Зонд-5: Исследование Моря Спокойствия и анализ лунного грунта

Введение

Surveyor 5 — пятый лунный посадочный аппарат американской беспилотной программы Surveyor, отправленный для исследования поверхности Луны. Surveyor 5 совершил посадку в Море Спокойствия в 1967 году. Всего на Землю было передано 19 118 изображений.

Миссия

Миссия столкнулась с утечкой гелия в системе, создававшей давление в двигателях малой тяги жидкого топлива, что могло привести к их отказу. Импровизированная последовательность посадки, включавшая запуск тормозного двигателя всего в 42 км над Луной (около половины обычной высоты), позволила двигателям малой тяги осуществить снижение аппарата за 106 секунд с высоты всего 1340 м (около 10% обычной высоты). Это привело к тому, что аппарат совершил посадку при давлении гелия, близком к критическому, при котором двигатели могли бы остановиться из-за недостатка давления. Однако посадка оказалась успешной, и данные были получены в течение двух недель после посадки. Для определения состава лунного грунта использовалась миниатюрная химическая лаборатория с прибором обратного рассеяния альфа-частиц, показавшая, что лунная поверхность состоит из базальтовых пород. Аналогичный прибор, APXS, использовался на борту нескольких марсианских миссий. Surveyor 5 стал третьим космическим аппаратом серии Surveyor, успешно совершившим мягкую посадку на Луну. Аппарат имел базовую треугольную конструкцию из алюминиевых труб, обеспечивавшую крепление инженерного и научного оборудования. Целями миссии были: получение телевизионных снимков лунной поверхности после посадки, проведение эксперимента по эрозии двигателя малой тяги, определение относительного содержания химических элементов в лунном грунте, получение данных о динамике посадки, а также данных о тепловом излучении и радиолокационной отражательной способности. Оборудование этого аппарата было аналогично оборудованию предыдущих Surveyor и включало в себя посадочные опоры, двигатель малой тяги и многочисленные инженерные датчики. Вместо отборника грунта был установлен прибор для рассеяния альфа-частиц, а к одной опоре прикреплен небольшой постоянный магнит для обнаружения наличия магнитного материала в лунном грунте. Аппарат совершил посадку 11 сентября 1967 года в 00:46:44 UT (10 сентября в 19:46 по восточному времени) в Море Спокойствия, на 1.41° северной широты и 23.18° восточной долготы (селенографические координаты), в пределах нечеткой кромки небольшого кратера на склоне около 20°. Аппарат передавал отличные данные по всем экспериментам вскоре после посадки до 18 октября 1967 года, с перерывом в передаче данных с 24 сентября по 15 октября 1967 года во время первой лунной ночи. Передача данных продолжалась до 1 ноября 1967 года, когда произошло отключение во время второй лунной ночи. Передача данных возобновилась в течение третьего и четвертого лунных дней, а последняя передача состоялась 17 декабря 1967 года. Фотографии передавались в течение первого, второго и четвертого лунных дней. Менее чем через два года первая пилотируемая экспедиция, Apollo 11, совершила посадку в 25 км к югу-юго-западу от Surveyor 5.

The mission experienced a helium leak in the system that pressurized the liquid fuel vernier engines that could have resulted in failure. An improvised landing sequence which started the retrorocket just 42 km above the Moon (about half the usual height) allowed the vernier engines to bring the craft down in 106 seconds from a height of only 1340 m (about 10% of the usual). This brought the craft down with a helium pressure on the edge of what would have shut the engines down from lack of pressure. The landing, however, was successful, and data was received for two weeks after the landing. A miniature chemical analysis lab using an alpha particle backscatter device was used to determine the lunar surface soil consisted of basaltic rock. A similar instrument, the APXS, was used onboard several Mars missions. Surveyor 5 was the third spacecraft in the Surveyor series to achieve a successful lunar soft landing. The spacecraft had a basic triangular structure of aluminum tubing that provided mounting surfaces for engineering and scientific equipment. The objectives were to obtain postlanding television pictures of the lunar surface, conduct a Vernier engine erosion experiment, determine the relative abundance of the chemical elements in the lunar soil, obtain touchdown dynamics data, and obtain thermal and radar reflectivity data. Instrumentation for this spacecraft was similar to that of the previous Surveyors and included landing legs, a Vernier propulsion system, and numerous engineering sensors. An alpha scattering instrument was installed in place of the surface sampler, and a small bar magnet attached to one footpad was included to detect the presence of magnetic material in the lunar soil. The spacecraft landed at 00:46:44 UT on September 11, 1967 (7:46 p. m. EST September 10) in Mare Tranquillitatis, at 1.41° N latitude and 23.18° E longitude (selenographic coordinates), within the rimless edge of a small crater on a slope of about 20 deg. The spacecraft transmitted excellent data for all experiments from shortly after touchdown until October 18, 1967, with an interval of no transmission from September 24 to October 15, 1967, during the first lunar night. Transmissions were received until November 1, 1967, when shutdown for the second lunar night occurred. Transmissions were resumed on the third and fourth lunar days, with the final transmission occurring on December 17, 1967. Pictures were transmitted during the first, second, and fourth lunar days. Less than two years later the first crewed landing, Apollo 11, would land 25 km south southwest of Surveyor 5.

