Clementine (Raumsonde)

Charged Particle Telescope (CPT)Edit

Das Charged Particle Telescope (CPT) auf Clementine wurde entwickelt, um den Fluss und die Spektren von energetischen Protonen (3-80 MeV) und Elektronen (25-500 keV) zu messen. Die Hauptziele der Untersuchung waren: (1) die Wechselwirkung des Erdmagnetschweifs und interplanetarer Stöße mit dem Mond zu untersuchen; (2) den Sonnenwind in Regionen zu beobachten, die weit von anderen Raumfahrzeugen entfernt sind, als Teil einer koordinierten Studie mit mehreren Missionen; und (3) die Auswirkungen einfallender Teilchen auf die Funktionsfähigkeit der Solarzellen des Raumfahrzeugs und anderer Sensoren zu messen.

Um die strenge Begrenzung der Masse des Instruments (<1 kg) einzuhalten, wurde es als Ein-Element-Teleskop ausgeführt. Das Teleskop hatte ein Halbwinkel-Sichtfeld von 10 Grad. Der Detektor, ein Silizium-Oberflächenbarrieredetektor mit einer Fläche von 100 mm2 und einer Dicke von 3 mm, war abgeschirmt, um zu verhindern, dass Protonen unter 30 MeV ihn aus anderen Richtungen als über die Apertur erreichen. Die Apertur wurde mit einer sehr dünnen Folie abgedeckt, um zu verhindern, dass Licht auf den Detektor fällt und Rauschen erzeugt. Das Signal des Detektors wurde in neun Kanäle aufgeteilt, von denen die untersten sechs für den Nachweis von Elektronen und die obersten drei für Protonen und schwerere Ionen bestimmt waren.

Ultraviolett-/SichtbarkeitskameraEdit

Die Reiner-Gamma-Mondwirbel bei 750 nm, aufgenommen von der Clementine-Mission

Die Ultraviolett-/Sichtbarkeitskamera (UV/Vis) wurde entwickelt, um die Oberflächen des Mondes und des Asteroiden Geographos bei fünf verschiedenen Wellenlängen im ultravioletten und sichtbaren Spektrum zu untersuchen. Das Rendezvous mit Geographos wurde aufgrund einer Fehlfunktion der Ausrüstung abgesagt. Dieses Experiment lieferte Informationen über die petrologischen Eigenschaften des Oberflächenmaterials des Mondes und lieferte Bilder, die für morphologische Studien und Kraterstatistiken nützlich sind. Die meisten Bilder wurden bei niedrigen Sonnenwinkeln aufgenommen, was für petrologische Studien nützlich ist, aber nicht für die Beobachtung der Morphologie.

Der Sensor bestand aus einem katadioptrischen Teleskop mit einer Öffnung von 46 mm und Linsen aus Quarzglas, die auf eine beschichtete Thompson-CCD-Kamera mit einem Bandpass von 250-1000 nm und einem Filterrad mit sechs Positionen fokussiert waren. Der Wellenlängenbereich wurde im kurzwelligen Bereich durch die Transmission und die optische Unschärfe des Objektivs begrenzt, im langwelligen Bereich durch die CCD-Kamera. Das CCD war ein Frame-Transfer-Gerät, das drei Verstärkungsstufen zuließ (150, 350 und 1000 Elektronen/Bit). Die Integrationszeiten variierten je nach Verstärkungsstufe, Beleuchtungswinkel und Filter zwischen 1 und 40 ms. Die mittleren Filterwellenlängen (und Bandpassbreiten (FWHM)) waren 415 nm (40 nm), 750 nm (10 nm), 900 nm (30 nm), 950 nm (30 nm), 1000 nm (30 nm) und ein Breitbandfilter, der 400-950 nm abdeckt. Das Sichtfeld betrug 4,2 × 5,6 Grad, was bei einer nominalen Mondhöhe von 400 km einer Querschnittsbreite von etwa 40 km entspricht. Das Bildfeld betrug 288 × 384 Pixel. Die Pixelauflösung schwankte zwischen 100 und 325 m während einer einzigen Mondumlaufbahn. Bei Geographos hätte die Pixelauflösung bei der nächsten Annäherung von 100 km 25 m betragen, was einer Bildgröße von etwa 7 × 10 km entspricht. Die Kamera nahm zwölf Bilder in jedem 1,3-Sekunden-Burst auf, was 125 Mal während der 80-minütigen Kartierung während jeder fünfstündigen Mondumrundung geschah. Die Mondoberfläche wurde während der zweimonatigen Kartierungsphase der Mission vollständig abgedeckt. Der Dynamikbereich betrug 15.000. Das Signal-Rausch-Verhältnis schwankte je nach Oberflächenalbedo und Phasenwinkel zwischen 25 und 87, mit einer relativen Kalibrierung von 1 % und einer absoluten Kalibrierung von 15 %.

