ラディー

月の大気と塵の環境探査機
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ID2013-047A
SATCAT番号39246
Webサイトnasa.gov/ladee​​
ミッション期間主任務: 100日間延長任務: 28日間総期間: 223日間
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 ] ( 2013-09-07UTC03:27Z )
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
廃棄軌道離脱
減衰日2014年4月18日、午前4時30分（UTC） （2014年4月19日）
軌道パラメータ
参照システム月中心説[ 3 ]
近日点高度25～50 km (16～31 mi) [ 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 ]
エポック計画済み（科学フェーズ）
月周回衛星
軌道挿入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ヶ月間のミッション中、LADEEは月の赤道上を周回しながら、搭載機器を用いて月周辺の外気圏とダストを調査した。搭載機器には、ダスト検出器、中性粒子質量分析計、紫外可視分光計に加え、レーザー通信端末からなる技術実証機が含まれていた。[ 7 ]ミッションは2014年4月18日に終了し、宇宙船の管制官はLADEEを意図的に月の裏側に衝突させました。[ 8 ] [ 9 ]その後、衝突地点はサンドマンVクレーターの東端付近であることが判明しました。[ 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ました。[ 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でした。[ 12 ]

2013年4月、 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、音響、振動、衝撃試験を含む機械試験が完了した。 [ 13 ] 2013年8月、LADEEは最終的なバランス調整、燃料補給、ランチャーへの搭載が行われ、8月31日までにすべての打ち上げ前作業が完了し、9月6日に開始された打ち上げウィンドウの準備が整いました。[ 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ました。[ 15 ] LADEEミッションの費用は約2億8000万ドルで、これには宇宙船の開発と科学機器、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ました。[ 1 ]

大気の輝き

日の出と日の入りの際、アポロの乗組員たちは輝きや光線を目撃した。[ 16 ]このアポロ17号のスケッチは神秘的な薄明かりの光線を描いている。

月には、月の表面から絶えず舞い上がり、また再び月面に舞い戻る粒子からなる希薄な大気が存在すると考えられています。この大気は、一見静止しているように見えますが、実際には絶えず運動している塵の粒子で構成されている「塵の大気」を形成しています。1956年から提唱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線放射のエネルギーが月の土壌中の原子や分子から電子を弾き出すほど強力です。正電荷が蓄積され、月の塵の最小粒子（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します。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]最終的に、塵は表面に向かって落下し、このプロセスが繰り返されます。夜側では、塵は太陽風中の電子によって負に帯電します。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、塵粒子をより高速かつ高度に打ち上げる可能性を示唆している。[ 18 ]この効果は、月が地球の磁気圏尾部を通過する軌道上でさらに強まる可能性がある。[ 21 ]詳細については、 「月の磁場」を参照。境界面では、昼夜領域の間に大きな水平電界が形成され、塵の水平輸送が生じる可能性がある。[ 21 ]

また、月には人間の目には捉えられないほど微弱な「ナトリウムの尾」があることが示されています。これは数十万マイルの長さで、1998年にボストン大学の科学者が獅子座流星群の観測によって発見されました。月は常に表面から原子状ナトリウムガスを放出しており、太陽の放射圧によってナトリウム原子が太陽と反対方向に加速され、太陽とは反対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特定されていません。[ 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、エンジン点火による推進剤と機体の着陸による月の塵の両方で、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既知であったため、むしろ追加の科学的価値を提供しました。[ 28 ] LADEEのデータは、月の外気圏における排気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、月の極の周りで閉じ込められるかについての洞察を提供します。[ 30 ]

ミッションの目的

LADEEミッションは、3つの主要な科学目標を達成するために設計されました。[ 31 ]

  • 人間の活動によってさらに混乱が生じる前に、希薄な月の外気圏の全体的な密度、構成、および時間変動を決定する。
  • 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。

宇宙飛行運用

打ち上げ中の月大気・ダスト環境探査機
LADEEのローンチイベントでのカエル
バージニア州から見た、LADEE が軌道に乗ろうとしている様子 (長時間露光写真)

