Sonda Lunar Prospector odstartovala z Cape Canaveral (LC-46) 07.01.1998 v 02:28:44 UT (03:28:44 SEČ) raketou Athena 2. První pokus o start, plánovaný na 06.01.1998 v 01:31 UT, musel být odvolán pro problémy s pozemním sledovacím radarem. Startovní okno 07.01.1998 trvalo jen 4 minuty a pokud by se start nepodařil, nastala by další možnost vzletu až 04.02.1998. Lunar Prospector je první americkou misí týkající se výhradně Měsíce po 25 letech, kdy skončil program Apollo.

Tři stupně nosiče Lockheed Martin Athena 2 pracovaly bez problémů a tak se do pěti minut sonda ocitla na parkovací dráze kolem Země ve výšce asi dvě stě kilometrů. Po ukončení tří čtvrtin oběhu se na více než minutu zapálil další stupeň, jenž sondu nasměroval k stopětihodinovému letu k Měsíci a současně Prospectoru udělil pomalou rotaci. Celá série manévrů proběhla během hodiny.

Krátce po navedení na dráhu k Měsíci se ukázalo, že kvalita přenosu dat je velmi špatná a zatím nepoužitelná pro dokonalé řízení sondy. Řídicí středisko proto odložilo všechny plánované aktivity, dokud se kvalita signálu nezlepší. K tomu došlo zhruba po sedmi hodinách, po změně orientace rotací stabilizované sondy. Úspěšně proběhla jak první plánovaná korekce dráhy, tak i rozevření ramen s vědeckými přístroji.

Po čtyřech dnech letu, v neděli 11.01.1998, byla sonda úspěšně navedena na oběžnou dráhu kolem našeho nejbližšího vesmírného souseda. Manévr LOI-1 (Lunar Orbit Insertion) byl zahájen v 11:45 UT (12:45 SEČ). Dva motory na spodní straně sondy pracovaly 32 minut a 12 sekund. Ve 12:17 UT byl Lunar Prospector na oběžné dráze Měsíce s periodou 11 hodin 48 minut (plán 12 hodin), výškou 71 - 8500 km a sklonem 89.7° (plán 89.9°). Manévr LOI-2 proběhl o den později, tedy 12.01.1998, v době od 10:58 UT do 11:25 UT (27 minut hoření motorů). Výsledná dráha měla periodu 3.5 hodiny a výšku 83 - 1870 km. Závěrečný LOI-3 proběhl 13.01.1998 od 11:27 UT do 11:54 UT (27 minut). Byl zhruba o 4% kratší, než se původně plánovalo, takže dráha zůstala stále mírně eliptická (92 - 153 km, sklon 90.1°). Dvěma krátkými zážehy manévrovacích motorů 15.01.1998 se Lunar Prospector dostal na pracovní kruhovou dráhu s periodou 2 hodiny a výškou 100 km. Ještě před tím začal přinášet první vědecká data. Sonda byla po navedení na pracovní dráhu v dobrém stavu, všechny přístroje byly zapnuty, přenosová rychlost 3600 b/s, rotace 12 otáček za minutu. V nádržích zbylo 34 kg paliva (z původních 138 kg), což bylo postačující na celou primární misi.

Již v sedmdesátých letech James Arnold z Kalifornské univerzity v San Diegu vyslovil myšlenku, že by v oblastech, které leží ve věčném stínu, kam nikdy nedopadnou sluneční paprsky, mohl kometární led zůstat až do dnešních dob. Taková místa se nacházejí především v oblastech měsíčních pólů.

Po osmi týdnech provozu sondy Lunar Prospector mohl ve čtvrtek 5. března tým vědců pod vedení dr. Alana Bindera oznámit: Je velmi pravděpodobné, že se na povrchu našeho vesmírného souseda, v oblasti jeho jižního a především severního pólu, nachází vodní led. Jeho celkové množství se pohybuje mezi 10 a 300 miliony tun. Více vodního ledu, v případě že skutečně existuje, se přitom nachází kolem severního pólu. Dosud získaná měření sondy Lunar Prospector naznačují, že by se v oblasti pólů měla voda skutečně nacházet -- smíchaná s regolitem v poměru 1:100 až 1:300. Její celkové množství se odhaduje na 10 až 300 milionů tun a měla by být rozprostřena v oblasti 10 až 50 tisíc čtverečních kilometrů u severního pólu a 5 až 20 tisíc kilometrů čtverečních na jihu. Nejistoty v odhadech byly způsobeny malou citlivostí neutronového spektrometru. Po důkladnějším vyhodnocení všech údajů se pozdější odhady celkového množství vodního ledu na Měsíci zvýšily až na desetinásobek, tedy do řádu miliard tun.