Nahinfrarot-CCD-Kamera (NIR)

Die Clementine-Nahinfrarot-Kamera (NIR) wurde entwickelt, um die Oberflächen des Mondes und des erdnahen Asteroiden 1620 Geographos bei sechs verschiedenen Wellenlängen im Nahinfrarotspektrum zu untersuchen. Dieses Experiment lieferte Informationen über die Petrologie des Oberflächenmaterials auf dem Mond. Das Rendezvous mit Geographos wurde wegen einer Fehlfunktion der Ausrüstung abgebrochen.

Die Kamera bestand aus einem katadioptrischen Objektiv, das auf eine mechanisch gekühlte (auf eine Temperatur von 70 K) Bernstein-InSb-CCD-Fokalebenenanordnung mit einem Bandpass von 1100-2800 nm und einem Filterrad mit sechs Positionen fokussierte. Die mittleren Filterwellenlängen (und Bandpassbreiten (FWHM)) waren: 1100 nm (60 nm), 1250 nm (60 nm), 1500 nm (60 nm), 2000 nm (60 nm), 2600 nm (60 nm) und 2780 nm (120 nm). Die Apertur betrug 29 mm bei einer Brennweite von 96 mm. Das Sichtfeld betrug 5,6 × 5,6 Grad, was bei einer nominalen Mondhöhe von 400 km eine Querschnittsbreite von etwa 40 km ergibt. Der Mond wurde während der zweimonatigen Mondphase der Mission vollständig kartiert. Das Bildfeld hat eine Größe von 256 × 256 Pixeln, und die Pixelauflösung schwankte zwischen 150 und 500 m während einer einzelnen Mondumlaufbahn. (Bei Geographos hätte die Pixelauflösung bei nächster Annäherung 40 m betragen, was einer Bildgröße von etwa 10 × 10 km entspricht.) Die Kamera nahm zwölf Bilder in jedem 1,3-Sekunden-Burst auf, der während der 80-minütigen Kartierung in jeder fünfstündigen Mondumlaufbahn 75 Mal erfolgte. Der Dynamikbereich betrug 15.000. Das Signal-Rausch-Verhältnis schwankte zwischen 11 und 97, abhängig von der Oberflächenalbedo und dem Phasenwinkel, mit einer relativen Kalibrierung von 1% und einer absoluten Kalibrierung von 30%. Die Verstärkung variierte von 0,5X bis 36X.

Laser Image Detection and Ranging (LIDAR) SystemEdit

Reliefmessungen durch LIDAR

Das Clementine Laser Image Detection And Ranging (LIDAR)-Experiment wurde entwickelt, um den Abstand zwischen der Raumsonde und einem Punkt auf der Oberfläche des Mondes zu messen. Auf diese Weise kann eine Höhenkarte erstellt werden, die zur Bestimmung der Morphologie großer Becken und anderer Merkmale des Mondes, zur Untersuchung von Spannungen, Dehnungen und Biegeeigenschaften der Lithosphäre sowie in Verbindung mit der Schwerkraft zur Untersuchung der Dichteverteilung in der Kruste verwendet werden kann. Das Experiment sollte auch Entfernungen zur Oberfläche von Geographos messen, aber diese Phase der Mission wurde wegen einer Fehlfunktion abgebrochen.

