Instrument study of the Lunar Dust eXplorer (LDX) for a lunar lander mission

Abstract

One of the highest-priority issues for a future human or robotic lunar exploration is the fine lunar dust created by meteoroid bombardment on the lunar surface with an average speed of 17 km/s. This problem should be studied in depth in order to develop an environment model for future lunar explorations. The proposed ESA lunar lander mission requires the measurement of dust transport phenomena above the lunar surface. In response to the mission requirements, an instrument design concept was developed, simulated, manufactured and tested at the Heidelberg dust accelerator facility. In contrast to former detectors, the sensor is capable to measure charged particles in a broader speed window, ranging from as low as meter per second to several kilometers per second. Furthermore, the new instrument approach is optimized for the instrument requirements of the lunar lander concept investigated by ESA. The Lunar Dust eXplorer (LDX) has a low mass of 1.2 kg and consumes a power of 1.1 W (digital electronics). The sensitive area of LDX is approximately 400 cm2. It measures the charge, speed and trajectory of individual dust particles. Meanwhile, LDX has an impact ionization target to monitor the mass of interplanetary dust and high speed ejecta. In the beginning of this study, the charge induction signals of the detector were simulated using the COULOMB software package in order to constrain the sensor accuracies. Simulations reveal trajectory uncertainties of better than 2° with an absolute position accuracy of better than 2 mm. Following simulations, a laboratory model of the LDX sensor was designed, manufactured and tested using the 2 MV Van-de-Graaff accelerator located at the Max-Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg. This accelerator is a world wide unique facility to simulate hyper-velocity impacts of micron and sub-micron particles. It is currently operated by the Institute of Space System of the University of Stuttgart (IRS, Stuttgart). The experimental results additionally reveal particle primary charge uncertainties of better than ±5% and particle speed uncertainties of better than ±7%. What are the dust populations a sensor like LDX can detect on the lunar surface? How large is the contribution by secondary ejecta falling back to the surface and what is their angular distribution and speed range? To answer these questions, Autodyn 14.0/2D software was used to simulate hyper-velocity impacts of micrometeoroids bombarding the lunar surface. The initial projectiles were selected as 10 mm spheres in diameter with an average speed of 17 km/s. Furthermore, we used impact angles of 15°, 30°, 45°, 60°, 75° and 90°. In the early stage of the impact process, the projectile is coupling its energy and momentum to the target. A part of the ejecta grains created during this early stage can be captured by a sensor located on the lunar surface like e.g. the Lunar Ejecta and Meteorites (LEAM) experiment or mounted on a lander (e.g. LDX). The simulations show, that most of the detectable ejecta have low speeds (< 100 m/s1), and there are also a few grains with high speeds (> 1 km/s). The observation geometry of the sensor was investigated. Here we discuss a trade-off between a lander-mounted sensor and a surface located system. Although the LEAM data are not fully understood until today, our recent re-analysis of the data consider impact ejecta as one of the most likely sources to explain the observed event rates. Meanwhile, our studies show that a sensor mounted on the lander instead of standing on the lunar surface has more chances to measure the high-speed component of the ejecta population. The newly developed LDX sensor system is a powerful tool to study the lunar dust environment. In addition to lunar landers, smaller rover systems are also very interesting in future missions. A dust detector onboard a lunar rover would have several advantages: the measurements by the sensor can be taken at different regions of the lunar surface. Furthermore, the sensor will monitor the interaction of the rover with the lunar dust environment (plasma, electric fields, and dust). On the other hand, there are also disadvantages. The instruments onboard a rover have to maintain severe mass and data volume restrictions. Therefore we developed two further simplified designs with a lower number of electrodes and an even lower instrument mass with respect to the original LDX design. The fundamental difference between the two versions is their housing geometries. One design uses a cylindrical housing (LDX-c), and the second design has a square cross section (LDX-s). The measurement accuracies of these two detector designs are similar to LDX, but the trajectory accuracy decreases slightly by up to 2 degrees. Nevertheless, such an instrument promises, for the first time, reliable data for the properties of the lunar dust environment.

