基本介紹
- 中文名：克萊門汀探測器
- 外文名：Clementine
- 國家：美國
- 發射時間：1994年1月25日
- 質量：126公斤
- 特點：重量輕、體積小、研製周期短等
- 直徑：1.14米
- 長度：1.88米
- 研製周期：22個月
- 研製成本：7000萬美元
簡介,探測器參數,裝載儀器,發射目的,姿態確定和姿控系統,姿態確定,自旋穩定,三軸穩定,
簡介
“克萊門汀”是美國前彈道飛彈防禦組織（BMDO）和美國航宇局聯合開展的同名系列技術驗證項目中的首項任務，又名“深空計畫科學實驗”（DSPSE）和“克萊門汀”1（另一項任務“克萊門汀”2擬在做小行星飛越時向小行星發射基於反導攔截器的撞擊器，後被取消）。
美國戰略防禦倡議局和宇航局合作的克萊門汀探測器是新型月球探測器，也是美國自1972年阿波羅登月計畫結束後的20多年來發射的第一個月球探測器，其主要任務是試驗先進的輕型軍用成像敏感器等共23項新技術；繪製月球表面數字地形圖，以及對近地小行星——地理星進行科學考察。
克萊門汀探測器於1994年1月25日發射，2月6日進入環月軌道，最終運行於月球極軌道，從而能對月球全球進行測繪。探測器共發回了180萬幅圖片，探測數據表明，月球上有水冰。由於探測器上計算機出現故障，1994年5月7日探測器的肼燃料耗盡，探測器最終未能完成探測地理星的任務。
克萊門汀探測器是一個軍民兩用太空飛行器，同時也是按照美國航宇局快、好、省原則研製的現代小衛星的典範，實現了減少重量和體積、縮短研製周期以及降低成本的目標。其質量只有126公斤。
探測器參數
克萊門汀月球探測器重233kg，直徑1.14 m，長1.88m，研製周期22個月，費用7000萬美元。
以上四個指標和具有類似功能的探測器相比較：重量和體積減少1 ~ 2 倍，研製周期縮短2 、3 倍，成本下降3 ~ 4 倍。此外探測器採用許多當今最先進技術和部件，例如鎳氫電池、砷化稼太陽能電池、低成本輕型反作用飛輪、32位高壓縮比指令處理器、ZG固態數據記錄器、輕型高強度複合材料、雷射陀螺和光纖陀螺以及目前最先進各種不同波長光學敏感器的有效載荷。
裝載儀器
“克萊門汀”裝載有下列儀器：
（1）“紫外/可見光相機”：這種中等解析度相機採用CCD技術，工作在近紫外和可見光譜段，與六位濾光輪結合可對月球進行礦物學研究。
美國克萊門汀號探測器
美國克萊門汀號探測器（2）“近紅外相機”：該相機能以中等解析度在1～3微米的波長範圍內進行成像，與六位濾光輪結合可用於礦物學研究。
（3）“高解析度相機”：該相機工作在可見光波長上，採用CCD技術，可與圖像增強器和六位濾光輪配合使用。它能不受探測器運動的影響，提供解析度更高的圖像。
（4）“雷射雷達系統”：該系統用於在月球測繪軌道上進行高度測量。
（5）“長波紅外相機”：這種輕型相機工作在熱紅外譜段，用於測量月球的熱輻射。
（6）“星跟蹤器相機”：這種星跟蹤器有兩台，可通過比對星場圖像和所帶的星圖來為探測器提供慣性基準。
發射目的
發射這顆輕型月球探測器有兩個主要的目的：其一，試驗最先進輕型SDI成像敏感器和技術，旨在改進美國未來國防衛星和飛彈技術；其二，繪製月球表面數字地形圖和對近地小行星一地理星(Geographos) 進行科學考察。為了滿足上述飛行任務，美國軍方和NASA共同研製了一個技術先進、成本低和重量輕的姿態確定和控制系統。這系統要滿足整個飛行過程具有四種不同軌道(地球軌道，地-月轉移軌道，月球軌道和近地小行星軌道)，六種制導模式和多種控制結構的要求，系統重量僅有13kg，功耗42W，而姿態控制精度達到0.03°。
姿態確定和姿控系統
根據月球探測器的飛行任務和對姿態控制的要求，美國海軍研究實驗中心研製一套姿態確定和控制系統，工作壽命為2年。控制系統包括四項主要內容：姿態確定、自旋穩定、三軸穩定、控制硬體選擇。
姿態確定
為滿足變軌固體發動機點火姿態需要，要求地球軌道姿態測量範圍為3°，精度為0.25°。由於需要成像和繪製月球地圖，在月球軌道的姿態測量精度要求為0.03°。根據這些要求和飛行軌道的特點，姿態敏感器選擇星跟蹤器和陀螺組合方案。採用高精度狹視場星跟蹤器和高精度低漂移陀螺測量技術。
姿態確定是由具有冗餘的兩套慣性測量裝置(IMU) 組成的。第一套IMU-1有微型環狀雷射陀螺，第二套IMU-2 有光纖陀螺。慣性測量裝置測出飛行器在各軸線加速度和角加速度；然後經過積分和數據處理變為所需的軌道和姿態信息。由於陀螺有漂移，通過高精度星跟蹤器來修正，從而得到高精度姿量結果。這裡採用的雷射陀螺，重量僅為通常空間所用陀螺1/10。採用的光纖陀螺功耗低，由於沒有運動部件，不產生振動，敏感器噪聲低，這為光學成像和繪製月球地圖創造良好的工作條件。
自旋穩定
探測器在地-月軌道轉移階段採用自旋穩定，共有四種自旋穩定模式。
（1）細長體自旋穩定，採用主動章動控制，確保章動角穩定在所要求範圍內；
（2）自旋軸進動，用於控制自旋軸在所要求的指向精度內；
（3）自旋速度閉路控制，保證自旋軸轉速；
（4）自旋速度開路控制，用於改變自旋轉速，包括起旋和消旋。
這裡最主要的是細長體自旋穩定。主動章動控制是通過慣性測量裝置測出章動角，然後由垂直於自旋軸的兩個推力為22.7N的推進器來抑制章動角的增長。推力大小和控制死區選擇要適當。例如當選擇推力過大和死區過小，將出現章動角過大的變化。
三軸穩定
探測器三軸姿態穩定共有六種制導模式和兩種控制結構模式。六種制72導模式是：地球指向、月球指向、星指向、慣性指向、星跟蹤和末端制導(進入近地小行星軌道)。兩種控制結構形式為：三軸噴氣和三軸零動量反作用輪。所有六種制導模式的控制系統輸入量隨著模式不同而改變，但是輸出量都是系列化，這些系列化輸出量被送到噴氣推進器或者反作用飛輪。
地球指向模式主要使探測器姿態指向地心或者所選定地面站，從而提高探測器天線增益。這種控制模式也可轉換為月球指向。星指向模式是由敏感器測出星圖，然後與存貯在計算機中的星曆表進行辯識和對比，找出所要指向的星球並以它作姿態基準，然後進行星指向姿態控制。
其它制導控制模式，例如星跟蹤、末端制導都是根據有效載荷敏感器要求，提供姿態基準，例如星光、地球、月球、近地小行星，然後進行姿態控制。
