O Programa Surveyor de exploração lunar



Surveyor

O programa lunar não tripulado Surveyor foi inicialmente elaborado pela NASA como sendo um programa de exploração orbital e de alunagens suaves do nosso satélite natural, sendo posteriormente redefinido como um programa de alunagens suaves. Os planos iniciais previam o lançamento de dez sondas, mas no final somente sete veículos foram lançados. Os objectivos passaram para a obtenção de dados de engenharia em vez de uma exploração científica da Lua.

Ao contrário do que aconteceu com as primeiras sondas soviéticas Luna, os Surveyor eram veículos que levavam a cabo verdadeiras alunagens suaves auxiliados por um motor de descida.

A estrutura básica das sondas Surveyor consistia num tripé de finas tubagens de alumínio e cintas de conexão que proporcionavam superfícies de montagem e pontos de fixação para os sistemas de fornecimento de energia, comunicações, propulsão, controlo e carga. Um mastro central prolongava-se a cerca de um metro acima do vértice do tripé. Três suportes mecânicos rotativos estavam ligados aos cantos inferiores da estrutura. Os suportes possuíam sistemas de absorção de impacto, blocos de alumínio em forma de favos de colmeia deformáveis, e o mecanismo de abertura, terminando em sapatas com fundos deformáveis. Os três suportes estendiam-se a 4,3 metros do centro do veículo que tinha uma altura de cerca de 3,0 metros. Os suportes de descida eram amovíveis para poderem caber no interior da carenagem de protecção do foguetão lançador.

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Um painel solar de 0,855 m2 com 792 células solares encontrava-se montado no topo do mastro central e era capaz de gerar até 85 W de energia que era armazenada em baterias recarregáveis de prata – zinco. As comunicações eram levadas a cabo através de uma antena de alto ganho móvel colocada perto do topo do mastro central para transmitir imagens de televisão, duas antenas omnidireccionais cónicas colocadas nas extremidades de mastros desdobráveis Surveyor 02para transmissão e recepção de sinais, dois receptores e dois transmissores. O controlo térmico da sonda era possível através de uma combinação de tinta branca, terminações térmicas de emitância infravermelha e uma superfície inferior polida. Dois compartimentos termicamente controlados, equipados com cobertores super-isolantes, caminhos de condução de calor, interruptores térmicos, e pequenos aquecedores eléctricos, estavam colocados na estrutura das sondas. Um compartimento cuja temperatura variava entre os 5ºC e os 50ºC, albergava os sistemas electrónicos de fornecimento de energia e de comunicações, enquanto que outro compartimento, com temperaturas entre os -20ºC e os 50ºC, albergava os componentes dos sistemas de comando e de processamento de sinais. A câmara de observação de TV estava colocada perto do topo do tripé. Pela estrutura da sonda estavam espalhados sensores de força, sensores de temperatura e outros sensores para a obtenção de dados de engenharia. Alvos fotométricos estavam colocados perto da extremidade de um suporte de aterragem e um outro num curto mastro que se estendia da parte inferior da estrutura da sonda. Outros conjuntos de cargas, que variavam de missão para missão, estavam montados em várias partes da estrutura dependendo da sua função.

Os dados de atitude eram conseguidos através de um sensor solar, um sensor da estrela Canopus e giroscópios. A propulsão e o controlo de atitude eram levados a cabo através de motores de gás frio (azoto) durante a fase de viagem até à Lua, três motores vernier de força variável durante as fases propulsionadas, incluindo a descida, e o motor de propolente sólido de retro travagem durante a descida final. O retro motor era composto por um invólucro de aço colocado na zona central inferior do veículo. Os motores vernier consumiam MMH e MON-10 . Cada câmara de combustão podia produzir de 130 N a 460 N de força e cada motor podia ser orientado para controlo de rotação. O combustível estava armazenado em tanques esféricos montados na estrutura do tripé. Para a sequência de alunagem, um radar de marcação de altitude iniciava a ignição do retro motor principal para a travagem principal. Após o fim da ignição, o retro motor e o radar eram ejectados e eram activados os altímetros de doppler e de radar que forneciam informações ao computador de bordo que controlava o sistema de propulsão vernier até à descida na superfície lunar.

