簡(jiǎn)要

高ΔV小型航天器（如高能光子）和小型運(yùn)載火箭（如Electron）將實(shí)現(xiàn)定期的低成本十年級(jí)科學(xué)任務(wù)，以支持科學(xué)家擴(kuò)大機(jī)會(huì)并提高科學(xué)回報(bào)率。火箭實(shí)驗(yàn)室對(duì)金星的任務(wù)是一個(gè)小型直接進(jìn)入探測(cè)器，計(jì)劃于2023年5月進(jìn)行基線發(fā)射，可容納一臺(tái)約1公斤的儀器。備份啟動(dòng)窗口將于 2025 年 1 月推出。探測(cè)器任務(wù)將在地表以上48-60公里的金星云層中花費(fèi)約5分鐘，并收集原位測(cè)量值。我們選擇了一種低質(zhì)量、低成本的自發(fā)熒光濁度計(jì)來尋找云顆粒中的有機(jī)分子，并限制顆粒組成。

導(dǎo)言

火箭實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)做出了工程和財(cái)務(wù)承諾，將一項(xiàng)私人任務(wù)飛往金星，目標(biāo)是在2023年發(fā)射，以幫助回答“我們?cè)谟钪嬷惺枪陋?dú)的嗎？Rocket Lab任務(wù)的具體目標(biāo)是：

①在金星的云層中尋找可居住的條件和生命跡象;

②使行星際光子上面級(jí)成熟;

③展示高性能，低成本，快速周轉(zhuǎn)的深空進(jìn)入任務(wù)，通過小型航天器和小型運(yùn)載火箭提供十年期科學(xué);

④在小型任務(wù)運(yùn)動(dòng)中邁出第一步，以更好地了解金星。

基線任務(wù)計(jì)劃于2023年5月從火箭實(shí)驗(yàn)室的發(fā)射綜合體1號(hào)（LC-1）的Electron上發(fā)射，并于2025年1月獲得備用發(fā)射機(jī)會(huì)。在圍繞地球的連續(xù)相位軌道和月球重力輔助之后，將選擇發(fā)射機(jī)會(huì)，以便在2023年5月24日進(jìn)行跨金星注入（TVI），正如火箭實(shí)驗(yàn)室為NASA成功執(zhí)行的Cislunar自主定位系統(tǒng)技術(shù)操作和導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)（CAPSTONE）任務(wù)所證明的那樣。該任務(wù)將遵循雙曲軌跡，高能光子作為巡航階段執(zhí)行，然后在任務(wù)的科學(xué)階段部署一個(gè)小型探測(cè)器進(jìn)入金星大氣層。在本文中，我們描述了設(shè)計(jì)用于在電子小型運(yùn)載火箭上發(fā)射的光子航天器（第2部分），然后討論了航天器軌跡（第3部分）和大氣探測(cè)器本身（第4部分）。第5部分總結(jié)了探測(cè)器的操作概念和事件的科學(xué)階段順序。在第6部分中，我們簡(jiǎn)要總結(jié)了2023年火箭實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)儀器。

2. 光子飛船

高能光子（圖1）由火箭實(shí)驗(yàn)室為NASA CAPSTONE任務(wù)開發(fā)，于2022年6月成功發(fā)射到月球，并且已經(jīng)成熟，用于2024年發(fā)射到火星的NASA逃逸和等離子體加速和動(dòng)力學(xué)探測(cè)器（ESCAPADE）任務(wù)，是一種自給自足的小型航天器，能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的行星際巡航。

火箭實(shí)驗(yàn)室的電子發(fā)射的金星私人任務(wù)將部署一個(gè)來自高能光子的小型探測(cè)器

高能光子的電力系統(tǒng)是傳統(tǒng)的，使用光伏太陽(yáng)能電池陣列和鋰聚合物二次電池。姿態(tài)控制系統(tǒng)包括恒星跟蹤器、太陽(yáng)傳感器、慣性測(cè)量單元、反作用輪和冷氣反應(yīng)控制系統(tǒng)（RCS）。S波段或X波段RF測(cè)距轉(zhuǎn)發(fā)器支持與深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）或商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通信，并支持傳統(tǒng)的深空輻射導(dǎo)航方法。全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器用于地球附近的導(dǎo)航。大于3公里/秒的ΔV由一個(gè)可存儲(chǔ)的、可重新啟動(dòng)的雙推進(jìn)劑推進(jìn)系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)稱為Hyper Curie，使用電動(dòng)泵向推力矢量控制的發(fā)動(dòng)機(jī)提供加壓推進(jìn)劑。推進(jìn)劑罐可實(shí)現(xiàn)高推進(jìn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并且可以按比例縮放以滿足任務(wù)特定需求。

