Eine Beschreibung der Mission von Rocket Lab zur Venus

Nov 14, 2023

Ursprünglich veröffentlicht vonMDPI Open Access-Zeitschriften

vonRichard Französisch1,*,Christophe Mandy1,Richard Hunter1,Ehsan Mosleh1,Doug Sinclair1,Peter Beck1,Sara Seager2,3,4,Janusz J. Petkowski2,Christopher E. Carr5,David H. Grinspoon6,Darrel Baumgardner7,8 und im Namen des Rocket Lab Venus Teams †1

Rocket Lab, 3881 McGowen Street, Long Beach, CA 90808, USA2 Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, USA3 Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue , Cambridge, MA 02139, USA4 Department of Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, USA5 School of Aerospace Engineering und School of Earth and Atmospheric Sciences, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA6 Planetary Science Institute, 1700 East Fort Lowell, Suite 106, Tucson, AZ 85719, USA7 Droplet Measurement Technologies, LLC, 2400 Trade Center Ave, Longmont, CO 80503, USA8 Cloud Measurement Solutions, LLC, 415 Kit Carson Rd., Unit 7 , Taos, NM 87571, USA* Autor, an den die Korrespondenz gerichtet werden sollte.† Mitarbeiter/Mitgliedschaft der Gruppe/Team Der Name wird in den Danksagungen angegeben.

Wissenschaftlicher Herausgeber: Pierre RochusAerospace2022 , 9(8), 445; https://doi.org/10.3390/aerospace9080445Eingegangen: 21. Juli 2022 / Überarbeitet: 10. August 2022 / Angenommen: 11. August 2022 / Veröffentlicht: 13. August 2022|(Dieser Artikel gehört zur Sonderausgabe „The Search for Signs of Life on Venus“. : Wissenschaftsziele und Missionsentwürfe)

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Regelmäßige, kostengünstige wissenschaftliche Missionen der Decadal-Klasse zu Planetenzielen werden durch kleine Raumfahrzeuge mit hohem ΔV, wie das hochenergetische Photon, und kleine Trägerraketen, wie das Electron, ermöglicht, um die Erweiterung der Möglichkeiten für Wissenschaftler zu unterstützen und die zu erhöhen Rendite der Wissenschaft. Bei der Rocket Lab-Mission zur Venus handelt es sich um eine kleine Direkteintrittssonde, deren Basisstart im Mai 2023 geplant ist und Platz für ein einzelnes ca. 1 kg schweres Instrument bietet. Ein Ersatzstartfenster steht im Januar 2025 zur Verfügung. Die Sondenmission wird etwa 5 Minuten in den Wolkenschichten der Venus in 48–60 km Höhe über der Oberfläche verbringen und In-situ-Messungen sammeln. Wir haben uns für ein massearmes und kostengünstiges autofluoreszierendes Nephelometer entschieden, um nach organischen Molekülen in den Wolkenpartikeln zu suchen und die Partikelzusammensetzung einzuschränken.

Schlüsselwörter: Venus; Raketenlabor; Autofluoreszierendes Nephelometer; kleines Raumschiff; kleine Trägerrakete

Rocket Lab hat die technische und finanzielle Verpflichtung übernommen, eine private Mission zur Venus zu fliegen, deren Start im Jahr 2023 geplant ist, um zur Beantwortung der Frage „Sind wir allein im Universum?“ beizutragen. Die spezifischen Ziele der Mission von Rocket Lab sind:

Der Start der Basismission ist für Mai 2023 auf Electron vom Launch Complex 1 (LC-1) des Rocket Lab mit einer Ersatzstartmöglichkeit im Januar 2025 geplant. Die Startmöglichkeit wird so gewählt, dass eine Trans-Venus-Injektion (TVI) möglich ist 24. Mai 2023, nach aufeinanderfolgenden Umlaufbahnen um die Erde und einer Mondschwerkraftunterstützung, wie auf der erfolgreichen CAPSTONE-Mission (Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment) von Rocket Lab für die NASA demonstriert wurde [1]. Die Mission wird einer hyperbolischen Flugbahn folgen, wobei das hochenergetische Photon als Kreuzfahrtstufe fungiert und dann für die wissenschaftliche Phase der Mission eine kleine Sonde in die Venusatmosphäre entsendet. In diesem Artikel beschreiben wir das Photon-Raumschiff, das für den Start mit der kleinen Trägerrakete Electron konzipiert ist (Abschnitt 2), gefolgt von einer Diskussion der Flugbahn des Raumfahrzeugs (Abschnitt 3) und der Atmosphärensonde selbst (Abschnitt 4). Abschnitt 5 fasst das Operationskonzept der Sonde und die Abfolge der Ereignisse in der Wissenschaftsphase zusammen. In Abschnitt 6 fassen wir kurz die wissenschaftlichen Ziele und die wissenschaftliche Instrumentierung der Rocket Lab-Mission 2023 zusammen.

Das hochenergetische Photon (Abbildung 1), das von Rocket Lab für die NASA-Mission CAPSTONE entwickelt wurde, die im Juni 2022 erfolgreich zum Mond startete, und auch für die NASA-Mission Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers (ESCAPADE) zum Mars ausgereift ist 2024 ist ein autarkes kleines Raumschiff, das zu langfristigen interplanetaren Kreuzfahrten fähig ist [2].

Das Energiesystem des Hochenergie-Photons ist konventionell und nutzt Photovoltaik-Solaranlagen und Lithium-Polymer-Sekundärbatterien. Das Lagekontrollsystem umfasst Sternverfolger, Sonnensensoren, eine Trägheitsmesseinheit, Reaktionsräder und ein Kaltgas-Reaktionskontrollsystem (RCS). S-Band- oder Für die Navigation in der Nähe der Erde wird ein GPS-Empfänger (Global Position System) verwendet. ΔV größer als 3 km/s wird von einem speicherbaren, wiederstartbaren Bi-Treibstoff-Antriebssystem namens Hyper Curie bereitgestellt, das elektrische Pumpen verwendet, um unter Druck stehenden Treibstoff einem schubvektorgesteuerten Triebwerk zuzuführen. Die Treibstofftanks erreichen einen hohen Treibstoffmassenanteil und können je nach missionsspezifischen Anforderungen skaliert werden.

Das hochenergetische Photon (Abbildung 2) ist für den Start mit Electron (Abbildung 3), der speziellen kleinen Trägerrakete von Rocket Lab, konzipiert. Electron kann bis zu 300 kg von einem der beiden aktiven, hochmodernen Startplätze in eine Umlaufbahn von 500 km befördern: LC-1 auf der Mahia-Halbinsel in Neuseeland und Launch Complex 2 auf Wallops Island, Virginia. Electron ist eine zweistufige Trägerrakete mit Kick Stage, 18 m hoch, 1,2 m Durchmesser und einer Abhebemasse von ca. 13.000 kg. Der Motor von Electron, der 25 kN Rutherford, wird mit flüssigem Sauerstoff und Kerosin angetrieben, die von elektrischen Pumpen gespeist werden. Rutherford basiert auf einem völlig neuen Antriebszyklus, der bürstenlose Gleichstrom-Elektromotoren und leistungsstarke Lithium-Polymer-Batterien zum Antrieb von Impellerpumpen nutzt. Electrons Stufe 1 verwendet neun Rutherford-Motoren, während Stufe 2 nur einen einzigen Rutherford-Vakuummotor erfordert. Rutherford ist das erste Sauerstoff-/Kohlenwasserstoff-Triebwerk, bei dem für alle Primärkomponenten, einschließlich der regenerativ gekühlten Schubkammer, der Einspritzpumpen und der Haupttreibstoffventile, additive Fertigung zum Einsatz kommt. Alle Rutherford-Motoren auf Electron sind identisch, mit Ausnahme einer Düse mit größerem Expansionsverhältnis auf Stufe 2, die für die Leistung unter Vakuumbedingungen optimiert ist. Das hochenergetische Photon ersetzt die Kick Stage für Elektronenmissionen außerhalb der erdnahen Umlaufbahn (LEO).