Para além de pretender aumentar o conhecimento científico sobre o nosso satélite natural, as sondas Surveyor tinham também como objectivo o desenvolvimento e a validação das tecnologias necessárias para a realização de alunagens suaves e o fornecimento de dados sobre a compatibilidade dos desenhos elaborados para o Programa Apollo com as condições encontradas na superfície lunar.

Os preparativos para o lançamento da primeira sonda do programa Surveyor levaram ao lançamento de vários modelos de engenharia. A primeira tentativa para lançar um destes modelos terminou com a destruição do foguetão lançador Atlas Centaur-D (AC-5) que transportava o modelo Surveyor SD-1. O lançamento teve lugar às 1325UTC do dia 2 de Março de 1965 a partir do Complexo de Lançamento LC-39A do Cabo Canaveral AFS. Devido a um erro de software, o sistema de alimentação de oxidante de um dos motores foi desligado fazendo com que o lançador caísse na plataforma de lançamento poucos segundos após a ignição.
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Uma segunda tentativa teve mais sucesso às 1431UTC do dia 11 de Agosto quando um foguetão Atlas Centaur-D (AC-6) lançado a partir do Complexo de Lançamento LC-39A do Cabo Canaveral AFS colocou em órbita o modelo Surveyor SD-2 (01503 1965-064A). Um novo modelo foi lançado às 0100:00UTC do dia 8 de Abril de 1966. O lançamento foi levado a cabo por um foguetão Atlas Centaur-D (AC-8) a partir do Complexo de Lançamento LC-39B do Cabo Canaveral AFS. O modelo Surveyor SD-3 (02139 1966-030A) serviu para a obtenção de dados sobre o ambiente de voo durante o lançamento. Acabou por reentrar na atmosfera terrestre a 2 de Maio, após 24 dias em órbita. Um quarto modelo Surveyor SD-4 (02512 1966-095A) seria lançado às 1112UTC do dia 26 de Outubro de 1966 por um foguetão Atlas Centaur-D (AC-9) a partir do Complexo de Lançamento LC-39B do Cabo Canaveral AFS. O Surveyor SD-4 reentraria na atmosfera terrestre a 6 de Novembro.

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Lançada às 1441:00,990UTC do dia 30 de Maio de 1966 por um foguetão Atlas Centaur-D (AC-10 Atlas-D n.º 290) a partir do Complexo de Lançamento LC-39A do Cabo Canaveral AFS, a Surveyor-1 (02185 1966-045A) alunou suavemente na superfície lunar às 0617:36UTC do dia 2 de Junho após um voo de 63 horas e 36 minutos. O seu local de descida encontrava-se na região Sudoeste do Oceano das Tempestades a 2º 27’ S – 43º 13’ O, a apenas 14 km do local previsto de descida.

Surveyor 04No lançamento a Surveyor-1 tinha uma massa de 95,2 kg, tendo uma massa de 294,3 kg na alunagem.

Para a missão da Surveyor-1 os seus principais objectivos eram a demonstração da capacidade destes veículos levarem a cabo com sucesso as correcções de trajectória necessárias para atingir a vizinhança lunar bem como a execução das manobras terminais para a alunagem, demonstrar a capacidade do sistema de comunicações das sondas e da rede Deep Space Network (DSN) manterem comunicações durante o voo e após a alunagem, e demonstrar a capacidade do foguetão lançador para injectar as sondas numa trajectória de intercepção lunar. Outros objectivos passavam pela obtenção de dados de engenharia sobre os subsistemas da sonda que seriam utilizados durante o voo para a Lua e durante as fases de descida e após a alunagem, além da obtenção de imagens de um dos sistemas de suporte na superfície lunar, do material da superfície nas imediações da sonda e imagens da topografia lunar. Pretendia-se também obter dados sobre a reflectividade dos sinais de radar, da física da superfície e das temperaturas na sonda.

Após ter sido colocada numa trajectória de impacto com a Lua, Surveyor-1 executou uma manobra de correcção às 0645UTC do dia 31 de Maio. Chegada à vizinhança da Lua, e a uma altitude de 75,3 km (viajando a 2.612 m/s), o retro motor entrou em funcionamento durante 40 segundos, sendo ejectado depois a uma altitude de cerca de 11 km tendo travado a sonda até aos 110 m/s. A descida continuou com o auxílio dos motores vernier controlados pelos altímetros de radares e de medição doppler. Os motores foram desactivados a uma altitude de 3,4 m da superfície e a sonda caiu livremente a partir daqui com a alunagem a ocorrer a uma velocidade de 3 m/s.