高能光子（圖2）設(shè)計(jì)用于在火箭實(shí)驗(yàn)室專用小型運(yùn)載火箭Electron（圖3）上發(fā)射。Electron可以從兩個(gè)活躍的，最先進(jìn)的發(fā)射場(chǎng)中的任何一個(gè)將高達(dá)300公斤的軌道提升到500公里的軌道：新西蘭Mahia半島的LC-1和弗吉尼亞州Wallops島上的Launch Complex 2。Electron是一種帶有Kick Stage的兩級(jí)運(yùn)載火箭，高18米，直徑為1.2米，升空質(zhì)量約為13000千克。Electron的發(fā)動(dòng)機(jī)，25千牛盧瑟福，由液氧和煤油提供燃料，由電動(dòng)泵提供燃料。盧瑟?；谝粋€(gè)全新的推進(jìn)循環(huán)，利用無刷直流電動(dòng)機(jī)和高性能鋰聚合物電池來驅(qū)動(dòng)葉輪泵。Electron的Stage 1使用九個(gè)盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)，而Stage 2只需要一個(gè)Lutherford真空發(fā)動(dòng)機(jī)。盧瑟福是第一臺(tái)對(duì)所有主要部件使用增材制造的氧氣/碳?xì)浠衔锇l(fā)動(dòng)機(jī)，包括蓄熱冷卻推力室，噴油泵和主推進(jìn)劑閥。Electron上的所有盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)都是相同的，除了Stage 2上更大的膨脹比噴嘴針對(duì)近真空條件下的性能進(jìn)行了優(yōu)化。高能光子取代了低地球軌道（LEO）以外電子任務(wù)的踢臺(tái)。

高能光子和小金星進(jìn)入探針在電子小火箭的整流罩內(nèi)

電子號(hào)小型運(yùn)載火箭

3. 軌跡

Electron首先將高能光子傳遞到地球周圍大約165公里的圓形停車軌道（圖4）。在與電子的2級(jí)分離后，高能光子執(zhí)行預(yù)編程的燃燒，以建立250公里 1200公里的初步橢圓軌道。然后，高能光子通過越來越橢圓的軌道進(jìn)行一系列燃燒，每次都提高遠(yuǎn)地點(diǎn)高度，同時(shí)保持幾乎恒定的近地點(diǎn)，達(dá)到大約70，000公里的最大遠(yuǎn)地點(diǎn)。在多次演習(xí)中打破出發(fā)是地球逃逸的有效方法。通過將燃燒保持在接近近地點(diǎn)并限制其持續(xù)時(shí)間，推進(jìn)能量有效地用于提高遠(yuǎn)地點(diǎn)，同時(shí)避免與長(zhǎng)時(shí)間機(jī)動(dòng)相關(guān)的燃燒損失。每次相位機(jī)動(dòng)之后，都會(huì)在新的遠(yuǎn)地點(diǎn)高度進(jìn)行計(jì)劃數(shù)量的相位軌道。相位軌道為在軌導(dǎo)航、機(jī)動(dòng)重建和規(guī)劃、推進(jìn)系統(tǒng)校準(zhǔn)和聯(lián)合篩選提供了時(shí)間。每個(gè)計(jì)劃的演習(xí)都包括應(yīng)急選項(xiàng)，以減少聯(lián)合事件或錯(cuò)過的演習(xí)。在執(zhí)行名義的遠(yuǎn)地點(diǎn)提升動(dòng)作后，執(zhí)行最終的注入燃燒，將高能光子置于逃逸軌跡上。使用超居里引擎或集成RCS的軌跡校正機(jī)動(dòng)（TCM）用于對(duì)軌跡進(jìn)行微調(diào)并瞄準(zhǔn)適當(dāng)?shù)娜肟诮缑妗?/p>

逃逸軌跡的相位軌道方法和典型的軌跡校正機(jī)動(dòng)用于瞄準(zhǔn)金星的入口界面。

2023年10月，在巡航階段（圖5）之后，高能光子將瞄準(zhǔn)一個(gè)入口接口，將一個(gè)小型（約20公斤）探測(cè)器直接部署到大氣中，其進(jìn)入飛行路徑角（EFPA）在-10和-30度之間，基線為-10度。探測(cè)器通過S波段通信鏈路與半球形天線直接通信，返回在下降期間捕獲并存儲(chǔ)在船上的科學(xué)數(shù)據(jù)。將選擇入口界面以滿足科學(xué)目標(biāo)（夜間進(jìn)入和緯度目標(biāo)），地球通信幾何和其他因素。EFPA將根據(jù)對(duì)進(jìn)入和下降時(shí)間表，集成熱負(fù)荷和所需熱保護(hù)系統(tǒng)（TPS）厚度，探頭加速度（g負(fù)載）限制，導(dǎo)航精度和其他因素的分析來選擇。

