Una descripción de la misión de Rocket Lab a Venus

Nov 14, 2023

Publicado originalmente porRevistas de acceso abierto MDPI

porricardo francés1,*,christophe mandy1,ricardo cazador1,Ehsan Mosleh1,doug sinclair1,Pedro Beck1,Sara Seager2,3,4,Janusz J. Petkowski2,Christopher E Carr5,David H. Grinspoon6,darrel baumgardner7,8 y en nombre del Rocket Lab Venus Team †1

Rocket Lab, 3881 McGowen Street, Long Beach, CA 90808, EE. UU.2 Departamento de Ciencias Planetarias, Atmosféricas y de la Tierra, Instituto de Tecnología de Massachusetts, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, EE. UU.3 Departamento de Física, Instituto de Tecnología de Massachusetts, 77 Massachusetts Avenue , Cambridge, MA 02139, EE. UU.4 Departamento de Aeronáutica y Astronáutica, Instituto de Tecnología de Massachusetts, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, EE. UU.5 Escuela de Ingeniería Aeroespacial y Escuela de Ciencias Atmosféricas y de la Tierra, Instituto de Tecnología de Georgia, Atlanta, GA 30332, EE. UU.6 Instituto de Ciencias Planetarias, 1700 East Fort Lowell, Suite 106, Tucson, AZ 85719, EE. UU.7 Tecnologías de medición de gotas, LLC, 2400 Trade Center Ave, Longmont, CO 80503, EE. UU.8 Soluciones de medición en la nube, LLC, 415 Kit Carson Rd., Unidad 7 , Taos, NM 87571, EE. UU.* Autor a quien debe dirigirse la correspondencia.† Colaboradores/Membresía del grupo/Equipo El nombre se proporciona en los Agradecimientos.

Editor académico: Pierre RochusAerospace2022 , 9(8), 445; https://doi.org/10.3390/aerospace9080445Recibido: 21 julio 2022 / Revisado: 10 agosto 2022 / Aceptado: 11 agosto 2022 / Publicado: 13 agosto 2022|(Este artículo pertenece al Número Especial La Búsqueda de Señales de Vida en Venus : Objetivos científicos y diseños de misión)

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Las misiones científicas de clase Decadal regulares y de bajo costo a destinos planetarios serán posibles mediante pequeñas naves espaciales de alto ΔV, como el Photon de alta energía, y pequeños vehículos de lanzamiento, como Electron, para apoyar la expansión de oportunidades para los científicos y aumentar la tasa de retorno de la ciencia. La misión Rocket Lab a Venus es una pequeña sonda de entrada directa planificada para el lanzamiento de referencia en mayo de 2023 con alojamiento para un solo instrumento de ~1 kg. Una ventana de lanzamiento de respaldo está disponible en enero de 2025. La misión de la sonda pasará unos 5 minutos en las capas de nubes de Venus a una altitud de 48 a 60 km sobre la superficie y recopilará mediciones in situ. Hemos elegido un nefelómetro autofluorescente de bajo costo y baja masa para buscar moléculas orgánicas en las partículas de la nube y restringir la composición de las partículas.

Palabras clave: Venus; laboratorio de cohetes; nefelómetro autofluorescente; pequeña nave espacial; pequeño vehículo de lanzamiento

Rocket Lab ha asumido el compromiso financiero y de ingeniería para volar una misión privada a Venus, con el objetivo de lanzarla en 2023, para ayudar a responder la pregunta "¿Estamos solos en el universo?". Los objetivos específicos de la misión de Rocket Lab son:

El lanzamiento de la misión de referencia está planificado para mayo de 2023 en Electron desde el Complejo de lanzamiento 1 (LC-1) de Rocket Lab con una oportunidad de lanzamiento de respaldo en enero de 2025. La oportunidad de lanzamiento se seleccionará para permitir una Inyección Trans-Venus (TVI) en 24 de mayo de 2023, después de órbitas secuenciales alrededor de la Tierra y una asistencia de gravedad lunar, como se demostró en la exitosa misión Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment (CAPSTONE) de Rocket Lab para la NASA [1]. La misión seguirá una trayectoria hiperbólica con el Photon de alta energía actuando como etapa de crucero y luego desplegando una pequeña sonda en la atmósfera de Venus para la fase científica de la misión. En este documento, describimos la nave espacial Photon diseñada para su lanzamiento en el pequeño vehículo de lanzamiento Electron (Sección 2), seguida de la discusión de la trayectoria de la nave espacial (Sección 3) y la sonda atmosférica en sí (Sección 4). La sección 5 resume el concepto de operaciones de la sonda y la secuencia de eventos de la fase científica. En la Sección 6, resumimos brevemente los objetivos científicos y la instrumentación científica de la misión 2023 Rocket Lab.

