Lunar Prospector (буквально ) — американская автоматическая межпланетная станция (АМС) для исследования Луны, созданная в рамках программы НАСА «Discovery». На борту аппарата находились магнитометр, электронный рефлектометр, нейтронный спектрометр, гамма-спектрометр и альфа-спектрометр. Кроме этого было проведено два эксперимента: доплеровский гравитационный эксперимент и управляемое падение на поверхность Луны. Все приборы, кроме альфа-спектрометра, работали до окончания миссии. Станция запущена 7 января 1998 года, переведена на рабочую окололунную орбиту 15 января 1998 года и завершила работу 31 июля 1999 года. Lunar Prospector полностью выполнил запланированную научную программу к декабрю 1998 года, работая на орбите высотой около 100 км. С 29 января 1999 года АМС проводила исследования на орбите высотой около 30 км. Перед окончанием полёта аппарат работал на орбите высотой около 10 километров. Целью последнего эксперимента — управляемый спуск с орбиты и падение в заданной области поверхности Луны — был выброс над поверхностью Луны лунного грунта, ожидаемо содержащего воду. Последний эксперимент не достиг поставленных целей, но вся остальная программа была выполнена успешно и принесла большие научные результаты: были представлены данные, которые уверенно трактовались, как наличие водяного льда в приполярных областях; было доказано наличие лунного ядра, что поддержало ударную версию образования Луны; была составлена карта распределения химических элементов на поверхности Луны; были обнаружены магнитные аномалии, которые оказались связаны с большими ударными кратерами.
Подводя итоги программы Lunar Prospector, менеджер миссии Скотт Хаббард () сказал:
Задачи полета Основными научными задачами АМС Lunar Prospector были исследование гравитационного поля и внутреннего строения Луны, регистрация аномалий магнитного поля, глобальная съёмка элементного состава поверхности Луны, а также анализ выделяемых поверхностью Луны летучих веществ. До Lunar Prospector комплексными исследованиями поверхности Луны учёные занимались в рамках программ «Аполлон» и «Клементина». Орбиты «Аполлонов» пролегали недалеко от плоскости лунного экватора, в результате чего было обследовано лишь около 25 % поверхности. В 1994 году АМС «Клементина» впервые составила глобальную карту элементного состава Луны и в частности обнаружила следы воды на её южном полюсе. После этого среди задач Lunar Prospector было явно озвучено дополнить и уточнить изыскания «Клементины», в том числе и исследования, связанные с водой.
Инициатором проекта Lunar Prospector, а впоследствии и научным руководителем миссии, был доктор Алан Байндер (), который защитил в 1967 году докторскую диссертацию по планетологии и лунной геологии. В 70-х годах он активно участвовал в программе «Викинг». Именно Байндер консультировал Европейское космическое агентство в рамках исследования проекта лунного полярного спутника. Кроме этого Байндер участвовал в совместном германо-американском проекте «Selene», который эволюционировал в автоматическую лунную посадочную миссию «Artemis». Из всех проектов до стадии практической реализации смог дойти только проект лунной полярной АМС, получившей название Lunar Prospector.
Изначально аппарат планировалось запустить в 1992 году. Особенностью проекта было то, что основным разработчиком являлся Принстонский Институт космических исследований, а НАСА участвовало только разработкой одного прибора — спектрометра гамма-лучей. Результаты исследований «Клементины» подтолкнули НАСА на включение Lunar Prospector в программу «Дискавери». Проект был отобран для участия в августе 1994 года и 28 февраля 1995 был одобрен. В конкурсе участвовало 28 космических проектов. Среди наиболее сильных конкурентов фигурировал проект «Гермес», предложенный Лабораторией реактивного движения, — АМС для исследования Меркурия, поиска кратерного льда, картирования магнитного и гравитационного полей. Создатели проекта «Клементина» предлагали отправить аппарат «Оракл», аналогичный лунному, по пролётной траектории к двум астероидам и комете. Среди лунных проектов было несколько вариантов луноходов: «InerluneOne» — запуск сразу двух луноходов (большого, массой 163 кг, и маленького (10 кг) — для исследования геологии спутника Земли); Российско-американский проект — отправка на Луну модифицированного российского марсохода НПО имени Лавочкина; Проект «Жюль Верн» Калифорнийского университета и центра имени Джонсона — для исследования структуры Луны. Lunar Prospector не воспринимался сильным конкурентом, но его шансы повышала возможность полететь уже в 1998 году. В результате конкурсная комиссия выбрала для реализации Lunar Prospector, отметив, что проект достаточно проработан для запуска в космос в июне 1997 года. На момент запуска Lunar Prospector был третьим и самым дешёвым проектом, осуществлённым в рамках программы.
