Программа «Лунный орбитер»: Картографирование Луны

Введение

Серия из пяти беспилотных лунных орбитальных миссий

Программа Lunar Orbiter представляла собой серию из пяти беспилотных лунных орбитальных миссий, запущенных Соединенными Штатами в период с 1966 по 1967 год. Они были предназначены для помощи в выборе мест посадки для миссий "Аполлон" путем картографирования поверхности Луны, предоставили первые фотографии, сделанные с лунной орбиты, и сфотографировали как Луну, так и Землю. Все пять миссий были успешными, и 99 процентов поверхности Луны было картографировано по фотографиям с разрешением или выше. Первые три миссии были посвящены съемке 20 потенциальных мест посадки с экипажем, выбранных на основе наземных наблюдений. Они выполнялись на орбитах с низким наклонением. Четвертая и пятая миссии были посвящены более широким научным задачам и выполнялись на полярных орбитах, расположенных на большой высоте. Lunar Orbiter 4 сфотографировал всю видимую сторону Луны и девять процентов обратной стороны, а Lunar Orbiter 5 завершил съемку обратной стороны и получил изображения среднего и высокого разрешения 36 предварительно выбранных участков. Все космические аппараты Lunar Orbiter были запущены с помощью ракет-носителей Atlas Agena D. Lunar Orbiters обладали оригинальной системой съемки, состоявшей из камеры с двумя объективами, блока обработки пленки, сканирующего устройства и аппарата для работы с пленкой. Оба объектива – узкоугольный объектив высокого разрешения (HR) и широкоугольный объектив среднего разрешения (MR) – размещали свои кадры на одном рулоне пленки 70 мм. Оси обеих камер совпадали, поэтому область, запечатленная на кадрах HR, была центрирована в области кадра MR. Пленка перемещалась во время экспозиции для компенсации скорости космического аппарата, которая оценивалась электрооптическим датчиком. Затем пленка обрабатывалась, сканировалась, и изображения передавались обратно на Землю. В ходе миссий Lunar Orbiter были сделаны первые фотографии Земли в целом, начиная с восхода Земли над лунной поверхностью, запечатленного Lunar Orbiter 1 в августе 1966 года. Первый полный снимок Земли был сделан Lunar Orbiter 5 8 августа 1967 года. Второй снимок Земли был сделан Lunar Orbiter 5 10 ноября 1967 года.

The Lunar Orbiter program was a series of five uncrewed lunar orbiter missions launched by the United States from 1966 through 1967. Intended to help select Apollo landing sites by mapping the Moon's surface, they provided the first photographs from lunar orbit and photographed both the Moon and Earth. All five missions were successful, and 99 percent of the lunar surface was mapped from photographs taken with a resolution of or better. The first three missions were dedicated to imaging 20 potential crewed lunar landing sites, selected based on Earth based observations. These were flown at low inclination orbits. The fourth and fifth missions were devoted to broader scientific objectives and were flown in high altitude polar orbits. Lunar Orbiter 4 photographed the entire nearside and nine percent of the far side, and Lunar Orbiter 5 completed the far side coverage and acquired medium and high resolution images of 36 preselected areas. All of the Lunar Orbiter spacecraft were launched by Atlas Agena D launch vehicles. The Lunar Orbiters had an ingenious imaging system, which consisted of a dual lens camera, a film processing unit, a readout scanner, and a film handling apparatus. Both lenses, a narrow angle high resolution (HR) lens and an wide angle medium resolution (MR) lens, placed their frame exposures on a single roll of 70 mm film. The axes of the two cameras were coincident so the area imaged in the HR frames were centered within the MR frame areas. The film was moved during exposure to compensate for the spacecraft velocity, which was estimated by an electro optical sensor. The film was then processed, scanned, and the images transmitted back to Earth. During the Lunar Orbiter missions, the first pictures of Earth as a whole were taken, beginning with Earth rise over the lunar surface by Lunar Orbiter 1 in August, 1966. The first full picture of the whole Earth was taken by Lunar Orbiter 5 on 8 August 1967. A second photo of the whole Earth was taken by Lunar Orbiter 5 on 10 November 1967.