Logo após a alunagem a Surveyor-1 levou a cabo testes de engenharia nos seus sistemas e posteriormente enviou as suas primeiras imagens da superfície lunar para a Terra. As imagens mostravam que a sonda havia alunado numa cratera com 100 km de diâmetro que continha pedregulhos com mais de um metro de comprimento espalhados pela sua superfície. As fotografias também mostravam os picos de montanhas baixas no horizonte lunar. A Surveyor-1 transmitiu 10.338 até ao anoitecer do dia 14 de Junho, chegando a um total de 11.350 imagens ao longo de duas sessões de comunicações até 6 de Julho.

A missão primária da Surveyor-1 foi finalizada a 13 de Julho após uma baixa inesperada na voltagem da bateria logo após o põr-do-sol, mas a NASA manteve o contacto com a sonda lunar até 7 de Janeiro de 1967.

A Surveyor-1 constituiu um inegável sucesso no âmbito dos primeiros programas de exploração planetária e lunar, abrindo caminho para o lançamento de outras sondas no programa.

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Surveyor 05No entanto, e apesar de um começo promissor, o Programa Surveyor brevemente estaria perante o seu primeiro fracasso. A Surveyor-2 (02425 1966-084A) foi lançada às 1232UTC do dia 20 de Setembro por um foguetão Atlas Centaur-D (AC-7 Atlas-D n.º 194) a partir do Complexo de Lançamento LC-39A do Cabo Canaveral AFS. Semelhante à sua antecessora e com uma massa de 995,2 kg no lançamento, a Surveyor-2 tinha como objectivo executar uma alunagem suave na região de Sinus Medii, porém durante a viagem para a Lua, às 0500UTC do dia 21 de Setembro, um dos seus três motores de manobra sofreu uma avaria não entrando em ignição para uma manobra de correcção de trajectória de 9,8 segundos. Em resultado do diferencial de forças criado, a Surveyor-2 foi colocada numa rotação incontrolável.

Os controladores na Terra tentaram enviar comandos por 39 vezes para tentar fazer com que o motor de manobra entrasse em funcionamento, mas este não obedeceu. A Surveyor-2 dirigia-se assim para a Lua sem controlo e a 30 segundos da manobra de retrotravagem, às 0934UTC do dia 22 de Setembro, foram perdidas todas as comunicações. A Surveyor-2 acabaria por se despenhar na superfície lunar a Sudeste da cratera Copérnico num ponto localizado a 5º 30’ N – 12º 00’ O, às 0318UTC do dia 23 de Setembro com uma velocidade de cerca de 2,6 km/s.

Surveyor-3

A Surveyor-3 (02756 1967-035A) foi a segunda sonda do programa a conseguir uma alunagem suave na Lua. O seu lançamento teve lugar às 0705:01UTC do dia 17 de Abril de 1967 e foi levado a cabo por um foguetão Atlas Centaur-D (AC-12) a partir a partir do Complexo de Lançamento LC-39B do Cabo Canaveral AFS. Após a separação do estágio Centaur, este iniciou uma queima que teve uma duração de cerca de 5 minutos colocando a Surveyor-3 numa órbita circular a 167 km de altitude. Uma segunda queima do Centaur 22 minutos e 9 segundos mais tarde, injectou a sonda numa trajectória em direcção à Lua. Pelas 0559UTC do dia 18 de Abril foi levada a cabo uma correcção de trajectória que colocou a sonda na direcção ideal para a alunagem.

Às 0001:06UTC do dia 20 de Abril, a uma altitude de 76 km e viajando a uma velocidade de 2,63 km/s, os motores de retro travagem foram accionados a partir de um sinal enviado pelo radar de altitude, abrandando a sonda para uma velocidade de 137 m/s. Após a ejecção do motor, a descida continuou controlada pelos motores vernier e pelos radares doppler e altímetro.

