RUSENG

Состоявшийся пуск

КА Eutelsat 9B ("ЮтелСат-9Б")
РБ "Бриз-М"
РН "Протон-М"

Российский нейтронный детектор ЛЕНД для проекта космического орбитального аппарата НАСА «Лунный разведывательный орбитер»

Задачи Проекта

 

Целью ОКР является разработка и изготовление научной аппаратуры для российского прибора «Лунный нейтронный детектор», /от англ. Lunar Exploration Neutron Detector, ЛЕНД/ включенного в состав полезной научной нагрузки лунного орбитального аппарата NASA «Lunar reconnaissance orbiter» (далее - ЛРО), запуск которого запланирован на 2008 г. (пресс-релиз НАСА № 04-407 от 22 декабря 2004 г.) 

 

В основе проекта ЛЕНД лежит научный, технический и технологический задел проекта российского прибора ХЕНД успешно работающего на борту КА НАСА «2001 Марс Одиссей». Эксперименты ЛЕНД и ХЕНД имеют общую методологию – исследование методами ядерной планетологии состава грунта небесного тела и поиск воды на нем с борта космического аппарата.

 

Основные задачи, стоящие перед инструментом ЛЕНД – поиск водорода и водных ресурсов на Луне, а также измерение радиационного фона для подготовки пилотируемых экспедиций. Целью эксперимента является достижение 5 км пространственного разрешения в полярных районах Луны во время построения карт концентрации водорода, при возможности отличить места, где концентрация  достигает 10-4 по массе, от мест, где концентрация водорода находится на «фоновом» уровне 5*10-5.

 

Работа прибора ЛЕНД позволит решить следующие задачи:

  • Измерение радиационной обстановки на орбите вокруг Луны, включая вклад потока альбедных нейтронов с энергиями до 10 МэВ.
  • Создание карты распределения водорода с чувствительностью 10-4 по массе с горизонтальным разрешением 5 км.
  • Изучение распределения по поверхности и колоночной плотности возможных отложений ледяного льда на поверхности в холодных ловушках, расположенных на полюсах Луны.

 

Назначение

 

Назначение прибора ЛЕНД состоит в обеспечении физических измерений потоков нейтронов высоких энергий и гамма квантов во время перелета и на орбите вокруг Луны с высоким пространственным разрешением методом коллимации альбедных нейтронов с использованием коллиматора на основе соединений бора, обогащенного изотопом 10В и полиэтилена.

 

Принцип работы

 

В основе инструмента ЛЕНД лежит принцип регистрации вторичных нейтронов от Луны, которые рождаются в 1 – 2 метровом приповерхностном слое облучаемого космическими лучами грунта. Родившиеся в грунте нейтроны высоких энергий замедляются и поглощаются ядрами основных породообразующих элементов. Выходящий из грунта поток нейтронов имеем две компоненты: тепловые нейтроны и эпитепловые, быстрые нейтроны. Поток нейтронов сопровождается потоком гамма излучения от ядер, возбужденных быстрыми нейтронами. Энергетический спектр вторичных нейтронов зависит от состава грунта, но больше всего от содержания водорода.

 

На рис. 1 и 2 приведены результаты численного моделирования вариаций нейтронных потоков от поверхности Луны в зависимости от состава грунта и условий на поверхности. На рис.1 показано  ожидаемое уменьшение темпа счета эпитепловых нейтронов на высоте 50 км над Луной в пропорциональном счетчике диаметром 5 см и с давлением 20 атмосфер. Отложения водяного льда на поверхности также уменьшают поток эпитепловых нейтронов. На Рис. 2 представлена зависимость темпа счета  эпитепловых нейтронов над лунной поверхностью покрытой слоем водяного льда различной толщины. Согласно численному моделированию инструмент ЛЕНД позволит зарегистрировать отложение водяного льда на поверхности толщиной в несколько миллиметров.

 

Увеличить

Увеличить

Рис. 1. Уменьшение темпа счета эпитепловых нейтронов пропорциональным счетчиком на высоте 50 км над Луной в зависимости от концентрации водорода в грунте (1 ppm = 10-6). Представлены кривые для различных моделей химического состава грунта.

Рис. 2. Зависимость темпа счета эпитепловых нейтронов пропорциональным счетчиком на высоте 50 км над Луной в зависимости от толщины отложений водяного льда.

    

Конструкция прибора и размещение на борту

 

Инструмент будет состоять из девяти детекторов для измерения потоков тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов (Рис. 4). Четыре коллимированных детектора эпитепловых нейтронов CSETN1 – CSETN4 имеют максимальную чувствительность и минимальное поле зрения (FOV). Эти детекторы основаны на больших пропорциональных счетчиках, наполненных 3He и защищенных кадмиевым экраном со стороны открытого поля зрения. Коллиматоры поглощают эпитепловые нейтроны, приходящие не из поля зрения. Методика коллимирования позволяет произвести картографирование потока эпитепловых нейтронов с поверхности Луны с разрешением 5 км с высоты орбиты КА 50 км

 

На верхней стороне коллиматора расположены три детектора тепловых нейтронов STN1 – STN3 и один детектор эпитепловых нейтронов SETN. Эти четыре детектора включают одинаковые пропорциональные счетчики и все отличие SETN от остальных заключается в наличие кадмиевой оболочки вокруг счетчика. Детекторы STN1 и STN3 объединены в так называемый «Доплеровский фильтр». Детекторы STN2 и SETN измеряют локальное поле тепловых и эпитепловых нейтронов вокруг КА.