Космические аппараты и подсистемы

Предложение Boeing Eastman Kodak было объявлено NASA 20 декабря 1963 года. Основной корпус Lunar Orbiter имел общую форму усеченного конуса, был высок и имел диаметр в основании. Космический аппарат состоял из трех палуб, поддерживаемых фермами и аркой. На оборудовательной палубе в основании аппарата располагались аккумулятор, транспондер, бортовой программист, инерциальный эталонный блок (IRU), звездный датчик Canopus, декодер команд, мультиплексный кодер, усилитель СВЧ на бегущей волне (TWTA) и фотосистема. Четыре солнечные панели были установлены для выдвижения из этой палубы, имея общую размахом. Также от основания космического аппарата выдвигались высокоусиливающая антенна на стреле и антенна с низким усилением на стреле. Над оборудовательной палубой, на средней палубе, находились двигатель управления скоростью, горючее, окислитель и резервуары для наддува, датчики Солнца и детекторы микрометеоритов. Третья палуба состояла из теплового щита для защиты космического аппарата от включения двигателя управления скоростью. Сопло двигателя выступало через центр щита. На периметре верхней палубы были установлены четыре двигателя управления ориентацией. Мощность 375 Вт обеспечивалась четырьмя солнечными батареями, содержащими 10 856 солнечных элементов n/p типа, которые напрямую питали космический аппарат и заряжали никель-кадмиевую батарею емкостью 12 А·ч. Батареи использовались в течение коротких периодов затмения, когда солнечная энергия была недоступна. Двигатель для основных маневров обеспечивался карданным двигателем управления скоростью – гиперголическим ракетным двигателем Marquardt Corp. Трехосевая стабилизация и управление ориентацией обеспечивались четырьмя струями азота. Информация для навигации поступала от пяти датчиков Солнца, звездного датчика Canopus и инерциальной навигационной системы. Связь осуществлялась через передатчик мощностью 10 Вт и направленную антенну высокого усиления диаметром один метр для передачи фотографий, а также через передатчик мощностью 0,5 Вт и всенаправленную антенну с низким усилением для других видов связи. Оба передатчика работали в S-диапазоне на частоте около 2295 МГц. Терморегулирование поддерживалось многослойным алюминизированным тепловым экраном из Mylar и Dacron, который покрывал основной корпус, специальной краской, изоляцией и небольшими нагревателями. Камера использовала два объектива для одновременной экспозиции широкоугольного и изображения высокого разрешения на одну и ту же пленку. В режиме широкоугольного, среднего разрешения использовался объектив Xenotar 80 мм F 2.8 производства Schneider Kreuznach из Западной Германии. В режиме высокого разрешения использовался панорамный объектив Panoramic 610 мм F 5.6 производства Pacific Optical Company. Фотопленка проявлялась на орбите полусухим способом, а затем сканировалась фотоумножителем для передачи на Землю. Эта система была адаптирована с разрешения NRO от разведывательной камеры SAMOS E 1, созданной Kodak для краткосрочного проекта спутниковой съемки ВВС США в режиме близком к реальному времени. Первоначально ВВС предложили NASA несколько запасных камер из программы KH 7 GAMBIT, но затем власти обеспокоились безопасностью, связанной с секретными камерами, включая возможность того, что изображения Луны раскроют их разрешение. Были сделаны предложения о том, чтобы NASA не публиковало орбитальные параметры зондов Lunar Orbiter, чтобы разрешение изображений нельзя было рассчитать по их высоте. В конечном итоге существующие камеры NASA, хотя и с более низким разрешением, оказались достаточными для нужд миссии.

The Boeing Eastman Kodak proposal was announced by NASA on 20 December 1963. The main bus of the Lunar Orbiter had the general shape of a truncated cone, tall and in diameter at the base. The spacecraft was composed of three decks supported by trusses and an arch. The equipment deck at the base of the craft held the battery, transponder, flight programmer, inertial reference unit (IRU), Canopus star tracker, command decoder, multiplex encoder, traveling wave tube amplifier (TWTA), and the photographic system. Four solar panels were mounted to extend out from this deck with a total span across of Also extending out from the base of the spacecraft were a high gain antenna on a boom and a low gain antenna on a boom. Above the equipment deck, the middle deck held the velocity control engine, propellant, oxidizer, and pressurization tanks, Sun sensors, and micrometeoroid detectors. The third deck consisted of a heat shield to protect the spacecraft from the firing of the velocity control engine. The nozzle of the engine protruded through the center of the shield. Mounted on the perimeter of the top deck were four attitude control thrusters. Power of 375 W was provided by the four solar arrays containing 10,856 n/p solar cells which would directly run the spacecraft and also charge the 12 A·h nickel cadmium battery. The batteries were used during the brief periods of occultation when no solar power was available. Propulsion for major maneuvers was provided by the gimballed velocity control engine, a hypergolic thrust Marquardt Corp. rocket motor. Three axis stabilization and attitude control were provided by four nitrogen gas jets. Navigational knowledge was provided by five sun sensors, the Canopus star sensor, and the inertial navigation system. Communications were via a 10 W transmitter and the directional one meter diameter high gain antenna for transmission of photographs, and a 0.5 W transmitter and omnidirectional low gain antenna for other communications. Both transmitters operated in the S band at about 2295 MHz. Thermal control was maintained by a multilayer aluminized Mylar and Dacron thermal blanket which enshrouded the main bus, special paint, insulation, and small heaters. The camera used two lenses to simultaneously expose a wide angle and a high resolution image on the same film. The wide angle, medium resolution mode used an 80 mm F 2.8 Xenotar lens manufactured by Schneider Kreuznach of West Germany. The high resolution mode used a 610 mm F 5.6 Panoramic lens manufactured by the Pacific Optical Company. The photographic film was developed in orbit with a semidry process, and then it was scanned by a photomultiplier for transmission to Earth. This system was adapted under permission of the NRO from the SAMOS E 1 reconnaissance camera, built by Kodak for a short lived USAF near realtime satellite imaging project. Originally, the Air Force had offered NASA several spare cameras from the KH 7 GAMBIT program, but then authorities became concerned over security surrounding the classified cameras, including the possibility of images of the Moon giving away their resolution. Some proposals were made that NASA not publish the orbital parameters of the Lunar Orbiter probes so that the resolution of the images could not be calculated through their altitude. In the end, NASA's existing camera systems, while lower resolution, proved to be adequate for the needs of the mission.