Das Elektron liefert zunächst hochenergetische Photonen auf eine kreisförmige Parkbahn (Abbildung 4) um die Erde in etwa 165 km Entfernung. Nach der Trennung von Electrons Stufe 2 führt das hochenergetische Photon vorprogrammierte Verbrennungen durch, um eine vorläufige elliptische Umlaufbahn von 250 km x ~1200 km zu errichten. Das hochenergetische Photon führt dann eine Reihe von Verbrennungen durch zunehmend elliptische Umlaufbahnen durch, wobei jedes Mal die Apogäumshöhe ansteigt, während ein nahezu konstantes Perigäum beibehalten wird, und ein maximales Apogäum von etwa 70.000 km erreicht wird. Die Aufteilung des Abflugs auf mehrere Manöver ist ein effizienter Ansatz zur Erdflucht. Indem Verbrennungen nahe am Perigäum gehalten und ihre Dauer begrenzt werden, wird die Antriebsenergie effizient zur Anhebung des Apogäums genutzt und gleichzeitig die Verbrennungsverluste vermieden, die mit Manövern mit langer Dauer einhergehen. Auf jedes Phasenmanöver folgt eine geplante Anzahl von Phasenumläufen auf der neuen Apogäumshöhe. Phasenumlaufbahnen bieten Zeit für die Navigation im Orbit, die Manöverrekonstruktion und -planung, die Kalibrierung des Antriebssystems und die Konjunktionsüberprüfung. Jedes geplante Manöver umfasst Notfalloptionen, um Konjunktionsereignisse oder verpasste Manöver abzumildern. Nachdem die nominellen Apogäumsanhebungsmanöver durchgeführt wurden, wird ein abschließender Injektionsvorgang durchgeführt, um hochenergetische Photonen auf die Fluchtbahn zu bringen. Flugbahnkorrekturmanöver (TCMs) mithilfe der Hyper-Curie-Engine oder des integrierten RCS werden verwendet, um Feinanpassungen an der Flugbahn vorzunehmen und die entsprechende Eintrittsschnittstelle anzuvisieren.

Im Oktober 2023, nach der Reisephase (Abbildung 5), wird das hochenergetische Photon eine Eintrittsschnittstelle anvisieren, um eine kleine (~20 kg) Sonde mit einem Eintrittsflugbahnwinkel (EFPA) zwischen –10 und –30 direkt in die Atmosphäre zu entsenden Grad, mit einer Basislinie von −10 Grad. Die Sonde kommuniziert direkt mit der Erde über eine S-Band-Kommunikationsverbindung mit einer halbkugelförmigen Antenne, die während des Abstiegs erfasste und an Bord gespeicherte wissenschaftliche Daten zurücksendet. Die Eintrittsschnittstelle wird so ausgewählt, dass sie den wissenschaftlichen Zielen (nachtseitiger Eintritt und Breitengrad-Targeting), der Kommunikationsgeometrie der Erde und anderen Faktoren gerecht wird. Die Auswahl des EFPA erfolgt auf der Grundlage einer Analyse der Eintritts- und Abstiegszeitachse, der integrierten Wärmelast und der erforderlichen Dicke des Wärmeschutzsystems (TPS), der Grenzwerte für die Sondenbeschleunigung (g-Belastung), der Navigationsgenauigkeit und anderer Faktoren.

Die kleine Sonde (Abbildung 6) wird bis zu 1 kg wissenschaftliche Nutzlast enthalten, um nach organischen Chemikalien in den Wolkenpartikeln zu suchen und die Bewohnbarkeit der Wolken zu erkunden. Dabei wird eine Leistung von ca. 330 Sekunden in der Wolkenschicht zwischen ca. 45 und 60 km Höhe erreicht Wissenschaftliche Operationen. Das wissenschaftliche Instrument ist ein autofluoreszierendes Nephelometer (AFN), das in [3] beschrieben wird. Die kleine Sonde ist ein stumpfer Kugelkörper mit einem Halbwinkel von 45 Grad und einem halbkugelförmigen hinteren Körper für statische Stabilität im Hyperschallströmungsbereich [4].