Расходы по программе оценивались в 59 млн $. Научным руководителем проекта стал Алан Байндер, изготовил космический аппарат «», техническая поддержка и изготовление одного из научных приборов были предоставлены Исследовательскому центру имени Эймса (НАСА). В бюджете НАСА на 1997 бюджетный год на программу Lunar Prospector было выделено 19,8 млн $. Общая стоимость программы составила 63 млн $: разработка аппарата — 34 млн, стоимость пусковых услуг — 22 млн, расходы на управление аппаратом и обработку данных — 4 млн $. Изначально программа исследований была рассчитана на один год.
На пресс-конференции 4 января 1998 года Скотт Хаббард сказал:
Мы хотели показать, что на сумму, равную стоимости типичного голливудского фильма, можно исследовать межпланетное пространство.
Однако среди научного сообщества были учёные, которые критиковали именно низкую стоимость проекта, оказавшую влияние на малую научную нагрузку аппарата.
Конструкция аппарата
Для основы Lunar Prospector использовалась половинка космического аппарата Iridium в форме трёхгранной призмы. На призму была надета цилиндрическая оболочка диаметром 1,40 и длиной 1,25 метра. На оболочке были размещены солнечные батареи, вырабатывавшие 202 Вт электроэнергии. Работу в затенённых участках обеспечивала никель-кадмиевая батарея ёмкостью 4,8 Ач. Схема управления была разработана без компьютера на борту. Управление аппаратом производилось командами с Земли. Центр управления полётом был размещён в Исследовательском центре имени Эймса. Для связи АМС с Землёй использовались приёмник и передатчик S-диапазона, работавшие через всенаправленную антенну или антенну среднего усиления MGA. Всенаправленная антенна использовалась для передачи команд на борт, а антенна MGA обеспечивала передачу данных на Землю. Антенны были смонтированы на верхнем днище аппарата. Канал «Земля—борт» работал на частоте 2093,0541 МГц, а обратный — на частоте 2273 МГц, обеспечивая канал связи «шириной» 3,6 кбит/с. Научная аппаратура была размещена на трёх штангах длиной 2,4 м, располагавшихся поперечно продольной оси призмы. Для управления АМС и поддержания ориентации использовалось шесть гидразиновых ЖРД с тягой 22 Н, которые изготовила компания . Заправленный аппарат имел массу 295 кг, сухой — 158 кг.
Передача данных от АМС на Землю проводилась в реальном времени и только в условиях прямой видимости станций связи. На участках радиотени данные записывались на твердотельные накопители, а после выхода из радиотени записанные данные передавались одновременно с текущими. Каждый прибор имел конкретный отрезок времени для передачи своих данных. На практике проявилась сильная зашумлённость канала связи и низкая мощность полезного сигнала. Для повышения точности информации пришлось прибегнуть к многократной съёмке изучаемых областей лунной поверхности. Центр управления полётом АМС был создан в течение 1997 года на базе центра управления миссии «Пионер-10» на третьем этаже корпуса N-244 исследовательского центра Эймса. До запуска лунной АМС управление «Пионерами» использовалось для подготовки команды управления лунника. Во время реализации основной миссии группа управления продолжила вести «Пионеры» в «факультативном порядке», а после прекращения полёта Lunar Prospector центр управления продолжил работу до конца сентября 1998 года, поддерживая связь с «Пионером-10».
