む必要があった。また、これらの部品は、広範囲の衝撃荷重に耐えられる筐体内に収納する必要もあった。^[9]

月面貫入計は球形の全方向性貫入計として提供され、衝突時の貫入計の向きを考慮する必要がなかった。月面のように大気がほとんどない、あるいは全くない環境では、この点を考慮することは困難であった。^{[9] [11]}全方向性の設計では、加速度計、コンピュータ、電源、遠隔測定システムを直径3インチの球の中にパッケージ化した。^[12]月面貫入計の球形の計器室には、中央に全方向性加速度センサーがあり、その周囲を同心円状に配置された電池と電子モジュールが囲んでいた。これらの部品は、計器室を取り囲む全方向性アンテナに均一な金属基準を提供する電磁シールド内に収められていた。 ^{[12]室外では、}バルサ材で作られた衝撃リミッターが衝撃を吸収し、内部部品への衝撃力を許容レベルに制限するとともに、貫入計全体の密度を低くして、柔らかく弱いターゲット表面に対する感度を確保した。バルサ材の衝撃制限装置は、グラスファイバーエポキシ製の薄い外殻で覆われていた。^{[5] [12]}

月面貫入計プログラムの一環として、NASAラングレー研究センターはハリー・ダイアモンド研究所（後に統合されて米陸軍研究所となる）に月面貫入計用の全方向性加速度計の開発を委託した。^{[3] [4] [7]全方向性加速度計、あるいは全方向性加速度センサーは、衝突時の}角加速度や向きに関係なく加速度の時間履歴を測定できる加速度計であった。^[11]ハリー・ダイアモンド研究所の研究者らは当初中空の圧電球を使用していたが、後に従来の3軸加速度計を改造したものに移行した。加速度の瞬間的な大きさは、3つの直交する加速度-時間シグネチャの二乗の合計の平方根を求めることで計算された。^{[7] [13]全方向性加速度計は}衝撃試験中に最大40,000Gに耐え、10mAを消費する20V電源で動作しました。^[12]

月面貫入計のテレメトリシステムは、NASAがカナダの防衛関連企業であるComputing Devices of Canada（現在はGeneral Dynamics Mission Systemsとして知られる）に委託した。^[7]このシステムは、加速度計の出力を無線周波数電力増幅器に送るネットワークで構成されており、この電力増幅器はマスター発振器とバッファ増幅器にも接続されていた。増幅器と発振器は一緒になって送信機として機能し、その出力は貫入計の外皮に埋め込まれた球形アンテナに送られた。^[11]

利用可能な電力、アンテナ効率、およびその他の要因の制限により、月面貫入計からの衝突加速度情報は、長距離には送信できませんでした。その結果、月面貫入計の信号を傍受して遠方の受信局に送信するために、月面貫入計の送信フィールド内に中継機を配置する必要がありました。親宇宙船などの受信局から中程度の範囲内にある場合、中継機は月面貫入計の信号を単純に増幅してリダイレクトする役割を果たします。より遠い距離では、中継機はデータ信号処理を実行し、瞬間的なデータ送信のピーク電力要件をより長い送信時間と交換して、電源にかかる需要を減らします。中継機は、月面貫入計が表面に着陸した後、中継機自体が地面に墜落する前にのみ、月面貫入計の信号を受信して​​受信局に送信するように機能しました。その結果、侵入計から送られた必要なデータを中継船に届けるためには厳しい時間制限が課せられることになる。^[9]

月面偵察中、月面貫入計と中継ステーション構造を含むペイロードは、目的地まで移動する宇宙船に搭載される。月面上では、宇宙船はペイロードを放出し、軸姿勢の安定化のためにペイロードを回転させ、メインの逆噴射ロケットモーターを使用して降下速度を低下させる。目標エリアの約 5,600 フィート上空で、メインの逆噴射ロケットがペイロードから切り離されると、2 番目の逆噴射ロケットが発射される。スピン安定化技術によって生じる遠心力により、月面貫入計の一斉射撃が分散し、月面に向かって自由落下する。ペイロード キャリッジには合計 16 個の月面貫入計が搭載され、約 2 秒間隔で 4 個ずつ一斉射撃で放出される。月面貫入計の衝撃は、目標表面に応じて弾性、塑性、または貫通に分類される。二次逆噴射ロケットが燃え尽きると、ペイロードも月面へ自由落下する。ペネトロメーターが月面に接触すると、衝撃情報は降下中のペイロード中継局に送信され、地球上の送信アンテナシステムに中継される。つまり、この通信チェーンは、月面ペネトロメーターの放出からペイロード中継局が月面に着陸するまでの時間間隔内に行われる。^[11]

ハリー・ダイアモンド研究所は、全方向性加速度計が最大加速度20,000Gに達する際の挙動をモニターする高エネルギー衝撃試験法の開発を任された。全方向性加速度計の抵抗器、コンデンサー、発振器、磁気コアなどの部品は、改良されたエアガン試験にかけられた。試験対象の部品は、エアガンの前の延長チューブ内の標的本体内に設置された。エアガンは発射体を発射し、標的本体に衝突させて最大加速度20,000Gまで加速させ、延長チューブ内のわずかな距離にある鉛の標的に当たる。衝撃試験の結果、抵抗器とコンデンサーは衝撃を受けてもほとんど変化しなかったが、市販のサブキャリア発振器とテープ巻き磁気コアは大きな影響を受けたことが明らかになった。^[7]

球状月面貫入計の土壌貫入特性を調べるため、200 回以上の衝撃試験が実施されました。^[1]大半は、6 ～ 76 m/s の速度でさまざまな対象物質に貫入計を衝突させ、測定された衝撃特性を記録するというものでした。^[5]いくつかの実験では、月着陸船が着陸帯の表面を貫入する深さを貫入計が予測できるかどうかを調査しました。これらの研究の結果、月面貫入計は、衝突した表面の性質 (表面が硬いか崩れやすいか) を特定するだけでなく、衝撃のピーク加速度から異なる支持強度の粒子状物質を区別することにも成功していることがわかりました。月面貫入計は、着陸パッドの貫入条件を正確に予測することができました。^[14]

月貫入計は、1966 年に有人アポロ月着陸船着陸のための潜在的な探知装置として研究されました。この装置は、月着陸船の安全な着陸が可能かどうかについて宇宙飛行士がその場で判断するのを支援するために提案されました。着陸ゾーン内に個別にまたは一斉に投下されると、月貫入計は衝突時に自動的に加速度時間プロファイルを送信し、着陸ゾーンの表面硬度を特徴付けることができます。このアプリケーションの実現可能性に関する短い研究が行われ、月着陸船から発射された月貫入計の飛行、軌道、および衝突パラメータが決定されました。この研究により、月貫入計の衝突速度は 120 フィート/秒から 200 フィート/秒の範囲に制限されていることがわかりました。つまり、速度衝突角度は垂直から 54 パーセントから 62 パーセントの間で変化する必要があるということです。月面貫入計は最短で3,400フィートの距離と1,075フィートの高度で打ち上げられなければならなかったが、これは月着陸船の乗組員に貫入計のデータを分析するための16秒間の猶予を与えた。^[10]