Eine der höchsten wissenschaftlichen Prioritäten für eine zukünftige bemannte oder robotische Erforschung des Mondes stellt der Mondstaub dar. Einschläge von Meteoroidenauf der Oberfläche mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 17 km/s bestimmendie Eigenschaften der Mondoberfläche. Die Einschlagsprozesse sind deshalb wesentlicher Bestandteil des Umgebungsmodells des Mondes. Die aktuellen Modelle zur Beschreibung der Dynamik des Mondstaubs sind unvollständig und ungenau und decken sich nicht mit den Beobachtungen. Deshalb sind exakte Messungen dicht über der Mondoberfläche mit zuverlässigen Staubsensoren notwendig. Die zukünftigen Mondlander-Missionen berücksichtigen die Messung der Staubtransportphänomene an der Mondoberfläche. In dieser Arbeit wird ein Designkonzept für ein Staubinstrument beschrieben, um langsame und schnelle geladene feine Regolithpartikel zu charakterisieren. Die Messmethode des Sensors basiert auf dem Prinzip der Ladungsinduktion. Das entwickelte Experiment Lunar Dust eXplorer (LDX) hat eine geringe Masse von 1.2 kg, eine elektrische Leistung von 1.1 W (digitale Elektronik), eine empfindliche Fläche von 400 cm2 und bestimmt den Geschwindigkeitsvektor der Trajektorien von einzelnen Staubpartikeln. Die Empfindlichkeit des Sensors erlaubt die Messung von Partikelgröb en von unter einem Mikrometer. Darüber hinaus hat LDX ein separates Einschlagstarget, um den interplanetaren Staubhintergrund zu überwachen. Der LDX Sensor ist aus drei Ebenen aufgebaut, die segmentierte Gitterelektroden enthalten. Alle Signale der Gitterelektroden werden ladungsempfindlich verstärkt und digitalisiert. Aus dem Vergleich der einzelnen Induktionssignale lässt sich die Partikeltrajektorie berechnen. Labordaten wurden mit numerischen Simulationen verglichen. Die durchgeführten Simulationen und Experimente zeigen, dass mit dem vorgestellten Sensorsystem die Trajektorien mit Unsicherheiten von unter 2° und die absoluten Positionsgenauigkeiten der Partikel mit eine Genauigkeit von weniger als 2 mm bestimmt werden können. Der LDX sensor wurde entworfen, gefertigt und am 2 MV Van-de-Graaff Beschleuniger des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg erfolgreich getestet. Diese Beschleunigeranlage ist weltweit einzigartig und erlaubt die Simulation von Hochgeschwindigkeits-Einschlagsprozessen von Mikropartikeln. Er wird vom Institut für Raumfahrtsystem (IRS) der Universität Stuttgart betrieben. Die experimentellen Ergebnisse zeigen Genauigkeiten von besser als ±5% bei der Bestimmung der Partikelprimärladung und von besser als ±7% bei der Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit. Welche Staubpopulationen kann LDX auf der Mondoberfläche untersuchen? Wie groß ist der Anteil der zurückfallenden Ejektapartikel auf die Oberfläche und was ist ihre Winkel und Geschwindigkeitsverteilung? Autodyn 14.0/2D-Software wurde verwendet, um den Einschlag von Mikrometeoriten auf der Mondoberfläche zu simulieren. Die Projektile wurden als Kugeln mit einem Durchmesser von 10 mm und mit einer Geschwindigkeit von 17 km/s angenommen. Die verwendeten Einschlagswinkel hatten Werte von 15°, 30°, 45°, 60°, 75° und 90°. In der sogenannten Frühphase des Einschlagsprozesses koppelt das Projektil noch Energie und Impuls in das Target ein. Ein Teil dieser Ejekta aus der Frühphase können dann von einem Sensor, der auf der Mondoberfläche platziert wird, erfasst werden (wie z.B. dem Lunar Ejecta and Meteorites (LEAM) experiment). Alternativ lässt sich der Sensor an einem Mondlander anbringen (LDX). Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass die meisten Partikel der nachweisbaren Auswurfmasse sehr kleine Geschwindigkeiten (<100 m/s) hat. Es gibt nur wenige schnelle Ejekta mit Geschwindigketen von mehr als 1 km/s. Vergleicht man die Simulationsergebnisse mit der neuesten Interpretation der LEAM Daten, so können die Ejekta als Ursache für die Apolloergebnisse herangezogen werden. Untersucht man die Beobachtungsgeometrien für die Oberflächenejekta, so muss ein Sensor, der an einem Lander in gewisser Höhe befestigt ist, gegenüber einem System direkt auf der Mondoberfläche, für die Messung von Ejekta mit hohen Geschwindigkeiten bevorzugt werden. Ein neu entwickeltes Instrument wie LDX ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um den Mondstaub-Umgebung zu studieren. Zukünftige Mondmissionen basieren nicht nur auf Landestrukturen, sie setzen auch vermehrt auf mobile kleine Rover. Ein Staubdetektor an Bord eines Mondfahrzeugs hätte einige Vorteile. Man kann in verschiedenen Regionen der Oberfläche Messungen durchführen. Der Sensor kann die Wechselwirkung des Rovers mit dem Plasma, den elektrischen Feldern und dem Staub studieren. Aber es gibt auch wesentliche Nachteile. Die Instrumente an Bord eines Rovers müssen kleinere Massen haben und dürfen keine großen Datenmengen produzieren. In dieser Arbeit wurden daher auch zwei vereinfachte Entwürfe für einen Rover-Staubsensor entwickelt. Diese Systeme haben eine geringere Anzahl von Elektroden und eine kleinere Masse als der ursprüngliche LDX Sensor. Ein Design basiert auf einer runden Baumform des Gehäuses (LDX-c), das zweite Design nutzt einen quadratischen Sensorquerschnitt (LDX-s). Die Messgenauigkeit der beiden Detektorkonstruktionen ist ähnlich zu LDX, jedoch verringert sich die Genauigkeit der Flugbahnbestimmung um bis zu 2 Grad. Im Vergleich zu den bisherigen Ergebnissen der Apollomissionen, erlaubt das hier entwickelt Sensorkonzept wesentlich zuverlässigere und genauere Messungen, um insbesondere die möglichen Gefahren bei der zukünftigen Mondexploration einzuschätzen.