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克莱门汀号

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克莱门汀号
克莱门汀号
所属组织BMDO／NASA
主制造商美国海军研究实验室
任务类型行星科学
环绕对象月球
绕轨圈数360
发射时间1994年1月25日，16:34:00（UTC）
发射手段泰坦23G运载火箭
任务时长115日，1994年7月讯号过于微弱而中止
COSPAR ID1994-004A
SATCAT no.22973在维基数据编辑
官方网站NASA NSSDC Master Catalog
质量227公斤
轨道参数
半长轴5,116.0公里
离心率0.36
倾角90°
远拱点4,594公里
近拱点2,162公里
周期300分钟
携带仪器
带电粒子望远镜（CPT）
紫外/可见光摄影机（UV/VIS）
近红外线摄影机（NIR）
光达（LIDAR）
高分辨率摄影机（HIRES）

克莱门汀号（Clementine，正式名称是Deep Space Program Science Experiment, DSPSE, 意为外太空计划科学实验，也译为克莱芒蒂娜号）是由弹道导弹防御组织（原星战计划）和NASA共同执行的月球任务。该探测器发射于1994年1月25日。该任务的目的是要测试长时间暴露在太空环境下科学仪器的感应器和卫星组件的状态，并且进行月球和近地小行星小行星1620的探测任务。但小行星的任务部分因为仪器损坏而未执行。

该计划的包含以可见光、紫外线和红外线进行月球表面探测、使用激光进行高程测量、重力和带电力子量测。这些观测是为了取得月球整个表面的多波段影像以了解月球表面矿物学、并取得60N至60S的高程资料、以及面对地球一面的重力资料。该卫星原本也有进行摄影并确定小行星1620的体积、形状、自转特性、表面状况和撞击坑数量统计任务。

克莱门汀号携带了七个仪器：紫外/可见光摄影机（UV/VIS）、近红外线摄影机（NIR）、长波红外线摄影机、高分辨率摄影机（HIRES）、两个追星仪摄影机、激光高度计、带电粒子望远镜（CPT）、S波段应答器做为通讯、追踪和重力实验。本探测器名称由来于一首歌"Oh My Darling, Clementine"，是因为本任务中探测器将“永远消失”。

探测器本体设计

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卫星本体是一个高1.88米，质径1.14米的八角柱，并有两个突出的太阳能板位于该卫星轴的两端。一个直径42英寸的高增益天线位于其中一端，另一端则是489 N推进器。感应器开口全位于和太阳能板夹角90度的其中一面，在飞行期间由一个护罩保护。

克莱门汀号使用的火箭推进剂是用于姿态控制的联氨液体单元推进剂；和在太空中使用的双推进四氧化二氮以及甲基联氨。双推进系统最大可产生1,900 m/s速度，而入轨速度需要550 m/s，脱离月球重力则是540 m/s。

姿态控制是使用12个小型的姿态控制喷嘴、两个追星仪摄影机、两个内部量测单元。探测器在月球轨道维持三维稳定是使用精确度达到0.05度的反应轮（理论上可达0.03度）。电力来源则是装在万向架上的电量可达15 A·h单轴GaAs/Ge太阳能板，以及47 W·h/kg的镍氢电池。

探测器资料处理是以MIL-STD-1750A电脑（1.7 MIPS）进行安全模式、姿态控制和系统管理之用，并有一个32位元的RISC微处理器（18 MIPS）进行影像处理和自动控制，影像压缩系统则由法国国家太空研究中心提供（CNES）。资料处理单元可处理所有摄影机、影像压缩系统和资料流。资料储存于一个2 Gbit的动态固体记忆体。

任务

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克莱门汀号发射

1994年1月25日，克莱门汀号在美国加州范登堡空军基地第四（西）发射场以Titan II发射。在两次飞掠地球后，克莱门汀号在大约一个月后进入绕月球轨道。并在入轨后约两个月后开始以两阶段进行月球表面测绘。第一阶段包含一个周期五小时的椭圆型极轨道；其近拱点在大约月球南纬30度上空，高度约400公里，远拱点高度则约8300公里。每个轨道包含近拱点附近的80分钟测绘和远拱点附近139分钟的资料传输。

在一个月的测绘后，轨道转换为近拱点在北纬30度上空进行一个月测绘。使该任务可进行月球全球测绘和量测月球从北纬60度到南纬60度的高程测量，总共绕行300个轨道。

在经过一次地月转移轨道和两次飞掠地球后，克莱门汀号原预定以三个月时间前往小行星1620，并到达该小行星最近距离100公里以内。但可惜的是，1994年5月7日第一次的地球转移轨道后，一个元件的损坏造成一个姿态控制喷嘴燃烧了11分钟，将燃料用尽并使探测器转速达到80 rpm。在该状况下将无法有效到达小行星，因此将探测器改进入地心轨道并通过范艾伦辐射带以测试仪器。