Запуск

Surveyor 5 был запущен с верхней ступени ракеты Atlas Centaur 8 сентября 1967 года с мыса Канаверал.

Телевидение

Телевизионная камера состояла из видикна, линз с фокусным расстоянием 25 и 100 мм, затворов, прозрачных, красных, зеленых и синих оптических фильтров, и диафрагмы, установленных вдоль оси, наклоненной примерно на 16° к центральной оси космического аппарата. Камера была установлена под зеркалом, которое можно было перемещать по азимуту и углу места. Работа камеры полностью зависела от получения правильной структуры команд с Земли. Покадровая съемка лунной поверхности осуществлялась на 360° по азимуту и от +40° над плоскостью, нормальной к оси z камеры, до 65° ниже этой плоскости. Использовались режимы работы с 600 и 200 линиями разложения. Режим с 200 линиями передавался через всенаправленную антенну и сканировал один кадр каждые 61,8 секунды. Полная видеопередача каждого изображения с 200 линиями требовала 20 секунд и использовала полосу пропускания 1,2 кГц. Большинство передач состояли из изображений с 600 линиями, которые телеметрировались с помощью направленной антенны. Эти кадры сканировались каждые 3,6 секунды. Для считывания каждого изображения с 600 линиями с видикна номинально требовалась 1 секунда, а для передачи использовалась полоса пропускания 220 кГц. Телевизионные изображения отображались на мониторе медленного сканирования с покрытием из люминофора с длительным послесвечением. Длительность послесвечения была выбрана для оптимального соответствия номинальной максимальной частоте кадров. Для каждого входящего телевизионного кадра принимался один кадр идентификации, который отображался в реальном времени с частотой, совместимой с частотой входящего изображения. Эти данные записывались на видеомагнитную ленту и на 70-мм пленку. В течение первого лунного дня, который закончился 24 сентября 1967 года, было передано 18 006 высококачественных телевизионных изображений. После выключения камеры на время лунной ночи, длившейся более 20 дней, она отреагировала на команды и передала дополнительные 1048 изображений в период с 15 по 23 октября 1967 года. Еще 64 изображения были переданы на четвертый лунный день, но качество изображений, полученных после первого лунного дня, было низким из-за ухудшения характеристик камеры, вызванного низкими температурами в течение лунной ночи.

The TV camera consisted of a vidicon tube, 25 and 100 mm focal length lenses, shutters, clear, red, green and blue optical filters, and iris mounted along an axis inclined approximately 16° to the central axis of the spacecraft. The camera was mounted under a mirror that could be moved in azimuth and elevation. Camera operation was totally dependent upon receipt of the proper command structure from Earth. Frame by frame coverage of the lunar surface was obtained over 360° in azimuth and from +40° above the plane normal to the camera z axis to 65° below this plane. Both 600 line and 200 line modes of operation were used. The 200 line mode transmitted over an omnidirectional antenna and scanned one frame each 61.8 seconds. A complete video transmission of each 200 line picture required 20 seconds and utilized a bandwidth of 1.2 kHz. Most transmissions consisted of the 600 line pictures, which were telemetered by a directional antenna. These frames were scanned each 3.6 seconds. Each 600 line picture required nominally 1 second to be read from the vidicon and utilized a 220 kHz bandwidth for transmission. The television images were displayed on a slow scan monitor coated with a long persistency phosphor. The persistency was selected to optimally match the nominal maximum frame rate. One frame of TV identification was received for each incoming TV frame and was displayed in real time at a rate compatible with that of the incoming image. These data were recorded on a video magnetic tape recorder and on 70 mm film. During the first lunar day, which ended on September 24, 1967, 18,006 high quality television pictures were transmitted. After being shut down during the lunar night, more than 20 days, the camera responded to commands and transmitted an additional 1,048 pictures between October 15 and 23, 1967. Another 64 pictures were transmitted on the fourth lunar day, but the quality of pictures taken after the first lunar day was poor due to camera degradation resulting from the lunar night temperatures.

Анализатор поверхности с альфа-рассеянием

Анализатор поверхности с альфа-рассеянием был разработан для непосредственного измерения концентраций основных элементов лунной поверхности. Инструментарий состоял из шести альфа-источников (курий-242), сфокусированных на облучение отверстия диаметром 100 мм в нижней части прибора, где размещался образец, и двух параллельных, но независимых систем детекторов заряженных частиц. Одна система, включающая два датчика, регистрировала энергетические спектры альфа-частиц, рассеянных с лунной поверхности, а другая, включающая четыре датчика, регистрировала энергетические спектры протонов, образовавшихся в результате ядерных реакций (альфа-частиц и протонов) в поверхностном материале. Каждая детекторная сборка была подключена к анализатору высоты импульсов. Цифровой электронный блок, расположенный в отсеке космического аппарата, непрерывно передавал данные телеметрии на Землю во время работы эксперимента. Спектры содержали количественную информацию обо всех основных элементах в образцах, за исключением водорода, гелия и лития. В ходе первого лунного дня эксперимент предоставил 83 часа высококачественных данных. В течение второго лунного дня было накоплено 22 часа данных. Однако шум детекторов затруднял обработку данных, полученных во второй лунный день.