高能光子總線在瞄準(zhǔn)為最佳儀器測(cè)量條件而選擇的入口接口后，在入口接口（EI）前30分鐘釋放入口探針。

4. 探頭

小型探測(cè)器（圖6）將包含高達(dá)1公斤的科學(xué)有效載荷，以搜索云粒子中的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)并探索云的可居住性，在約45-60公里高度的云層中達(dá)到約330秒以執(zhí)行科學(xué)操作?？茖W(xué)儀器是自發(fā)熒光濁度計(jì)（AFN）。小型探頭是直徑約40厘米的45度半角球錐鈍體，半球形后體，用于在高超音速流態(tài)下保持靜態(tài)穩(wěn)定性。

小型金星探測(cè)器是一個(gè)直徑約40厘米的45度半角球錐。

探頭形狀是根據(jù)各種流動(dòng)狀態(tài)（高超音速，跨音速，亞音速等）和重心位置約束中的穩(wěn)定性特征以及其他考慮因素進(jìn)行交易的。

選擇探頭直徑以容納壓力容器以及儀器有效載荷，同時(shí)考慮到濁度計(jì)所需的焦距和機(jī)載系統(tǒng)的尺寸。將探頭電子元件安裝在壓力容器中可實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的整體設(shè)計(jì)。鋁制壓力容器包含除溫度計(jì)，壓力傳感器和探頭天線之外的所有系統(tǒng)組件，并被結(jié)構(gòu)絕緣層包圍。絕緣層將飛行計(jì)算機(jī)，無線電和儀器保持在合適的工作壓力，充當(dāng)熱匯以保持允許的工作溫度，并充當(dāng)腐蝕性Venusia的屏障n個(gè)大氣壓。

壓力容器壁厚由三個(gè)主要考慮因素決定：吸收來自內(nèi)部組件和金星環(huán)境的熱負(fù)荷所需的材料質(zhì)量，容器必須承受的壓力，以便能夠在通過云層傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，作為壓力和溫度的建立， 和制造方法。對(duì)于 2 mm 的基線厚度，驅(qū)動(dòng)限制是制造最佳實(shí)踐，為熱、功率和數(shù)據(jù)預(yù)算的增加提供了一些余量。

探頭前體TPS材料是用于極端進(jìn)入環(huán)境（HEEET）的隔熱罩或碳酚醛樹脂，后部TPS材料是射頻（RF）透明且耐酸的聚四氟乙烯（PTFE，例如，特氟龍 ）。

5. 操作概念

在科學(xué)階段，探測(cè)器將遵循以下事件序列（圖7），絕對(duì)時(shí)間取決于所選的EFPA（所示為 10度基線）：

科學(xué)階段的目標(biāo)是海拔45至60公里之間的金星云層，從而實(shí)現(xiàn)約330秒的科學(xué)觀測(cè)

最終進(jìn)入接口瞄準(zhǔn)后，探針釋放并啟動(dòng);

滑行階段（約2小時(shí)，低能狀態(tài)）;

預(yù)錄入（關(guān)鍵系統(tǒng)初始化，待定時(shí)）;

中繼通信開始并持續(xù)整個(gè)科學(xué)階段;

達(dá)到入口接口;

加熱脈沖，射頻停電，峰值G（進(jìn)入接口后40-80秒）;

進(jìn)入云（進(jìn)入界面后180秒）;

初級(jí)科學(xué)數(shù)據(jù)收集（330秒數(shù)據(jù)收集）;

離開云層（進(jìn)入界面后520秒）;

持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸/科學(xué)數(shù)據(jù)的再傳輸（約20分鐘持續(xù)時(shí)間）;

達(dá)到壓力容器設(shè)計(jì)極限，預(yù)期LOS（進(jìn)入接口后約30分鐘）;

表面接觸（入口接口后約 3500–4000 秒）。

通過云層及以下，科學(xué)數(shù)據(jù)將以優(yōu)化的數(shù)據(jù)速率直接傳輸?shù)降厍颉Ｔ茖右韵碌哪繕?biāo)，例如繼續(xù)使用主儀器進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)或返回環(huán)境數(shù)據(jù)的潛力，將僅在盡最大努力的基礎(chǔ)上執(zhí)行。

6. 火箭實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)總結(jié)

該任務(wù)是近四十年來首次直接探測(cè)金星云粒子的機(jī)會(huì)。即使有質(zhì)量和數(shù)據(jù)速率的限制以及金星大氣中有限的時(shí)間，突破性的科學(xué)也是可能的。我們選擇了一種低質(zhì)量、低成本的自燃濁濁度計(jì)（AFN），以滿足火箭實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)。

首要的科學(xué)目標(biāo)是在金星云中尋找生命或可居住性的證據(jù)。有兩個(gè)具體的科學(xué)目標(biāo)：尋找云層粒子中有機(jī)分子的存在，并確定模式3云粒子的折射形狀和折射率（代表組成）。

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