Alguns segundos antes da alunagem os radares perderam o sinal da superfície aparentemente devido à reflexão de alta cintilação a partir do local de descida. O sistema de orientação mudou de forma automática para um modo controlado de forma inercial que impediu a desactivação dos motores vernier. A alunagem acabou por ocorrer três vezes devido ao facto de os motores vernier continuarem a funcionar durante as duas primeiras descidas levando a que a sonda levantasse da superfície. A distância entre o primeiro e o segundo local de alunagem foi de cerca de 20 metros e de 11 metros entre o segundo e o terceiro local de descida.

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Os motores foram desactivados 34 segundos após a alunagem inicial devido a um comando de desactivação enviado desde a Terra. A alunagem inicial ocorreu às 0004:17UTC e a final às 0004:53UTC a 20 de Abril. O ponto de alunagem Surveyor 07encontrava-se a 3,015 S – 336,582 E. Após a alunagem final a Surveyor-3 deslizou cerca de 0,3 metros, parando num plano inclinado a 14º no interior de uma cratera de 200 metros na zona Sudeste do Oceano das Tempestades a cerca de 370 km a Sul da cratera Copérnico.

As fotografias iniciais foram recebidas uma hora após a alunagem e o sistema de amostras do solo foi activados a 22 de Abril. A Surveyor-3 operou ao longo do dia lunar até depois do pôr-do-sol local a 3 de Maio. O sistema de amostras lunares foi operado durante um total de 18 horas e 22 minutos, escavando pequenas trincheiras com uma profundidade de 18 cem. A Câmara de televisão enviou 6.326 imagens. Um grande volume de novos dados sobre a força, textura e estrutura do material lunar foi transmitido pela sonda. Foram também registadas imagens de um eclipse do Sol pela Terra, bem como as medições térmicas relacionadas com este evento.

Surveyor 08As últimas informações foram transmitidas a 0004UTC do dia 4 de Maio. A Surveyor-3 não se reactivou após a noite lunar de duas semanas. O excesso de luminosidade em algumas imagens foi atribuído a poeira ou a efeitos de erosão no espelho devido à prolongada operação dos motores durante a alunagem. No entanto, todos os objectivos da missão foram atingidos.

A 19 de Novembro de 1969 o módulo lunar da Apollo-12 alunou a cerca de 180 metros da Surveyor-3. Os astronautas Charles Conrad e Alan Bean visitaram o veículo e durante a segunda actividade extraveícular lunar a 20 de Novembro, examinaram a sonda e as suas imediações, obtendo fotografias e removendo cerca de 10 kg de partes e instrumentos, incluindo a câmara de TV, que mais tarde seriam examinados na Terra.

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Surveyor-4

A quarta sonda do Programa Surveyor foi lançada às 1153:29,215UTC do dia 14 de Julho de 1967 por um foguetão Atlas Centaur-D (AC-11) a partir a partir do Complexo de Lançamento LC-39A do Cabo Canaveral AFS. A bordo da Surveyor-4 (02875 1967-068A) seguia uma câmara de TV com espelhos auxiliares, um dispositivo de recolha e análise do solo lunar, sensores de tensão nos suportes mecânicos da sonda e outros sensores de engenharia.

Após um voo sem problemas até à vizinhança da Lua, às 0203UTC do dia 17 de Julho cessaram os sinais de rádio provenientes da sonda durante a fase de descida final, a cerca de 2 minutos e 30 segundos da alunagem. O contacto com a Surveyor-4 nunca foi restabelecido e a missão não foi bem sucedida.

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A Surveyor-4 deveria ter alunado a 0,4 N – 1,33 O, mas o seu local de impacto não é conhecido, sendo possível que a sonda tenha explodido antes do impacto na superfície.

Surveyor-5

A Surveyor-5 (02937 1967-084A) foi lançada às 0757:01UTC do dia 8 de Setembro de 1967 por um foguetão SLV-3C Centaur (AC-13 Centaur D-1A 5901C) a partir a partir do Complexo de Lançamento LC-39B do Cabo Canaveral AFS (imagem ao lado). O estágio Centaur D-1A (5901C) colocou a sonda numa órbita inicial, mas pouco depois injectou a Surveyor-5 numa trajectória translunar. Na viagem até à Lua foi executada uma correcção de trajectória às 0145UTC Surveyor 14do dia 9 de Setembro que envolveu a activação dos motores vernier durante 14,29 segundos. Imediatamente após a manobra, a Surveyor-5 começou a perder pressão nos tanques de hélio. Posteriormente concluiu-se que a válvula de controlo de hélio não havia vedado como previsto com o gás a ser libertado para os tanques de propolente levando a um excesso de pressão e à abertura de uma válvula de emergência, descartando o hélio.