Потенциальная резервная

В качестве резервного плана для программы Lunar Orbiter, NASA и NRO сотрудничали в создании Lunar Mapping and Survey System (LM&SS), основанной на разведывательном спутнике KH-7. Вместо лунного модуля в ракете-носителе "Сатурн-V", астронавты "Аполлона" должны были удалённо управлять LM&SS на лунной орбите. NASA отменила проект летом 1967 года после полного успеха программы Lunar Orbiter.

Доступность данных

Орбитальные фотографии Lunar Orbiter передавались на Землю в виде аналоговых данных после бортового сканирования оригинальной пленки на серию полос. Данные записывались на магнитную ленту, а также на пленку. Пленочные данные использовались для создания составленных вручную мозаик кадров Lunar Orbiter. Каждая экспозиция LO давала два снимка: кадры среднего разрешения, полученные объективом с фокусным расстоянием 80 мм, и кадры высокого разрешения, полученные объективом с фокусным расстоянием 610 мм. Из-за большого размера кадры высокого разрешения (HR) разделялись на три секции, или подкадра. Были созданы отпечатки большого формата из мозаик, и несколько копий были распространены по США в библиотеки изображений и данных НАСА, известные как Региональные планетарные информационные центры. Полученные в результате изображения отличались, как правило, очень высоким пространственным разрешением и охватывали значительную часть лунной поверхности, однако страдали от полосатости, напоминающей жалюзи, отсутствия или дублирования данных, а также от частого насыщения, что затрудняло их использование. На протяжении многих лет эти изображения служили основой для значительной части лунных научных исследований. Поскольку они были получены при низких или умеренных углах освещения Солнцем, фотографические мозаики Lunar Orbiter особенно полезны для изучения морфологии лунных топографических элементов. Было опубликовано несколько атласов и книг, содержащих фотографии Lunar Orbiter. Наиболее полным из них, вероятно, был атлас Боукера и Хьюза (1971), содержащий 675 фотографических пластин с почти полным покрытием Луны. В связи с высоким интересом к данным и тем, что этот атлас больше не издается, в Лунном и Планетарном Институте была поставлена задача сканировать отпечатки большого формата данных Lunar Orbiter. Они были опубликованы в сети как Цифровой фотографический атлас Луны Lunar Orbiter.

Восстановление и оцифровка данных

В 2000 году Программа астрогеологических исследований Геологической службы США в Флагстафе, штат Аризона, получила финансирование от НАСА (в рамках проекта оцифровки Lunar Orbiter) для сканирования архивных позитивных плёночных лент Lunar Orbiter с разрешением 25 микрометров, изготовленных из исходных данных. Целью было создание глобальной мозаики Луны с использованием наилучших доступных кадров Lunar Orbiter (в основном с той же областью охвата, что и у Боукера и Хьюза, 1971). Кадры были сформированы из отсканированных плёночных полос, они были созданы в цифровом виде, прошли геометрическую привязку и были спроецированы на карту без полос, заметных на оригинальных фотографических кадрах. В связи с акцентом на создании глобальной мозаики, в рамках этого проекта было отсканировано около 15% доступных фотографических кадров Lunar Orbiter. Данные миссий Lunar Orbiter III, IV и V были включены в глобальную мозаику. Кроме того, проект оцифровки USGS создал кадры с очень высоким разрешением из изображений Lunar Orbiter для ряда "участков, представляющих научный интерес". Эти участки были определены в 1960-х годах при выборе мест посадки аппаратов "Аполлон". Кадры для таких участков, как место посадки "Аполлона-12", холмы Мариус и долины Сулпициус Галлус, были опубликованы. В 2007 году проект восстановления изображений Lunar Orbiter (LOIRP) начал процесс преобразования изображений Lunar Orbiter непосредственно из оригинальных аналоговых видеозаписей данных космического аппарата Ampex FR 900 в цифровой формат, что позволило значительно повысить разрешение по сравнению с оригинальными изображениями, опубликованными в 1960-х годах. Первые восстановленные изображения были опубликованы в конце 2008 года. К февралю 2014 года почти все изображения Lunar Orbiter были успешно восстановлены и находились в стадии цифровой обработки перед передачей в Планетарную информационную систему НАСА.