El fotón de alta energía (Figura 1), desarrollado por Rocket Lab para la misión CAPSTONE de la NASA que se lanzó con éxito a la luna en junio de 2022 y que también está madurando para la misión Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers (ESCAPADE) de la NASA que se lanzará a Marte en 2024, es una pequeña nave espacial autosuficiente capaz de realizar un crucero interplanetario de larga duración [2].

El sistema de energía de alta energía de Photon es convencional, utilizando paneles solares fotovoltaicos y baterías secundarias de polímero de litio. El sistema de control de actitud incluye rastreadores de estrellas, sensores solares, una unidad de medición inercial, ruedas de reacción y un sistema de control de reacción de gas frío (RCS). Los transpondedores de rango de RF de banda S o banda X admiten comunicaciones con la red de espacio profundo (DSN) o con redes comerciales y permiten métodos tradicionales de navegación radiométrica en el espacio profundo. Se utiliza un receptor del Sistema de posición global (GPS) para la navegación cerca de la Tierra. ΔV superior a 3 km/s es proporcionado por un sistema de propulsión de bipropulsor reiniciable y almacenable llamado Hyper Curie que utiliza bombas eléctricas para suministrar propulsor presurizado a un motor controlado por vector de empuje. Los tanques de propulsor logran una alta fracción de masa de propulsor y se pueden escalar para satisfacer las necesidades específicas de la misión.

El Photon de alta energía (Figura 2) está diseñado para ser lanzado en Electron (Figura 3), el pequeño vehículo de lanzamiento exclusivo de Rocket Lab. Electron puede elevar hasta 300 kg a una órbita de 500 km desde cualquiera de los dos sitios de lanzamiento activos y de última generación: LC-1 en la península de Mahia en Nueva Zelanda y Launch Complex 2 en Wallops Island, Virginia. Electron es un vehículo de lanzamiento de dos etapas con Kick Stage, con una altura de 18 m, un diámetro de 1,2 m y una masa de despegue de ~13 000 kg. El motor de Electron, el Rutherford de 25 kN, funciona con oxígeno líquido y queroseno alimentados por bombas eléctricas. Rutherford se basa en un ciclo de propulsión completamente nuevo que utiliza motores eléctricos de corriente continua sin escobillas y baterías de polímero de litio de alto rendimiento para impulsar las bombas impulsoras. La etapa 1 de Electron usa nueve motores Rutherford, mientras que la etapa 2 requiere solo un motor de vacío Rutherford. Rutherford es el primer motor de oxígeno/hidrocarburo que utiliza fabricación aditiva para todos los componentes principales, incluida la cámara de empuje enfriada regenerativamente, las bombas de inyección y las válvulas principales de propulsor. Todos los motores Rutherford en Electron son idénticos, excepto por una boquilla de relación de expansión más grande en la Etapa 2 optimizada para el rendimiento en condiciones de casi vacío. El Photon de alta energía reemplaza al Kick Stage para las misiones Electron más allá de la órbita terrestre baja (LEO).

Electron primero envía Photon de alta energía a una órbita de estacionamiento circular (Figura 4) alrededor de la Tierra a aproximadamente 165 km. Después de separarse de la Etapa 2 de Electron, Photon de alta energía realiza encendidos preprogramados para establecer una órbita elíptica preliminar de 250 km por ~1200 km. Photon de alta energía luego realiza una serie de encendidos a través de órbitas cada vez más elípticas, elevando cada vez la altitud del apogeo mientras mantiene un perigeo casi constante, alcanzando un apogeo máximo de aproximadamente 70,000 km. Romper la partida a través de múltiples maniobras es un enfoque eficiente para escapar de la Tierra. Manteniendo las quemas cerca del perigeo y limitando su duración, la energía propulsora se gasta eficientemente aumentando el apogeo mientras se evitan las pérdidas por quemadura asociadas con las maniobras de larga duración. Cada maniobra de cambio de fase es seguida por un número planeado de órbitas de cambio de fase a la nueva altitud de apogeo. Las órbitas en fase proporcionan tiempo para la navegación en órbita, la reconstrucción y planificación de maniobras, la calibración del sistema de propulsión y la detección de conjunciones. Cada maniobra planificada incluye opciones de contingencia para mitigar eventos de conjunción o maniobras perdidas. Después de realizar las maniobras de elevación del apogeo nominal, se ejecuta una quemadura de inyección final para colocar Photon de alta energía en la trayectoria de escape. Las maniobras de corrección de trayectoria (TCM) que utilizan el motor Hyper Curie o el RCS integrado se utilizan para realizar ajustes precisos en la trayectoria y apuntar a la interfaz de entrada adecuada.