打ち上げ

LADEEは、2013年9月7日午前3時27分（UTC、9月6日午後11時27分（EDT））、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ロケットで打ち上げられた。[ 33 ]これは、同施設から打ち上げられた初の月探査ミッションであった。打ち上げ時には、メイン州からサウスカロライナ州にかけての米国東海岸の大部分で視界が確保できた。晴天に恵まれ、ニューヨーク市からバージニア州にかけて多数の観測者が、上昇、第一段の打ち上げ停止、そして第二段の点火を観測することができた。[ 34 ]

ミノタウルスVは固体燃料ロケットであるため、このミッションにおける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、機体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段が地球を周回する高度に楕円形の 軌道（3段のうちの最初の軌道）に乗せ、1ヶ月にわたる月面通過を開始する。[ 35 ]

ミノタウロスVの第4段と第5段は現在LADEE宇宙船から分離されていますが、軌道に到達し、現在は地球軌道上の宇宙ゴミとなっています。[ 3 ]

圧力波によって高く投げ上げら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 のスラスター発射のアーティストによる概念図
2013年9月7日から2013年10月31日までのLADEEの軌道のアニメーション   ラディー ·  月 ・  地球
2013年10月1日から2014年4月17日までのLADEEの月周回軌道のアニメーション   ラディー ·  月

LADEEは月面通過において異例のアプローチをとった。高度に楕円形の地球周回軌道に打ち上げられた探査機は、地球を3周回するごとに周回長が増していき[ 3 ] 、月周回軌道に入るのに十分な距離まで地球に接近した。通過には約1ヶ月を要した[ 38 ] 。

ミノタウルスからの分離後、衛星のリアクションホイールに高電流が検出され、停止しました。故障の兆候は見られず、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軌道修正が再開されました。[ 39 ]

LADEE宇宙船は、地球を3周回する「位相軌道」を周回した後、月周回軌道投入（LOI）を達成しました。LOIは、 3周目の近地点で3分間のエンジン噴射によって行われました。[ 3 ] 3周目の地球周回軌道の目標軌道は、近地点高度200キロメートル（120マイル）、遠地点高度278,000キロメートル（173,000マイル）、傾斜角37.65度でした。計画されている近地点引数は155度、特性エネルギーC3は-2.75 km 2 /s 2です。[ 3 ]軌道位相ループを用いたこの新しい軌道は、主に以下の4つの理由から採用されました。[ 40 ]

  • ミノタウロス V 打ち上げロケットは、383 kg (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。
  • ミノタウロス V は 5 段の固体ロケットスタックであり、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オフノミナル打ち上げ分散を、初期の投入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、推進剤効率の高い方法で処理します。
  • 打ち上げ期間を5日間に延長する。しかし、LADEEは初日の打ち上げ開始時に打ち上げられたため、この延長措置を必要としなかった。
  • 宇宙船の異常な軌道変更や軌道変更の失敗に直面した場合でも、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日にはさらに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 ] LADEEのシステムと機器は、軌道が高度75キロメートル（47マイル）に下げられた後にチェックアウトされた。[ 3 ]

月面レーザー通信実証

LLCDの光学モジュールのCADアセンブリ図

LADEEの月レーザー通信実証（LLCD）パルスレーザーシステムは、2013年10月18日に試験に成功し、宇宙船と地上局（38万5000キロメートル（23万9000マイル）の距離）間でデータを伝送しました。この試験では、宇宙船から地上局へのダウンリンク速度が622メガビット/秒（Mbps）、地上局から宇宙船への「エラーフリーのデータアップロード速度20Mbps」という記録を樹立しました。[ 44 ]試験は30日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、NASAが電波ではなく光レーザーを用いた双方向宇宙通信に初めて取り組む試みです。この試みは、将来のNASA衛星に搭載される実用レーザーシステムの開発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の主要ミッションにおける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、LADEEは月の周期に相当する超低高度データをさらに収集することができ、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日に最後のエンジン噴射を命じ、LADEEを月面から2km（1マイル）以内に下げ、遅くとも4月21日までに衝突できるように準備した。[ 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 ]科学機器はオフにされ、イベント中はエネルギーを節約しながら宇宙船を暖かく保つためにヒーターが循環された。[ 48 ]技術者たちは、LADEEがそのような環境に対応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番目の軌道中、LADEEの近点は月面から300メートル（1,000フィート）以内に入りました。[ 49 ]宇宙船との連絡は4月18日午前4時30分（UTC）頃、月の裏側に移動したときに途絶えました。[ 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ました。[ 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す。[ 8 ] NASAは月偵察軌道船を使用して衝突場所を撮影し、衝突場所がサンドマンVクレーターの東端付近であると判定されました。[ 10 ] [ 47 ] [ 49 ]

