簡要
高ΔV小型航天器（如高能光子）和小型運載火箭（如Electron）將實現(xiàn)定期的低成本十年級科學(xué)任務(wù)，以支持科學(xué)家擴大機會并提高科學(xué)回報率。火箭實驗室對金星的任務(wù)是一個小型直接進入探測器，計劃于2023年5月進行基線發(fā)射，可容納一臺約1公斤的儀器。備份啟動窗口將于 2025 年 1 月推出。探測器任務(wù)將在地表以上48-60公里的金星云層中花費約5分鐘，并收集原位測量值。我們選擇了一種低質(zhì)量、低成本的自發(fā)熒光濁度計來尋找云顆粒中的有機分子，并限制顆粒組成。
導(dǎo)言
火箭實驗室已經(jīng)做出了工程和財務(wù)承諾，將一項私人任務(wù)飛往金星，目標(biāo)是在2023年發(fā)射，以幫助回答“我們在宇宙中是孤獨的嗎？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成熟;
③展示高性能，低成本，快速周轉(zhuǎn)的深空進入任務(wù)，通過小型航天器和小型運載火箭提供十年期科學(xué);
④在小型任務(wù)運動中邁出第一步，以更好地了解金星。
基線任務(wù)計劃于2023年5月從火箭實驗室的發(fā)射綜合體1號（LC-1）的Electron上發(fā)射，并于2025年1月獲得備用發(fā)射機會。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)射機會，以便在2023年5月24日進行跨金星注入（TVI），正如火箭實驗室為NASA成功執(zhí)行的Cislunar自主定位系統(tǒng)技術(shù)操作和導(dǎo)航實驗（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)階段部署一個小型探測器進入金星大氣層。在本文中，我們描述了設(shè)計用于在電子小型運載火箭上發(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）和大氣探測器本身（第4部分）。第5部分總結(jié)了探測器的操作概念和事件的科學(xué)階段順序。在第6部分中，我們簡要總結(jié)了2023年火箭實驗室任務(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）由火箭實驗室為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力學(xué)探測器（ESCAPADE）任務(wù)，是一種自給自足的小型航天器，能夠進行長時間的行星際巡航。
火箭實驗室的電子發(fā)射的金星私人任務(wù)將部署一個來自高能光子的小型探測器
高能光子的電力系統(tǒng)是傳統(tǒng)的，使用光伏太陽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、太陽傳感器、慣性測量單元、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由一個可存儲的、可重新啟動的雙推進劑推進系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)稱為Hyper Curie，使用電動泵向推力矢量控制的發(fā)動機提供加壓推進劑。推進劑罐可實現(xiàn)高推進劑質(zhì)量分數(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)計用于在火箭實驗室專用小型運載火箭Electron（圖3）上發(fā)射。Electron可以從兩個活躍的，最先進的發(fā)射場中的任何一個將高達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的兩級運載火箭，高18米，直徑為1.2米，升空質(zhì)量約為13000千克。Electron的發(fā)動機，25千牛盧瑟福，由液氧和煤油提供燃料，由電動泵提供燃料。盧瑟?；谝粋€全新的推進循環(huán)，利用無刷直流電動機和高性能鋰聚合物電池來驅(qū)動葉輪泵。Electron的Stage 1使用九個盧瑟福發(fā)動機，而Stage 2只需要一個Lutherford真空發(fā)動機。盧瑟福是第一臺對所有主要部件使用增材制造的氧氣/碳氫化合物發(fā)動機，包括蓄熱冷卻推力室，噴油泵和主推進劑閥。Electron上的所有盧瑟福發(fā)動機都是相同的，除了Stage 2上更大的膨脹比噴嘴針對近真空條件下的性能進行了優(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。
高能光子和小金星進入探針在電子小火箭的整流罩內(nèi)
電子號小型運載火箭
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行一系列燃燒，每次都提高遠地點高度，同時保持幾乎恒定的近地點，達到大約70，000公里的最大遠地點。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并限制其持續(xù)時間，推進能量有效地用于提高遠地點，同時避免與長時間機動相關(guān)的燃燒損失。每次相位機動之后，都會在新的遠地點高度進行計劃數(shù)量的相位軌道。相位軌道為在軌導(dǎo)航、機動重建和規(guī)劃、推進系統(tǒng)校準和聯(lián)合篩選提供了時間。每個計劃的演習(xí)都包括應(yīng)急選項，以減少聯(lián)合事件或錯過的演習(xí)。在執(zhí)行名義的遠地點提升動作后，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的軌跡校正機動（TCM）用于對軌跡進行微調(diào)并瞄準適當(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動用于瞄準金星的入口界面。
2023年10月，在巡航階段（圖5）之后，高能光子將瞄準一個入口接口，將一個小型（約20公斤）探測器直接部署到大氣中，其進入飛行路徑角（EFPA）在-10和-30度之間，基線為-10度。探測器通過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)（夜間進入和緯度目標(biāo)），地球通信幾何和其他因素。EFPA將根據(jù)對進入和下降時間表，集成熱負荷和所需熱保護系統(tǒng)（TPS）厚度，探頭加速度（g負載）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為最佳儀器測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
小型探測器（圖6）將包含高達1公斤的科學(xué)有效載荷，以搜索云粒子中的有機化學(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（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。
小型金星探測器是一個直徑約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，同時考慮到濁度計所需的焦距和機載系統(tǒng)的尺寸。將探頭電子元件安裝在壓力容器中可實現(xiàn)堅固的整體設(shè)計。鋁制壓力容器包含除溫度計，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。絕緣層將飛行計算機，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個大氣壓。
壓力容器壁厚由三個主要考慮因素決定：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)所需的時間，作為壓力和溫度的建立， 和制造方法。對于 2 mm 的基線厚度，驅(qū)動限制是制造最佳實踐，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，探測器將遵循以下事件序列（圖7），絕對時間取決于所選的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，從而實現(xiàn)約330秒的科學(xué)觀測
最終進入接口瞄準后，探針釋放并啟動;
滑行階段（約2小時，低能狀態(tài)）;
預(yù)錄入（關(guān)鍵系統(tǒng)初始化，待定時）;
中繼通信開始并持續(xù)整個科學(xué)階段;
達到入口接口;
加熱脈沖，射頻停電，峰值G（進入接口后40-80秒）;
進入云（進入界面后180秒）;
初級科學(xué)數(shù)據(jù)收集（330秒數(shù)據(jù)收集）;
離開云層（進入界面后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)時間）;
達到壓力容器設(shè)計極限，預(yù)期LOS（進入接口后約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?。云層以下的目?biāo)，例如繼續(xù)使用主儀器進行科學(xué)觀測或返回環(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. 火箭實驗室任務(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金星云粒子的機會。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（AFN），以滿足火箭實驗室任務(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)。有兩個具體的科學(xué)目標(biāo)：尋找云層粒子中有機分子的存在，并確定模式3云粒子的折射形狀和折射率（代表組成）。
原文鏈接https://www.mdpi.com/2226-4310/9/8/445/htm