En octubre de 2023, después de la fase de crucero (Figura 5), ​​Photon de alta energía apuntará a una interfaz de entrada para desplegar una sonda pequeña (~20 kg) directamente en la atmósfera con un ángulo de trayectoria de vuelo de entrada (EFPA) entre −10 y −30 grados, con una línea de base de -10 grados. La sonda se comunica directamente con la Tierra a través de un enlace de comunicaciones de banda S con una antena hemisférica que devuelve datos científicos capturados durante el descenso y almacenados a bordo. La interfaz de entrada se seleccionará para satisfacer los objetivos científicos (entrada del lado nocturno y selección de latitud), geometría de comunicación terrestre y otros factores. El EFPA se seleccionará en función de un análisis de la línea de tiempo de entrada y descenso, la carga de calor integrada y el espesor requerido del sistema de protección térmica (TPS), los límites de aceleración de la sonda (carga g), la precisión de navegación y otros factores.

La pequeña sonda (Figura 6) contendrá hasta 1 kg de carga útil científica para buscar sustancias químicas orgánicas en las partículas de las nubes y explorar la habitabilidad de las nubes, logrando ~330 s en la capa de nubes entre ~45–60 km de altitud para realizar operaciones científicas. El instrumento científico es un nefelómetro autofluorescente (AFN) descrito en [3]. La sonda pequeña es un cuerpo romo de cono esférico de ángulo medio de 45 grados y ~ 40 cm de diámetro con un cuerpo trasero hemisférico para la estabilidad estática en el régimen de flujo hipersónico [4].

La forma de la sonda se cambió en función de las características de estabilidad en varios regímenes de flujo (hipersónico, transónico, subsónico, etc.) y las restricciones de ubicación del centro de gravedad, entre otras consideraciones.

El diámetro de la sonda se seleccionó para acomodar un recipiente a presión, así como la carga útil del instrumento, considerando la distancia focal requerida del nefelómetro y el tamaño de los sistemas a bordo. El alojamiento de la electrónica de la sonda en un recipiente a presión permite un diseño general robusto. El recipiente a presión de aluminio contiene todos los componentes del sistema, excepto los termómetros, los sensores de presión y la antena de la sonda, y está rodeado por una capa de aislamiento estructural. El aislamiento mantiene la computadora de vuelo, la radio y el instrumento a una presión operativa adecuada, actuando como un disipador térmico para mantener las temperaturas operativas permitidas y actuando como una barrera contra la corrosiva atmósfera de Venus.

El grosor de la pared del recipiente a presión depende de tres consideraciones principales: la masa de material necesaria para absorber la carga térmica de los componentes internos y del entorno de Venus, la presión que debe soportar el recipiente para permitir la transmisión de datos científicos durante el tiempo requerido una vez a través de la capa de nubes a medida que aumenta la presión y la temperatura, y los métodos de fabricación. Con un grosor de línea de base de 2 mm, las restricciones de conducción son las mejores prácticas de fabricación, lo que brinda cierto margen contra los aumentos en los presupuestos térmicos, de energía y de datos.

El material TPS de la parte delantera de la sonda es un escudo térmico para entornos de entrada extrema (HEEET) o fenólico de carbono con el material TPS de la parte trasera de un politetrafluoroetileno (PTFE, por ejemplo, Teflon™) transparente a la radiofrecuencia (RF) y resistente a los ácidos.

La sonda seguirá la siguiente secuencia de eventos durante la fase científica (Figura 7), con un tiempo absoluto que depende del EFPA seleccionado (se muestra la línea base de -10 grados):

A través de la capa de nubes y por debajo, los datos científicos se transmitirán directamente a la Tierra a velocidades de datos optimizadas. Los objetivos por debajo de la capa de nubes, como la posibilidad de continuar con las observaciones científicas con el instrumento principal o devolver datos ambientales, se realizarán únicamente sobre la base del mejor esfuerzo.