1994年6月时因为电力供应降到足以远端控制探测器的临界点以下后，任务结束。

NASA于1998年3月5日公布了克莱门汀号的探测资料，并表示在月球极区撞击坑内的水冰足以让未来月球殖民地和太空船燃料补给使用。但该研究成果也引起质疑（参见以下双基雷达实验）。

画家笔下克莱门汀号进入部署

科学仪器

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带电粒子望远镜

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带电粒子望远镜（Charged Particle Telescope, CPT）是用来量测带电荷的质子（3-80 MeV）与电子（25-500 KeV）流量和能量。该仪器的调查目的有：（1）研究地球磁层尾和行星际震波以及月球的交互作用（2）监视距离其他探测器远处的太阳风，这是一个多任务协调研究的一部分（3）量测入射粒子对探测器太阳电池和其他感应器操作的影响。

为了满足仪器质量小于1公斤的限制，该仪器是一个单一元件的望远镜。其侦测器观测角度是10度半场角，表面积100 mm²的硅晶表面势垒型，厚度是3 mm，并且被屏蔽以防止能量低于30 MeV的质子经过光圈以外区域进入。光圈被一个极薄的铝箔覆盖以预防光线撞击探测器产生噪声。来自探测器的讯息会被分到九个频道；其中六个低能量频道探测电子，三个高能量频道探测质子和其他重粒子。

紫外/可见光摄影机

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紫外/可见光摄影机（Ultraviolet/Visible）的设计是用紫外线和可见光的五个波段拍摄月球和小行星1620的表面，但小行星探测因为元件故障而取消。该摄影机可拍摄月球表面岩石和矿物资料，以及月球表面地形和撞击坑数量统计。大多数影像是以低日光角度拍摄，对岩石的研究相当有用，但无法观测其形态。

该摄影机的感应器包含一个口径46 mm的折反射望远镜和熔炼石英透镜，其焦距是在被保护的汤普森CCD相机上，波长范围是250-1000 nm，并有6个位置的滤色盘。所反应波长范围的短端受限于光的传输和透镜的眩光现象，而波长范围的长端则是CCD的性能。该CCD是帧传输装置，可允许三个增益状态（150、350和1000电子/位元bit）。曝光时间范围在1-40 ms，取决于增益状态、太阳光的照明角度和滤镜。滤镜的中央波长（和半峰全宽，FWHM）分别是415 nm（40 nm）、750 nm（10 nm）、900 nm（30 nm）、950 nm（30 nm）、1000 nm（30 nm）和一个范围在400-950 nm的宽波段滤镜。摄影机视野是4.2×5.6度，转换后影像在探测器高度400公里时宽度约40公里范围。影像大小是288×384像素。在月球轨道进行单一映射时其像素分辨率在100-325米之间变化。在小行星1620的探测时，探测器高度最低的100公里时，影像分辨率大约是25米，影像范围是7×10 公里。该摄影机在五小时的轨道中其中会在80分钟的测绘其间拍摄125张影像，每1.3秒拍摄一张。在两个月中的月球表面测绘任务将月球整个表面完整拍摄，其动态范围是15,000。影像信噪比取决于表面反照率和相位角，在25-87之间变化，并有1%的相对校准和15%的绝对校准。

近红外线CCD摄影机

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克莱门汀号上的近红外线CCD摄影机设计是以近红外线范围内六个不同波长拍摄月球和小行星1620表面。该系统可取得月球表面岩石的组成资讯。而小行星1620的探测因为探测船元件损坏取消。

近红外摄影机包含一个折反射望远镜的镜头，焦距位在人工冷却的（冷却至70 K）Amber锑化铟CCD，其焦平面阵列是带通式的，大小1100–2800 nm，并有6个位置的滤色盘。滤镜的中央波长（和半峰全宽，FWHM）分别是1100 nm（60 nm）、1250 nm（60 nm）、1500 nm（60 nm）、2000 nm（60 nm）、2600 nm（60 nm）和2780 nm（120 nm）。镜头口径是29 mm，焦距是96 mm。视野是5.6×5.6度，转换后影像在探测器高度400公里时宽度约40公里范围。在两个月中的月球表面测绘任务将月球整个表面完整拍摄，影像大小是256×256像素，在月球轨道进行单一映射时其像素分辨率在150–500米之间变化。探测小行星1620时，像素分辨率在高度最低时约40米，影像大小是10×10 公里。该摄影机在五小时的轨道中其中会在80分钟的测绘其间拍摄75张影像，每1.3秒拍摄一张。其动态范围是15,000。影像信噪比取决于表面反照率和相位角，在11-97之间变化，并有1%的相对校准和15%的绝对校准。影像增益在0.5X-36X之间变化。

