机翻火箭实验室的深空光子上面级小型金星进入探测器任务

　　简要
　　高ΔV小型航天器（如高能光子）和小型运载火箭（如Electron）将实现定期的低成本十年级科学任务，以支持科学家扩大机会并提高科学回报率。火箭实验室对金星的任务是一个小型直接进入探测器，计划于2023年5月进行基线发射，可容纳一台约1公斤的仪器。备份启动窗口将于 2025 年 1 月推出。探测器任务将在地表以上48-60公里的金星云层中花费约5分钟，并收集原位测量值。我们选择了一种低质量、低成本的自发荧光浊度计来寻找云颗粒中的有机分子，并限制颗粒组成。导言
　　火箭实验室已经做出了工程和财务承诺，将一项私人任务飞往金星，目标是在2023年发射，以帮助回答＂我们在宇宙中是孤独的吗？Rocket Lab任务的具体目标是：
　　①在金星的云层中寻找可居住的条件和生命迹象;
　　②使行星际光子上面级成熟;
　　③展示高性能，低成本，快速周转的深空进入任务，通过小型航天器和小型运载火箭提供十年期科学;
　　④在小型任务运动中迈出第一步，以更好地了解金星。
　　基线任务计划于2023年5月从火箭实验室的发射综合体1号（LC-1）的Electron上发射，并于2025年1月获得备用发射机会。在围绕地球的连续相位轨道和月球重力辅助之后，将选择发射机会，以便在2023年5月24日进行跨金星注入（TVI），正如火箭实验室为NASA成功执行的Cislunar自主定位系统技术操作和导航实验（CAPSTONE）任务所证明的那样。该任务将遵循双曲轨迹，高能光子作为巡航阶段执行，然后在任务的科学阶段部署一个小型探测器进入金星大气层。在本文中，我们描述了设计用于在电子小型运载火箭上发射的光子航天器（第2部分），然后讨论了航天器轨迹（第3部分）和大气探测器本身（第4部分）。第5部分总结了探测器的操作概念和事件的科学阶段顺序。在第6部分中，我们简要总结了2023年火箭实验室任务的科学目标和科学仪器。2. 光子飞船
　　高能光子（图1）由火箭实验室为NASA CAPSTONE任务开发，于2022年6月成功发射到月球，并且已经成熟，用于2024年发射到火星的NASA逃逸和等离子体加速和动力学探测器（ESCAPADE）任务，是一种自给自足的小型航天器，能够进行长时间的行星际巡航。
　　火箭实验室的电子发射的金星私人任务将部署一个来自高能光子的小型探测器
　　高能光子的电力系统是传统的，使用光伏太阳能电池阵列和锂聚合物二次电池。姿态控制系统包括恒星跟踪器、太阳传感器、惯性测量单元、反作用轮和冷气反应控制系统（RCS）。S波段或X波段RF测距转发器支持与深空网络（DSN）或商业网络的通信，并支持传统的深空辐射导航方法。全球定位系统（GPS）接收器用于地球附近的导航。大于3公里/秒的ΔV由一个可存储的、可重新启动的双推进剂推进系统提供，该系统称为Hyper Curie，使用电动泵向推力矢量控制的发动机提供加压推进剂。推进剂罐可实现高推进剂质量分数，并且可以按比例缩放以满足任务特定需求。
　　高能光子（图2）设计用于在火箭实验室专用小型运载火箭Electron（图3）上发射。Electron可以从两个活跃的，最先进的发射场中的任何一个将高达300公斤的轨道提升到500公里的轨道：新西兰Mahia半岛的LC-1和弗吉尼亚州Wallops岛上的Launch Complex 2。Electron是一种带有Kick Stage的两级运载火箭，高18米，直径为1.2米，升空质量约为13000千克。Electron的发动机，25千牛卢瑟福，由液氧和煤油提供燃料，由电动泵提供燃料。卢瑟福基于一个全新的推进循环，利用无刷直流电动机和高性能锂聚合物电池来驱动叶轮泵。Electron的Stage 1使用九个卢瑟福发动机，而Stage 2只需要一个Lutherford真空发动机。卢瑟福是第一台对所有主要部件使用增材制造的氧气/碳氢化合物发动机，包括蓄热冷却推力室，喷油泵和主推进剂阀。Electron上的所有卢瑟福发动机都是相同的，除了Stage 2上更大的膨胀比喷嘴针对近真空条件下的性能进行了优化。高能光子取代了低地球轨道（LEO）以外电子任务的踢台。
　　高能光子和小金星进入探针在电子小火箭的整流罩内
　　电子号小型运载火箭3. 轨迹