LADEE - 衝突クレーター[ 10 ]
衝突前
衝突後
重ね合わせた画像
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で設計、統合、建造、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。このバスは、異なるモジュールまたは適用可能なシステムを使用して、月や地球近傍天体への旅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）です。宇宙船の総質量は383キログラム（844ポンド）です。[ 1 ]

力

電力は、1AUあたり295Wの発電能力を持つシリコン太陽電池パネル30枚からなる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に設置され、電力は最大24Ahの28ボルト電力を供給するリチウムイオンバッテリー1個に蓄えられた。[ 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）で構成されていた。OCSは、+ Z軸に沿った速度制御を行い、大きな速度調整を可能にした。RCSは、OCSシステムの噴射中に3軸姿勢制御を提供し、また、OCSの噴射と噴射の間には、主要な姿勢制御システムであるリアクションホイールへの運動量ダンプも提供した。 [ 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用いて製造されており、HiPATと同様のものです。メインエンジンは宇宙船の軌道修正操作における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 ]

科学調査段階の後、廃止期間に入り、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ていました。

科学搭載物は以下のものから構成されています。[ 53 ]

技術実証ペイロード

LADEEは、光通信システムを試験するための技術実証ペイロードも搭載していました。月レーザー通信実証（LLCD）は、光ファイバーケーブルでのデータ転送とほぼ同じ方法で、レーザーを用いて光パルスとしてデータを送受信しました。3つの地上局が使用されました。この通信方法は、従来の無線周波数通信システムの5倍のデータ速度を提供できる可能性があります。[ 32 ] [ 55 ]この技術は、2017年に打ち上げが予定されていたNASAのレーザー通信中継実証（LCRD）システムの直接的な前身であり、[ 56 ] [ 57 ]実際には2021年に打ち上げられました。[ 58 ]

  • ラベル付き計器付きLADEE
    ラベル付き計器付きLADEE
  • NMS
    NMS
  • UVS
    UVS
  • LDEX
    LDEX

結果

LADEEの科学チームは、2013年12月14日の嫦娥3号着陸時に取得したデータの分析を継続した。[ 59 ]

  • 月塵実験（LDEX）チームは、着陸前後に塵の増加を記録した。しかし、増加は着陸時刻の数時間前に発生しており、別の起源を示唆している。実際、この着陸イベントと同時期にジェミニッド流星群が発生し、着陸前、着陸中、そして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巻き上げられた月の土壌粒子に遭遇したとしても、それらはジェミニッド流星群が引き起こした現象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CO2）、窒素（N2）などの排気ガス成分のデータを検索してきました。[ 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、一連の前後観測を実施しました。分析の結果、ふたご座流星群に関連して外気圏のナトリウム濃度が増加したこと、および塵による光散乱が増加したことが明らかになりました。UVSはまた、原子状酸素の輝線を観測し、鉄（Fe）とチタン（Ti）の存在を示唆する可能性のある輝線を確認しました。これらは予想されていましたが、これまで観測されたことはありませんでした。[ 59 ]
  • 4 He、 20 Ne、 40 Arガスが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の科学者たちはLADEE宇宙船の研究に基づいて、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D.C.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た。[ 63 ]客員研究員には、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る。[ 63 ]

2014 年 2 月 8 日に LADEE のスタートラッカーで撮影された月の最初の画像。

参照

参考文献

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