Devido a esta situação a NASA decidiu adoptar um novo plano de alunagem utilizando ignições antecipadas dos motores vernier utilizando ainda o hélio existente para diminuir a velocidade da sonda, reduzir a sua massa, e deixar um maior volume nos tanques de propolente para o hélio. A queima do motor principal de retro travagem foi adiada até uma altitude de 1,3 km sobre a superfície lunar a uma velocidade de 30 m/s em vez dos planeados 10,7 km e velocidade de 150 m/s.

O novo perfil de descida resultou na perfeição e a Surveyor-5 alunou suavemente às 0046:44UTC do dia 11 de Setembro num ponto situado a 1,461 N – 23,195 E numa colina com uma inclinação de 20º numa cratera sem bordo de 9 metros de largura por 12 metros de comprimento situada na área Sudoeste do Mar da Tranquilidade. A alunagem deu-se a 29 km do local originalmente previsto.

Todas as experiências da Surveyor-5 foram levadas a cabo com sucesso com a sonda a enviar 18.006 imagens de televisão durante o seu primeiro dia lunar. O instrumento de dispersão alfa foi colocado em posição operacional e levou a primeira análise in-situ de um corpo extraterrestre, enviando 83 horas de dados sobre a composição do solo lunar durante o primeiro dia lunar. A 13 de Setembro foi levada a cabo uma experiência relacionada com a erosão de um motor vernier, cerca de 53 horas após o lançamento. A experiência consistiu de uma queima do motor durante 0,55 segundos enquanto que a sonda permanecia no solo para assim se examinar os efeitos dos motores na superfície.

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A Surveyor-5 foi desactivada entre 24 de Setembro e 15 de Outubro durante a sua primeira noite lunar. A sonda enviou mais 1.048 imagens e 22 horas de dados de dispersão alfa durante o segundo dia lunar. A 18 de Outubro a Surveyor-5 obteve dados térmicos durante um eclipse total do Sol.

As transmissões do segundo dia foram recebidas até 1 de Novembro quando a sonda foi desactivada para a segunda noite lunar cerca de 200 horas após o pôr-do-sol. As transmissões foram retomadas às 0430UTC do dia 14 de Dezembro. A sonda transmitiu imagens durante o primeiro, segundo e quarto dias lunares, num total de 19.118 imagens.

Os resultados dos estudos de dispersão alfa mostraram que a composição do solo era semelhante às rochas basálticas da Terra com 53% a 63% de oxigénio, 15,5% a 21,5% de silício, 10% a 16% de enxofre, ferro, cobalto e níquel; 4,5% a 8,5% de alumínio, e pequenas quantidades de magnésio, carbono e sódio. A quantidade de material que aderiu ao íman foi consistente com uma mistura de basalto pulverizado e 10% a 12% de magnetite com cerca de 1% de ferro metálico. A experiência com o motor vernier produziu escassa erosão observável na superfície.

Surveyor-6

A penúltima sonda do programa, a Surveyor-6 (03031 1967-112A) foi lançada às 0739:01,075UTC do dia 7 de Novembro de 1967 por um foguetão SLV-3C Centaur (AC-14 Centaur D-1A 5902C) a partir a partir do Complexo de Lançamento LC-39B do Cabo Canaveral AFS.

Surveyor 16O foguetão lançador colocou a sonda numa órbita terrestre inicial a partir da qual foi ejectada para uma trajectória translunar às 0803:30UTC. Uma manobra de correcção de trajectória foi realizada às 0220:00UTC no dia 8 de Novembro, levando a uma alunagem às 0101:06UTC do dia 10 de Novembro num ponto localizado a 0,49º N – 358,60º E na região de Sinus Medii, no centro do hemisfério visível da Lua.