光达系统

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透过光学雷达（LIDAR）量测的月球表面地形图

克莱门汀号上的光达（Laser Image Detection And Ranging, LIDAR）是用来量测月球表面某一点和探测船的距离。这可用来进行月球表面地形图绘制，可借此知道大撞击盆地等地质特征的型态，以研究月球岩石圈岩石的张应力和压应力状态，以及结合重力场得知月球表面的密度分布。该装置也可量测小行星1620的表面状态，但任务取消。

该光达系统使用能量180 mJ，波长1064 nm的钕-钇铝石榴石激光（Nd-YAG）发送激光脉冲到月球表面。每次脉冲的间隔少于10 ns。在波长1064 nm时的激光脉冲能量是171 mJ，其散射角少于500 μrad。波长532 nm时的能量是9 mJ，散射角少于4 mrad。反射的激光脉冲会经由高分辨率摄影的望远镜，并且会被彩色滤光片分离后进入硅雪崩光电二极管（SiAPD）。该侦测器是一个单一的0.5×0.5 mm SiAPD接收器，视野是0.057平方度。该激光仪的重量是1250公克，接收器则位于一个重1120公克的高分辨率摄影机内。从脉冲的传输时间可知道表面高程。光达内的记忆体可以储存六个激光脉冲返回的侦测资料，并且有一个门槛值设定以修正遗漏的侦测和错误讯息。传回的资讯可以存在长度39.972米的范围，相当于分辨率14位元的时钟计数器。光达的标称范围是500公里，高度标称范围是640公里，可覆盖月球北纬60度到南纬60度的范围。垂直的分辨率是40米，水平点分辨率是100米。在赤道上的量测距离可达到40公里。在每个轨道上会每秒量测一次，总共量测45分钟。而每个轨道距离1-2公里。

高分辨率摄影机（HIRES）

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克莱门汀号上的高分辨率摄影机包含一个影像增强仪和一个帧传输CCD成像器。成像系统的设计是用来研究月球和小行星1620上的特定区域，虽然小行星任务因为元件故障取消。该仪器让研究者可研究月球表面地质过程的细节，并且高解析影像和光谱资料结合可以研究月球表面成分和地质。

成像器是一个强化的汤普森CCD，并有6个位置的滤色盘。其滤镜包含一个400-800 nm的宽波段滤镜和四个窄波段滤镜；窄波段滤镜的中央波长（和半峰全宽，FWHM）分别是415 nm（40 nm）、560 nm（10 nm）、650 nm（10 nm）和750 nm（20 nm）；和一个不透明滤镜以保护影像增强器。视野是0.3 x 0.4度，转换后影像在探测器标称高度400公里时宽度约2公里。影像大小是288×384像素（像素大小23×23 μm），所以其像素分辨率依探测器高度在7–20米之间变化（距离小行星1620最低时分辨率可小于5米）。其透光口径131 mm，焦距1250 mm。其标称成像速率是每秒拍摄10张影像，并且涵盖所有滤镜。该仪器的高分辨率和窄视野使其只能拍摄指定区域，无论是长而窄的单色长条影像或短距离四色影像。影像信噪比取决于表面反照率和相位角，在13-41之间变化，并有1%的相对校准和20%的绝对校准。其动态范围是2,000。

该仪器的望远镜是和光达共用的。波长1064 nm的激光光会被彩色滤光片分离后由光达的感应器（硅雪崩光电二极管）接收。

HIRES拍摄的影像可在程式NASA World Wind取得。

月球四个象限的正射投影图
正面 后随面 背面 前导面
0° 90° 180° 270°
PIA00302 PIA00303 PIA00304 PIA00305
月球极区图（正射投影，极点为中心）
北极 南极
PIA00002 PIA00001

双基雷达实验装置

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任务进行期间的双基雷达实验是为了找寻在月球两极内水的证据。克莱门汀号将电波讯号直接发射至月球的南北极，并且其反射波由深空网络在地球上的雷达接收。分析反射波的强度和极化以后，认为有水冰混合在月球表面土壤中存在。因此认为月球南北极的水含量相当于一个大湖。但之后使用阿雷西博天文台的研究发现，在非永久阴影（挥发性物质无法稳定存在）的区域也发现了类似的反射模式，因此克莱门汀号的结果可能是误判，实际上可能是表面崎岖造成的结果[1][2][3]。

参见

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参考资料

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  1. ^ Clementine Bistatic Radar Experiment （页面存档备份，存于互联网档案馆）, NASA
  2. ^ Ice on the Moon （页面存档备份，存于互联网档案馆）, NASA
  3. ^ Ice on the Bone Dry Moon （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Paul D. Spudis, December 1996

外部链接

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