多功能金星航天器BREEZE

　　前言
　　美国宇航局(NASA)将金星描述为 ＂一个充满高温和火山活动的昏暗世界＂。它的有毒大气层和温度会熔化铅，这使其成为一个棘手的探索场所。据此，纽约州立大学布法罗分校一团队提出的一种新的航天器设计，令NASA很感兴趣。
　　极端环境与地带探索的仿生光线(Bioinspired Ray for Extreme Environments and Zonal Exploration,下文简称BREEZE)将充气式结构与仿生推进装置相结合，打造了一款多功能飞行物，用于探索金星。BREEZE将在50至60公里的高度在大气层中飞行，同时利用纬向风每4到6天绕地球一周。BREEZE独特的导航功能和主要的科学有效载荷将使分散的样本收集能够用于大气和地理研究。这些研究包括追踪天气模式、确定大气成分、绘制金星磁场，并创建详细的表面扫描。BREEZE的科学使之成为2013-2022年十年期调查中提出的金星气候任务的理想方法。任务概述和飞行路线
　　根据使用系统工具包(STK)所做的分析，一个有利的发射日期将是 7 月 25 日在 UTC 时间 （协调世界时）2034 年 9 点 54 分，近距起飞高度 185 公里。需要的 ΔV 将是 3.507 公里/秒的金星(图 4)。地球和金星之间的过境时间将需要146天，金星将在12月18日到达（UTC 时间 2034 年 13:58 分）。
　　:地球到金星的转换持续 146 天
　　Entry（进入）、decent（下降）和inflation（膨胀）(EDI)的顺序将从 BREEZE 车辆装载在直径 3.5 米的进入车辆中开始。BREEZE 进入飞行器将在赤道面沿弹道轨道进入金星大气层(图2a)。进入系统将使用基于极端进入环境技术(HEEET)隔热板的热保护系统(TPS)。当进入飞行器以亚音速收敛时(图2b)，后空气罩将被释放，并展开1至3个超音速降落伞进一步减速(图2c)。一旦进入飞行器充分减速，前隔热罩将脱落(图2d)。然后，BREEZE 将从进入飞行器中释放并开始充气(图2e)。随着 BREEZE 的膨胀，它的下降速度将进一步减慢(图2f)。在充分充气后，用于填充飞行器的压力罐将被放下(图2g)，BREEZE将上升。如此便实现了在金星表面的飞行。
　　:BREEZE 任务的 EDI顺序、操作条件和飞行路径
　　BREEZE 模块的标称高度范围约为 50 至 60 公里。之所以选择这个特定的范围，是因为这些海拔高度的温度和压力都比较温和，但使用拟定的生物动力推进系统，可以在有限的时间内延长这个范围。名义上的任务高度跨越了薄雾大气的最厚层，使得 BREEZE 能够到达较低的一端对云层进行测量，同时仍然能够到达大气中更清晰的部分，进行高效的太阳能充电和推进。
　　在充电时，飞行器将释放其张力电缆，使车辆膨胀并上升到更高的高度，仅使用浮力。当车辆在其最低操作高度 50 公里时，上面的云阻挡 50 - 80%的入射太阳辐射，但在 60 公里时，它接收 70 - 80%的最大辐射。飞行器的顶部将配备软太阳能电池板。虽然三结太阳能电池板通常效率更高，但美国宇航局在柔性太阳能电池板方面取得了很大进展，这将增加机翼的运动范围，并为星际飞行提供更紧凑的封装。
　　EDI 之后，飞行者将乘坐纬向风。目标高度的风速受大气超级旋转的影响。如图 6a 所示，由于金星上层大气的极端纬向风速，其他基于太阳能的飞行器需要保持有时大于 60 米/秒的速度，才能保持在金星的日面。如果它们穿越金星的夜面，由于能量储存不足，它们可能会不受控制地下降。然而，由于 BREEZE 具有浮力，它不需要持续充电来保持运行。
　　纬向(a)和经向(b)风速与纬度
　　两幅图显示了三个高度范围的风速:62-70 公里(蓝色)、58-64 公里(紫色)和 44- 48 公里（红色) BREEZE 绕着轨道飞行时的轨迹
　　金星的超级旋转是由纬向风主导的，在 60 公里的高度可以达到 80 米/秒。经向风更为温和，在最大目标高度达到约 5 米/秒的峰值(图 6b)。正是经向风将大气中的气球吹向极地，使它们陷入极地涡旋。BREEZE 将被设计成自动推进抵消了由经向风造成的漂移，同时利用纬向风帮助它环绕金星飞行。
　　在BREEZE 的操作高度，纬向风可以大约每4到6个地球日环绕地球一周。这将为充电提供 2 到 3 个地球日。飞行者将能够在强风中滑行，因为他们将携带它环绕地球。这种额外的效率使得BREEZE可以在白天充电，在晚上运行。前瞻
　　金星的环境十分恶劣，首先金星大气中二氧化碳的含量高达96%，导致金星的温室效应极其强烈，表面温度高达735K。此外，金星被一层高反射、不透明的硫酸云覆盖着，阻挡了来自太空中，可能抵达表面的可见光，而且各种仪器暴露在这样的环境下都易被腐蚀。考虑到如此恶劣的环境，BREEZE后续对于金星的探索将迎来极大挑战。