Die Sondenform wurde unter anderem auf der Grundlage der Stabilitätseigenschaften in verschiedenen Strömungsregimen (Hyperschall, Transsonisch, Unterschall usw.) und Einschränkungen bei der Lage des Schwerpunkts geändert.

Der Sondendurchmesser wurde unter Berücksichtigung der erforderlichen Brennweite des Nephelometers und der Größe der Bordsysteme so gewählt, dass er sowohl einen Druckbehälter als auch die Nutzlast des Instruments aufnehmen kann. Die Unterbringung der Sondenelektronik in einem Druckbehälter ermöglicht eine robuste Gesamtkonstruktion. Der Aluminium-Druckbehälter enthält alle Systemkomponenten mit Ausnahme von Thermometern, Drucksensoren und der Sondenantenne und ist von einer strukturellen Isolationsschicht umgeben. Die Isolierung hält den Flugcomputer, das Funkgerät und das Instrument auf einem geeigneten Betriebsdruck, fungiert als Wärmesenke zur Aufrechterhaltung zulässiger Betriebstemperaturen und fungiert als Barriere gegen die korrosive Atmosphäre der Venus.

Die Wandstärke des Druckbehälters wird von drei Hauptüberlegungen bestimmt: der Materialmasse, die erforderlich ist, um die thermische Belastung sowohl der inneren Komponenten als auch der venusianischen Umgebung zu absorbieren, und dem Druck, dem der Behälter standhalten muss, um die Übertragung wissenschaftlicher Daten für die erforderliche Zeitspanne zu ermöglichen einmal durch die Wolkenschicht, wenn sich Druck und Temperatur aufbauen, und die Herstellungsmethoden. Bei einer Grundliniendicke von 2 mm sind die treibenden Einschränkungen Best Practices bei der Herstellung, die einen gewissen Spielraum gegen Erhöhungen des Wärme-, Leistungs- und Datenbudgets bieten.

Das TPS-Material des Sondenvorderteils besteht entweder aus Hitzeschild für extreme Eintrittsumgebungen (HEEET) oder aus Kohlenstoffphenol, während das TPS-Material des Hinterteils aus hochfrequenztransparentem (RF) und säurebeständigem Polytetrafluorethylen (PTFE, z. B. Teflon™) besteht.

Die Sonde folgt während der Wissenschaftsphase der folgenden Abfolge von Ereignissen (Abbildung 7), wobei der absolute Zeitpunkt vom ausgewählten EFPA abhängt (dargestellt: −10 Grad Basislinie):

Durch die Wolkenschicht und darunter werden die wissenschaftlichen Daten mit optimierten Datenraten direkt zur Erde übertragen. Ziele unterhalb der Wolkenschicht, wie etwa die Möglichkeit, wissenschaftliche Beobachtungen mit dem Primärinstrument fortzusetzen oder Umweltdaten zurückzugeben, werden nur nach bestem Wissen und Gewissen durchgeführt.

Die Mission ist die erste Gelegenheit seit fast vier Jahrzehnten, die Wolkenpartikel der Venus direkt zu untersuchen. Trotz der Massen- und Datenratenbeschränkungen und der begrenzten Zeit in der Venusatmosphäre ist ein Durchbruch in der Wissenschaft möglich. Wir haben uns für ein massearmes und kostengünstiges autofluoreszierendes Nephelometer (AFN) entschieden, um die wissenschaftlichen Ziele der Rocket Lab Mission zu erfüllen [3].

Die übergeordneten wissenschaftlichen Ziele sind die Suche nach Beweisen für Leben oder Bewohnbarkeit in den Venuswolken. Es gibt zwei spezifische wissenschaftliche Ziele: die Suche nach dem Vorhandensein organischer Moleküle in Wolkenschichtpartikeln und die Bestimmung der Form und der Brechungsindizes (ein Indikator für die Zusammensetzung) der Mode-3-Wolkenpartikel. Siehe [3] für eine detaillierte Beschreibung der AFN-Instrumentenentwicklung. Zur Diskussion der Motivation und der allgemeinen wissenschaftlichen Ziele der Venus Life Finder (VLF)-Missionen siehe [5].

Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, RF und CM; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, RF, CM, RH, EM, DS, PB, SS, JJP, CEC, DHG und DB Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Raketenlabor.

Unzutreffend.

Unzutreffend.

Unzutreffend.

Wir danken dem Rocket Lab Venus Team und dem Venus Life Finder (VLF) Missionsteam für nützliche Diskussionen. Personen, die als Rocket Lab Venus Team beteiligt sind, finden Sie hier: https://www.rocketlabusa.com/, abgerufen am 12. August 2022.

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

© 2022 bei den Autoren. Lizenznehmer MDPI, Basel, Schweiz. Bei diesem Artikel handelt es sich um einen Open-Access-Artikel, der unter den Bedingungen der Creative Commons Attribution (CC BY)-Lizenz (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) verbreitet wird.

Trotz all der Kommentare, die ich gesehen habe, dass die Erforschung des Weltraums aufgrund des fehlenden ROI niemals kommerziell finanziert werden wird, ist es schön zu sehen, dass Rocket Lab dies aus eigener Tasche tut. Ich bezweifle, dass dadurch die Möglichkeit eines ROI ausgeschlossen ist, da der Nachweis der Fähigkeit ihnen dabei helfen könnte, künftige Verträge abzuschließen.

Das ist so cool. Ich hoffe, dass es wie geplant funktioniert und sie im Jahr 2023 starten können.

Eine Atmosphärenprobenahme-Mission ist wirklich ehrgeizig.

Ich hoffe, dass Rocket Lab nicht durch irgendwelche Vorwärtskontaminationsprobleme aus der Fassung gebracht wird.

Da dies eine private neuseeländische Mission ist. RocketLab (eigentlich Peter Beck) muss sich nur mit der NZSA auseinandersetzen, nicht mit der NASA und ihrem extremen Planetenschutzsystem.

Falsch. Sie schlagen in dem Artikel vor, das Deep Space Network für die Datenrückgabe zu nutzen. An diesem Punkt würde ich vermuten, dass sie alle NASA-Vorschriften einhalten müssen.

Nicht wirklich. Es ist die NZSA, die diese Mission regulieren wird, nicht die NASA.

Das ist für das, was ich gesagt habe, irrelevant. Wenn sie NASA-Einrichtungen für die Datenrückgabe nutzen wollen, gelten die NASA-Regeln. Es spielt keine Rolle, wer die Mission reguliert.

Neuseeland unterliegt dem OST von 1967 und Artikel IX deckt den Schutz des Planeten ab, während Artikel VI ihm die volle Verantwortung für die Handlungen von RocketLab als neuseeländisches Unternehmen zuschreibt. Die neuseeländische Regierung hat außerdem die Artemis-Abkommen unterzeichnet, was bedeutet, dass sie mit den Vereinigten Staaten und anderen Artemis-Nationen an Standards für die Weltraumforschung zusammenarbeiten wird.

Das bedeutet, dass RocketLab und die neuseeländische Regierung sich an die gleichen UN-COSPAR-Empfehlungen zum Schutz des Planeten halten werden. Es liegt also an der New Zealand Space Agency, wahrscheinlich mit Unterstützung der NASA, sicherzustellen, dass die richtigen Planetenschutzstandards eingehalten werden.

Verschiedene Raumfahrtbehörden interpretieren Artikel IX der OST unterschiedlich. Und die UN-COSPAR-Pflanzenschutzempfehlungen sind nur Empfehlungen.

Die NZSA konnte dem extremen Planetenschutzregime der NASA folgen und hat diese Mission einfach abgesagt. Allerdings wird das in Neuseeland politisch nicht akzeptabel sein.

Die UN-COSPAR-Empfehlungen müssen in Zukunft drastisch geändert werden, um für bemannte Planetenmissionen relevant zu sein. Was mit den aktuellen Empfehlungen nicht vereinbar ist.

Los, los, Raketenlabor!

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