Às 1032UTC do dia 17 de Novembro os motores vernier da Surveyor-6 foram accionados durante 2,5 segundos, fazendo o primeiro lançamento propulsionado desde a superfície lunar num salto de 3 a 4 metros e alunando a 2,4 metros do ponto original . Esta manobra forneceu novas informações sobre o efeito da ignição de motores de foguetão na superfície lunar, permitindo a visualização do local original de alunagem e proporcionando uma linha de base para a visualização estereoscópica e mapeamento fotométrico do terreno em redor da sonda. A missão enviou imagens para a Terra até algumas horas após o pôr-do-sol a 24 de Novembro, num total de 29.952 imagens. A experiência de dispersão alfa obteve cerca de 30 horas de dados sobre o material na superfície.

A Surveyor-6 foi colocada em hibernação para a noite lunar a 26 de Novembro, sendo retomado o contacto com a sonda a 14 de Dezembro. Porém, este contacto foi por um curto período de tempo sem ter sido enviado qualquer dado útil. A última transmissão foi recebida às 1914UTC do dia 14 de Dezembro.

Os resultados das experiências da Surveyor-6 mostraram que a superfície tinha uma composição basáltica semelhante ao local de alunagem da Surveyor-5. Os dados de engenharia e de mecânica do solo mostraram a que a tensão na superfície era mais do que adequada para suportar alunagens tripuladas.

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Todos os objectivos da missão foram cumpridos e a finalização com sucesso da missão da Surveyor-6 satisfez as obrigações do programa com o Programa Apollo.

Surveyor-7

Surveyor 19A Surveyor-7 (03091 1968-001A) foi lançada às 0630:00,54UTC do dia 7 de Janeiro de 1968 por um foguetão SLV-3C Centaur (AC-15) a partir a partir do Complexo de Lançamento LC-39A do Cabo Canaveral AFS e constituiu a última missão do programa.

A sonda foi colocada numa órbita terrestre inicial e depois injectada numa trajectória translunar por uma segunda ignição do estágio Centaur, separando-se deste às 0705:16UTC. Uma manobra de correcção de trajectória foi levada a cabo às 2330:10UTC do dia 7 de Janeiro e a alunagem teve lugar às 0105:36,3UTC do dia 10 de Janeiro no ponto a 40,86º S – 348,53º E a cerca de 46,7 km a Norte do bordo da cratera Tycho.

As operações científicas foram iniciadas logo após a alunagem. A câmara de televisão enviou 20.993 imagens no primeiro dia lunar. Por seu lado, o instrumento de dispersão alfa não se colocou em posição operacional como era esperado, mas o sistema de recolha de amostras da superfície foi utilizado para o deslocar até ao solo. Este sistema foi mais tarde utilizado para colocar o instrumento de dispersão alfa numa rocha e depois numa pequena trincheira que havia antes escavado. Foram obtidas cerca de 66 horas de dados com este instrumento durante o primeiro dia lunar nos três locais de análise. As operações científicas foram prolongadas após o pôr-do-sol e incluíram a obtenção de imagens da Terra, das estrelas e da corona solar. As operações foram finalizadas às 1412UTC do dia 26 de Janeiro, 80 horas após o pôr-do-sol.

As operações do segundo dia lunar foram iniciadas às 1901UTC do dia 12 de Fevereiro e incluíram 45 fotografias adicionais para um total de 21.038 imagens e 34 horas de dados do dispositivo de dispersão alfa no interior da trincheira. As operações foram finalizadas às 1224UTC do dia 21 de Fevereiro. O sistema de recolha de amostras funcionou sem qualquer problema durante 36 horas e 21 minutos, cavando pequenas trincheiras, e movendo e manipulando quatro rochas.

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Os resultados obtidos na missão da Surveyor-7 foram em geral consistentes com as missões anteriores, excepto para as análises químicas da crusta nas terras altas que mostraram serem mais pobres em ferro em comparação com as análises efectuadas nos «mares» lunares. As experiências com o magnete mostraram a presença de constituintes magnéticos em quantidades comparáveis às encontradas nos locais de alunagem da Surveyor-5 e Surveyor-6. A Surveyor-7 também detectou raios laser emitidos da Terra. Todos os objectivos da missão foram satisfeitos pelas operações da Surveyor-7.

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