　　Electron首先将高能光子传递到地球周围大约165公里的圆形停车轨道（图4）。在与电子的2级分离后，高能光子执行预编程的燃烧，以建立250公里 1200公里的初步椭圆轨道。然后，高能光子通过越来越椭圆的轨道进行一系列燃烧，每次都提高远地点高度，同时保持几乎恒定的近地点，达到大约70，000公里的最大远地点。在多次演习中打破出发是地球逃逸的有效方法。通过将燃烧保持在接近近地点并限制其持续时间，推进能量有效地用于提高远地点，同时避免与长时间机动相关的燃烧损失。每次相位机动之后，都会在新的远地点高度进行计划数量的相位轨道。相位轨道为在轨导航、机动重建和规划、推进系统校准和联合筛选提供了时间。每个计划的演习都包括应急选项，以减少联合事件或错过的演习。在执行名义的远地点提升动作后，执行最终的注入燃烧，将高能光子置于逃逸轨迹上。使用超居里引擎或集成RCS的轨迹校正机动（TCM）用于对轨迹进行微调并瞄准适当的入口界面。
　　逃逸轨迹的相位轨道方法和典型的轨迹校正机动用于瞄准金星的入口界面。
　　2023年10月，在巡航阶段（图5）之后，高能光子将瞄准一个入口接口，将一个小型（约20公斤）探测器直接部署到大气中，其进入飞行路径角（EFPA）在-10和-30度之间，基线为-10度。探测器通过S波段通信链路与半球形天线直接通信，返回在下降期间捕获并存储在船上的科学数据。将选择入口界面以满足科学目标（夜间进入和纬度目标），地球通信几何和其他因素。EFPA将根据对进入和下降时间表，集成热负荷和所需热保护系统（TPS）厚度，探头加速度（g负载）限制，导航精度和其他因素的分析来选择。
　　高能光子总线在瞄准为最佳仪器测量条件而选择的入口接口后，在入口接口（EI）前30分钟释放入口探针。4. 探头
　　小型探测器（图6）将包含高达1公斤的科学有效载荷，以搜索云粒子中的有机化学物质并探索云的可居住性，在约45-60公里高度的云层中达到约330秒以执行科学操作。科学仪器是自发荧光浊度计（AFN）。小型探头是直径约40厘米的45度半角球锥钝体，半球形后体，用于在高超音速流态下保持静态稳定性。
　　小型金星探测器是一个直径约40厘米的45度半角球锥。
　　探头形状是根据各种流动状态（高超音速，跨音速，亚音速等）和重心位置约束中的稳定性特征以及其他考虑因素进行交易的。
　　选择探头直径以容纳压力容器以及仪器有效载荷，同时考虑到浊度计所需的焦距和机载系统的尺寸。将探头电子元件安装在压力容器中可实现坚固的整体设计。铝制压力容器包含除温度计，压力传感器和探头天线之外的所有系统组件，并被结构绝缘层包围。绝缘层将飞行计算机，无线电和仪器保持在合适的工作压力，充当热汇以保持允许的工作温度，并充当腐蚀性Venusia的屏障n个大气压。
　　压力容器壁厚由三个主要考虑因素决定：吸收来自内部组件和金星环境的热负荷所需的材料质量，容器必须承受的压力，以便能够在通过云层传输科学数据所需的时间，作为压力和温度的建立， 和制造方法。对于 2 mm 的基线厚度，驱动限制是制造最佳实践，为热、功率和数据预算的增加提供了一些余量。
　　探头前体TPS材料是用于极端进入环境（HEEET）的隔热罩或碳酚醛树脂，后部TPS材料是射频（RF）透明且耐酸的聚四氟乙烯（PTFE，例如，特氟龙 ）。5. 操作概念
　　在科学阶段，探测器将遵循以下事件序列（图7），绝对时间取决于所选的EFPA（所示为 10度基线）：
　　科学阶段的目标是海拔45至60公里之间的金星云层，从而实现约330秒的科学观测
　　最终进入接口瞄准后，探针释放并启动;
　　滑行阶段（约2小时，低能状态）;
　　预录入（关键系统初始化，待定时）;
　　中继通信开始并持续整个科学阶段;
　　达到入口接口;
　　加热脉冲，射频停电，峰值G（进入接口后40-80秒）;
　　进入云（进入界面后180秒）;
　　初级科学数据收集（330秒数据收集）;
　　离开云层（进入界面后520秒）;
　　持续数据传输/科学数据的再传输（约20分钟持续时间）;
　　达到压力容器设计极限，预期LOS（进入接口后约30分钟）;
　　表面接触（入口接口后约 3500–4000 秒）。
　　通过云层及以下，科学数据将以优化的数据速率直接传输到地球。云层以下的目标，例如继续使用主仪器进行科学观测或返回环境数据的潜力，将仅在尽最大努力的基础上执行。6. 火箭实验室任务的科学目标总结
　　该任务是近四十年来首次直接探测金星云粒子的机会。即使有质量和数据速率的限制以及金星大气中有限的时间，突破性的科学也是可能的。我们选择了一种低质量、低成本的自燃浊浊度计（AFN），以满足火箭实验室任务的科学目标。
　　首要的科学目标是在金星云中寻找生命或可居住性的证据。有两个具体的科学目标：寻找云层粒子中有机分子的存在，并确定模式3云粒子的折射形状和折射率（代表组成）。
　　原文链接https://www.mdpi.com/2226-4310/9/8/445/htm