Das LIDAR-System bestand aus einem Nd-YAG (Yttrium-Aluminium-Granat)-Laser mit einer Wellenlänge von 180 mJ und einer Wellenlänge von 1064 nm, der Pulse auf die Mondoberfläche sendete. Der Laser erzeugte einen Puls mit einer Breite von weniger als 10 ns. Bei einer Wellenlänge von 1064 nm hatte der Puls eine Energie von 171 mJ mit einer Divergenz von weniger als 500 Mikrorad. Bei 532 nm hatte er einen Puls von 9 mJ mit einer Divergenz von 4 Millirad. Der reflektierte Puls durchlief das Teleskop der hochauflösenden Kamera, wo er durch einen dichroitischen Filter auf einen Silizium-Avalanche-Photodiodendetektor aufgeteilt wurde. Bei dem Detektor handelte es sich um einen SiAPD-Empfänger mit einer 0,5 × 0,5 mm großen Zelle und einem Sichtfeld von 0,057 Quadratgrad. Der Laser hatte eine Masse von 1250 g, der Empfänger war in der 1120 g schweren HIRES-Kamera untergebracht. Die Laufzeit eines Pulses gab die Entfernung zur Oberfläche an. Der LIDAR-Speicher konnte bis zu sechs Rückmeldungen pro Laserabschuss speichern, wobei ein Schwellenwert für den besten Kompromiss zwischen verpassten Entdeckungen und Fehlalarmen festgelegt wurde. Die Rückmeldungen wurden in Entfernungsbereichen von 39,972 m gespeichert, was der Auflösung des 14-Bit-Taktzählers entspricht. Das LIDAR hat eine nominale Reichweite von 500 km, aber es wurden Höhendaten für Höhen bis zu 640 km gesammelt, was eine Abdeckung von 60 Grad Süd bis 60 Grad Nord bis zum Ende der Mondphase der Mission ermöglichte. Die vertikale Auflösung beträgt 40 m, die horizontale Punktauflösung etwa 100 m. Der Spurabstand der Messungen am Äquator betrug etwa 40 km. Während eines Zeitraums von 45 Minuten auf jeder Umlaufbahn wurde jede Sekunde eine Messung durchgeführt, was einen Abstand von 1-2 km entlang der Bahn ergab.

Hochauflösende Kamera (HIRES)

Die hochauflösende Kamera von Clementine bestand aus einem Teleskop mit einem Bildverstärker und einem CCD-Bildwandler. Das Bildaufnahmesystem war für die Untersuchung ausgewählter Teile der Oberflächen des Mondes und des erdnahen Asteroiden 1620 Geographos vorgesehen, wobei das Rendezvous mit dem Asteroiden wegen einer Fehlfunktion abgesagt werden musste. Dieses Experiment ermöglichte die detaillierte Untersuchung von Oberflächenprozessen auf dem Mond und erlaubte in Verbindung mit Spektraldaten hochauflösende Untersuchungen der Zusammensetzung und der Geologie.

Der Imager war eine verstärkte Thompson-CCD-Kamera mit einem Filterrad mit sechs Positionen. Der Filtersatz bestand aus einem Breitbandfilter mit einem Bandpass von 400 bis 800 nm, vier Schmalbandfiltern mit Zentralwellenlängen (und Bandpassbreite (FWHM)) von 415 nm (40 nm), 560 nm (10 nm), 650 nm (10 nm) und 750 nm (20 nm) sowie einer undurchsichtigen Abdeckung zum Schutz des Bildverstärkers. Das Sichtfeld betrug 0,3 x 0,4 Grad, was einer Breite von etwa 2 km bei einer nominalen Mondhöhe von 400 km entspricht. Das Bildfeld besteht aus 288 × 384 Pixeln (Pixelgröße 23 × 23 Mikrometer), so dass die Pixelauflösung auf dem Mond je nach Höhe der Raumsonde 7-20 m betrug. (Bei Geographos hätte die Auflösung bei nächster Annäherung <5 m betragen.) Die lichte Öffnung betrug 131 mm und die Brennweite 1250 mm. Die nominale Aufnahmerate betrug etwa 10 Bilder pro Sekunde in Einzelbildserien, die alle Filter des Mondes abdeckten. Die hohe Auflösung und das kleine Sichtfeld erlaubten nur die Erfassung ausgewählter Bereiche des Mondes, entweder in Form von langen, schmalen Streifen mit einer einzigen Farbe oder in Form von kürzeren Streifen mit bis zu vier Farben. Das Instrument hat ein Signal-Rausch-Verhältnis von 13 bis 41, je nach Albedo und Phasenwinkel, mit einer relativen Kalibrierung von 1 % und einer absoluten Kalibrierung von 20 % und einem Dynamikbereich von 2000.

Das Teleskop der hochauflösenden Kamera wurde vom LIDAR-Instrument mitbenutzt. Der 1064-nm-Laser wurde mit Hilfe eines dichroitischen Filters auf den LIDAR-Empfänger (einen Avalanche-Photodioden-Detektor) aufgeteilt.

Die Bilder von HIRES können in der NASA World Wind-Software betrachtet werden.