Existence vodního ledu, dosud jen velmi pravděpodobná, nikoliv stoprocentně jistá, by mohla zásadním způsobem ovlivnit budoucí začátky kolonizace Měsíce. Lunární základny by mohly led rozkládat na vodík a kyslík. Oba komponenty by sloužily především coby raketové palivo. Odhadované množství měsíční vody by stačilo několika tisícům lidí na zhruba sto let k pití, přípravě jídla, koupání či praní, aniž by se museli nějak omezovat či bylo nutné vodu recyklovat.

Jeden z cílů americké sondy Lunar Prospector je i mapování nehomogenního gravitačního pole Měsíce. Dnes již historické výpravy Lunar Orbiter a Apollo totiž zjistily, že se pod měsíčním povrchem nacházejí oblasti koncentrované hmoty, tzv. mascony (z anglického mass concentration). Zpravidla se jedná o rozsáhlé pánve a velké krátery vyplněné utuhlou lávou. Čerstvější měření, ovšem s malým rozlišením, přinesla před několika lety sonda Clementine. Telemetrická data přicházející z Lunar Prospectoru umožňují sestavit mapu gravitačního pole celého Měsíce a proniknout tak hluboko do jeho nitra.

Primární mise byla zakončena manévrem 19.12.1998, po němž byla výška dráhy sondy snížena na 40 km nad měsíčním povrchem. Po dobu šesti týdnů Lunar Prospector studoval Měsíc z této výšky a nakonec byl 29.01.1999 převeden na dráhu ve výši 30 km. Tím byla oficiálně zahájena druhá fáze mise, při níž se má dále zpřesnit gravitační mapa Měsíce a také měření v souvislosti s předpokládanou existencí vodního ledu v polárních oblastech Měsíce.

Celá mise byla ukončena velmi efektně. Sonda Lunar Prospector byla 31.07.1999 navedena na sestupovou dráhu a dopadla na povrch Měsíce. Za místo jejího dopadu byl určen kráter o průměru 50 až 60 kilometrů poblíž jižního pólu, v němž experti předpokládají výskyt ledu.

Astronomové sledovali celou operaci v přímém přenosu, a to zejména díky Hubbleovu vesmírnému teleskopu a teleskopu Keck na Havaji. Teplo vyvolané srážkou při dopadu mělo uvolnit plyny, jejichž rozbor měl prokázat přítomnost vody. Bohužel se žádný oblak pozorovat nepodařilo.

Druhým úkolem sondy Lunar Prospector bylo dopravit na Měsíc urnu s popelem astronoma Eugena Shoemakera, objevitele komety Shoemaker-Levy. Urna s popelem je ozdobena fotografií Hale-Boppovy komety, kterou Shoemaker naposledy pozoroval spolu se svou manželkou Carolyn, dále snímkem kráteru meteorického původu v Arizoně, v němž nacvičovaly posádky Apolla na přistání na Měsíci, a nakonec obsahuje pasáž ze Shakespearova dramatu Romeo a Julie jako připomínku lásky, která ho spojovala s manželkou.

Popis sondy

Ve výbavě jen čtvrt tuny těžké družice, jejíž vývoj přišel na šedesát milionů dolarů (vč. vypuštění) a na jejíž konstrukci i letu se podílí pouze padesát odborníků, je šest přístrojů: Gama spektrometr bude mapovat rozložení deseti nejrozšířenějších měsíčních prvků (thoria, drasík, uran, železo, kyslík, silikon, hliník, vápník, magnezium a titan). Magnetometr na měření magnetického pole Měsíce a jeho interakce se zemským a slunečním polem. Elektronový reflektometr na měření magnetických vlastností měsíčního povrchu, především jeho lokálních změn. Neutronový spektrometr slouží k detekci atomů vodíku uvolňovaných z povrchu Měsíce. Je hlavní zbraní při hledání vody. Alfa částicový spektrometr zaznamenává alfa částice emitované radiokativními plyny, jako radon, polonium, uvolňované z měsíčního nitra. Dopplerův gravitační experiment umožní studovat lokální změny gravitačního pole a tak i vnitřní struktury Měsíce.

Očekává se, že Lunar Prospector poodhalí odpovědi na otázky o původu a složení Měsíce. Především se pokusí potvrdit či vyvrátit doměnku, že se na Měsící, na dně kráterů v oblasti pólů, nachází vodní led. Přítomnost zmrzlé vody, jenž by se na Měsíc mohla dostat prostřednictvím dopadlých kometárních jader, by do značné míry ovlivnila budoucí směr ve výzkumu a využití Měsíce. Kromě toho bude Lunar Prospector měřit magnetické a gravitační pole. Součástí je i speciální zařízení nazvané alfa částicový spektrometr, které bude pátrat po plynech uvolňovaných z nitra Měsíce.