 

Увеличить

Технический эскиз прибора ЛЕНД

без ЭВТИ. Вариант на сентябрь 2005г

Детектор SHEN расположен во внутреннем пространстве между коллиматорами и измеряет поток нейтронов в диапазоне энергий от 300 кэВ до 15 МэВ. Этот детектор содержит сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена, окруженный пластиковым сцинтиллятором для защиты его от заряженных частиц космических лучей.

 

Основные характеристики прибора ЛЕНД

 

Размеры

37.2 x 34.4 x 32.7 см

Масса

23.2 кг

Рабочий диапазон температур

от -20° до + 50°

Потребляемая мощность

13 Вт

Объем телеметрии

3 Мб в день

Количество импульсных команд

4

Количество цифровых команд

20

 

Увеличить

Предварительная концепция КА НАСА

 «Lunar reconnaissance orbiter» и

размещение прибора ЛЕНД.

ЛЕНД имеет простое крепление с четырьмя посадочными местами. Он будет связан специальным контролируемым тепловым интерфейсом с КА, хорошо изолирован от научной палубы и будет изолирован слоем ЭВТИ от открытого космического пространства. За сохранение рабочей температуры инструмента от –20oC до + 50oC будут отвечать системы корабля. Электрические интерфейсы, интерфейсы данных и команд разработаны в соответствии с требованиями проекта.

 

Порядок работ по проекту. Разработчики и Соисполнители

 

Заказчик -  Федеральное космическое агентство.

 

Головной исполнитель – Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН).

 

Руководитель проекта  – д. ф.-м.н. И.Г. Митрофанов (imitrofa@space.ru).

  

Работы по теме МСП-2001  ведутся на основании гос. контракта № 025-5452/04 от 27.02.2004 г. (тема ОКР МСП-2001) и включены в ФКП 2006 -2016гг.

 

Работы по проекту ЛЕНД запланированы  на период с 2004 по 2008 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента)  и 2009 – 2010 гг. (управление и обработка полученных данных). Официальное время запуска КА запланировано на 2008 год.

 

Кооперация по проекту и роли участников

 

ФГУП Научно – исследовательский институт атомных реакторов (г. Димитровград-10, Ульяновская обл.)

Создание коллиматора на основе карбида бора с обогащением по изотопу 10В

Институт Машиноведения РАН им. А.А. Благонравова  (г. Москва)

Создание математической модели механической конструкции прибора; участие в создании испытательной базы для прибора ЛЕНД в соответствии с требованиями НАСА; в подготовке методик проведения механических испытаний образцов и оспровождение испытаний образцов прибора.

Объединенный Институт Ядерных Исследований (г. Дубна, Московская обл.)

Математическое моделирование счетных характеристик прибора ЛЕНД; участие  в разработке физической схемы прибора ЛЕНД, подготовка и проведение калибровок образцов прибора на естественных и искусственных источниках нейтронов и на модельном стенде

Государственный Астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ (г. Москва)

Моделирование геологической обстановки на поверхности Луны для оптимизации конструкции ЛЕНД и обработки научных данных; создание базы данных по грунтам и районам Луны для обработки научных данных

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе  (г. Санкт-Петербург):

Анализ  условий образования нейтронного альбедо Луны и зависимость его спектра от температуры для обработки научных данных

ФГУП Научно-инженерный центр "Специализированный научно-исследовательский институт приборостроения  (г. Москва)

Разработка схемных решений по электронике в части сцинтилляционного тракта регистрации быстрых нейтронов.

Центр космических полетов им. Годдарда НАСА (GSFC, USA)

Испытания инструмента в составе КА, обработка данных совместно с данными других экспериментов

Университет Аризоны (UofA, USA)

Управление прибором в полете и подготовка данных

Университет Мериленда (UMD, USA)

Исследование физики процессов ядерных реакций в приповерхностном слое грунта в присутствии  водорода

Католический университет (CU, USA)

Подготовка данных, моделирование водяного льда в приповерхностном слое грунта Луны.

 

Состояние разработки

  • В ИКИ РАН создается экспериментальный стенд для отработок методик эксперимента ЛЕНД и калибровок образцов приборов и универсальное рабочее место для отработки электроники прибора ЛЕНД и создания КИА.
  • В ОИЯИ на макетном стенде проведены экспериментальное  физическое моделирование эксперимента с использованием 2-мерных коллиматоров, проводятся работы по математическому моделированию физических характеристик коллиматоров прибора.
  • ИКИ РАН совместно с ОИЯИ  создает стенд для моделирования неоднородного потока нейтронов от Луны для верификации коллимационных свойств макета прибора и отработок с технологическим и летными образцами.
  • В ИКИ РАН проводится математическое моделирование  коллиматора прибора ЛЕНД для оптимизации конструкции прибора для удовлетворения весовых требований к прибору со стороны ЛРО,
  • 23-24 мая 2005г. в ИКИ РАН проведено рабочее совещание /Technical Interchange Meeting/ с участием технических специалистов Годдардовского центра космических полетов НАСА по утверждению технических требований и согласованию электрических, механических и тепловых интерфейсов прибора ЛЕНД с системами космического аппарата ЛРО.
  • 21-23 сентября 2005 г. успешно проведена предварительная защита эскизного проекта /Preliminary Design Review/ с участием технических экспертов НАСА, специалистов со стороны проекта ЛРО, представителей администрации НАСА и американских соисполнителей по проекту ЛЕНД - Университета Аризоны и Мерилендского университета