La misión es la primera oportunidad de sondear las partículas de la nube de Venus directamente en casi cuatro décadas. Incluso con las restricciones de masa y velocidad de datos y el tiempo limitado en la atmósfera de Venus, la ciencia revolucionaria es posible. Hemos elegido un nefelómetro autofluorescente (AFN) de bajo costo y baja masa para cumplir con los objetivos científicos de Rocket lab Mission [3].

Los objetivos científicos generales son la búsqueda de evidencia de vida o habitabilidad en las nubes de Venus. Hay dos objetivos científicos específicos: buscar la presencia de moléculas orgánicas dentro de las partículas de la capa de nubes y determinar la forma y los índices de refracción (un indicador de la composición) de las partículas de la nube Modo 3. Consulte [3] para obtener una descripción detallada del desarrollo del instrumento AFN. Para una discusión sobre la motivación y los objetivos científicos generales de las misiones Venus Life Finder (VLF), consulte [5].

Redacción—preparación del borrador original, RF y CM; redacción: revisión y edición, RF, CM, RH, EM, DS, PB, SS, JJP, CEC, DHG y DB Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Laboratorio de cohetes.

No aplica.

No aplica.

No aplica.

Agradecemos al equipo Rocket Lab Venus y al equipo de la misión Venus Life Finder (VLF) por sus útiles debates. Las personas involucradas como Rocket Lab Venus Team se pueden encontrar aquí: https://www.rocketlabusa.com/, consultado el 12 de agosto de 2022.

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

© 2022 por los autores. Licenciatario MDPI, Basilea, Suiza. Este artículo es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos y condiciones de la licencia Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Por todos los comentarios que he visto de que la falta de retorno de la inversión significa que la exploración espacial nunca se financiará comercialmente, es agradable ver a Rocket Lab haciendo esto por su cuenta. Dudo que eso elimine la posibilidad de ROI, ya que demostrar la capacidad puede ayudarlos a obtener futuros contratos.

Esto es genial. Espero que funcione según lo planeado y que puedan lanzarse en 2023.

Una misión de muestreo atmosférico es realmente ambiciosa.

Espero que Rocket Lab no se tropiece con ningún problema de contaminación frontal.

Dado que esta es una misión privada de Nueva Zelanda. RocketLab (realmente Peter Beck) solo tendrá que lidiar con NZSA, no con la NASA y su régimen de protección planetaria extrema.

Equivocado. Proponen en el artículo utilizar la Red del Espacio Profundo para el retorno de datos. En ese momento, supongo que tienen que cumplir con todas las normas de la NASA.

No precisamente. Es la NZSA la que regulará esta misión, no la NASA.

Eso es irrelevante para lo que dije. Si quieren utilizar las instalaciones de la NASA para la devolución de datos, se aplican las reglas de la NASA. No importa quién esté regulando la misión.

Nueva Zelanda está bajo el OST de 1967 y el Artículo IX cubre la protección planetaria, mientras que el Artículo VI lo hace totalmente responsable de las acciones de RocketLab como una empresa de Nueva Zelanda. El gobierno de Nueva Zelanda también firmó los Acuerdos de Artemis, lo que significa que trabajará con los Estados Unidos y otras naciones de Artemis en los estándares para la exploración espacial.

Esto significa que RocketLab y el gobierno de Nueva Zelanda estarán sujetos a las mismas recomendaciones de COSPAR de la ONU sobre protección planetaria. Por lo tanto, dependerá de la Agencia Espacial de Nueva Zelanda, probablemente con el apoyo de la NASA, garantizar que se sigan los estándares de protección planetaria adecuados.

Diferentes agencias espaciales tienen una interpretación diferente del Artículo IX del OST. Y las recomendaciones de protección planetaria del COSPAR de la ONU son solo recomendaciones.

La NZSA podría seguir el régimen extremo de protección planetaria de la NASA y acaba de cancelar esta misión. Sin embargo, eso no será políticamente aceptable en Nueva Zelanda.

Las recomendaciones de COSPAR de la ONU tendrán que cambiar drásticamente en el futuro para que sean relevantes con las misiones planetarias tripuladas. Lo cual es incompatible con las recomendaciones actuales.

¡Vamos, vamos, laboratorio de cohetes!

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