Космический аппарат был собран в калифорнийском городе Саннивейл; работами руководил Томас Дагерти. В работах участвовало 25 субподрядчиков, а для испытаний компания Hewlett-Packard создала специальный стенд. Предполётная подготовка АМС проводилась компанией .
Полезная нагрузка На борту Lunar Prospector было размещено пять научных приборов и планировался один эксперимент, не требовавший специальной бортовой аппаратуры:
Прибор (эксперимент) Разработчик(Производитель) Руководитель проекта Магнитометр MAG Центр космических полётов им. Годдарда,Лунно-планетная лаборатория Аризонского университета Марио Акунья,Лон Худ Электронный рефлектометр ER Лаборатория космической науки (Калифорнийский университет в Беркли) Роберт Линь Нейтронный спектрометр NS Лос-Аламосская национальная лаборатория(Лос-Аламосская национальная лаборатория) Уильям Фелдман Гамма-спектрометр GRS Исследовательский центр имени Эймса(Лос-Аламосская национальная лаборатория) Скотт Хаббард Альфа-спектрометр APS Лунный исследовательский институт(Лос-Аламосская национальная лаборатория) Алан Байндер DGE Лаборатория реактивного движения Александер Коноплив
Одной из основных задач нейтронного спектрометра NS () был поиск признаков воды на Луне. Для этого анализировались нейтроны, которые были выбиты с лунной поверхности космическим излучением. Нейтроны, взаимодействовавшие с атомами водорода, должны были иметь определённую энергию и спектрометр должен был распознать такие нейтроны. Ожидалось, что NS сможет «заглянуть» на один метр в глубь поверхности и «увидеть» до ста граммов воды на один кубометр реголита. При весе 3,9 кг спектрометр потреблял 2,5 Вт энергии и выдавал данные со скоростью 49 бит/с. Нейтронный спектрометр был установлен на одну штангу с альфа-спектрометром. Альфа-спектрометр APS () должен был исследовать газы (азот, окись углерода, углекислый газ и радон), которые могли выделяться в окололунное пространство в результате возможных тектонических процессов. Четырёхкилограммовый прибор потреблял 7 Вт энергии и производил 181 бит/с научной информации. Данные, полученные гамма-спектрометром GRS (), должны были помочь сформировать карту распределения химических элементов на поверхности спутника Земли. Учёных интересовали калий, фосфор, титан, кремний, алюминий, железо. До появления данных «Клементины» эти элементы были первоочередной задачей, так как позволяли исследовать процесс формирования Луны и Солнечной системы. Гамма-спектрометр весил 8,6 кг, потреблял 3 Вт электроэнергии и выдавал информацию со скоростью 688 бит/с. Задачами электронного рефлектометра ER () и магнитометра MAG () была попытка ответить на вопрос происхождения остаточного магнитного поля Луны. Предполагалось определить связь лунного магнитного поля с возможным ядром или с воздействием на поверхность падающих комет и астероидов. При обнаружении ядра предполагалось оценить его параметры. Магнитометр монтировался на отдельной штанге длиной около 0,8 м, которая крепилась к блоку электронного рефлектометра. Общая масса приборов составляла около 5 кг, энергопотребление 4,5 Вт и они выдавали суммарный поток информации 670 бит/с. Магнитометр был самым удалённым прибором Lunar Prospector — во избежание воздействия внутренних магнитных полей АМС магнитометр был вынесен на расстояние 2,6 метра от корпуса.
Для эксперимента DGE () отдельного прибора не требовалось — доплеровский гравитационный эксперимент проводился на основе анализа доплеровского смещения радиочастоты сигналов, передаваемых с аппарата. Точность измерения позволяла отследить изменение скорости аппарата до 0,2 мм/с. Целью эксперимента было создание карты гравитационных аномалий и новой гравитационной модели Луны.
Lunar Prospector не нёс на борту камеру оптического диапазона, что определялось ограничениями по массе и бортовой энергетике.