Une description de la mission de Rocket Lab vers Vénus

Nov 14, 2023

Publié à l'origine parRevues MDPI en libre accès

parRichard Français1,*,Christophe Mandy1,Richard Hunter1,Ehsan Mosleh1,Doug Sinclair1,Pierre Beck1,Sara Seager2,3,4,Janusz J. Petkowski2,Christopher E. Carr5,David H. Grinspoon6,Darrel Baumgardner7,8 et au nom de l'équipe Rocket Lab Venus †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 and 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* Auteur à qui la correspondance doit être adressée.† Collaborateurs/Appartenance au groupe/Équipe Le nom est fourni dans les Remerciements.

Rédacteur Académique : Pierre RochusAerospace2022 , 9(8), 445 ; https://doi.org/10.3390/aerospace9080445Reçu : 21 juillet 2022 / Révisé : 10 août 2022 / Accepté : 11 août 2022 / Publié : 13 août 2022 | (Cet article appartient au numéro spécial La recherche de signes de vie sur Vénus : objectifs scientifiques et plans de mission)

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Des missions scientifiques régulières et peu coûteuses de classe Décennale vers des destinations planétaires seront rendues possibles par de petits engins spatiaux à ΔV élevé, tels que le Photon à haute énergie, et de petits lanceurs, tels qu'Electron, afin de soutenir l'expansion des opportunités pour les scientifiques et d'augmenter le taux de retour scientifique. La mission Rocket Lab sur Vénus est une petite sonde à entrée directe dont le lancement de référence est prévu en mai 2023 avec un logement pour un seul instrument d'environ 1 kg. Une fenêtre de lancement de secours est disponible en janvier 2025. La mission de la sonde passera environ 5 minutes dans les couches nuageuses de Vénus à 48–60 km d'altitude au-dessus de la surface et collectera des mesures in situ. Nous avons choisi un néphélomètre autofluorescent à faible masse et à faible coût pour rechercher des molécules organiques dans les particules du nuage et contraindre la composition des particules.

Mots clés : Vénus ; Rocket Lab; néphélomètre autofluorescent ; petit vaisseau spatial; petit lanceur

Rocket Lab a pris l'engagement technique et financier d'effectuer une mission privée vers Vénus, avec un objectif de lancement en 2023, pour aider à répondre à la question "Sommes-nous seuls dans l'univers?". Les objectifs spécifiques de la mission de Rocket Lab sont de :

Le lancement de la mission de base est prévu en mai 2023 sur Electron depuis le complexe de lancement 1 (LC-1) de Rocket Lab avec une opportunité de lancement de secours en janvier 2025. L'opportunité de lancement sera sélectionnée pour permettre une injection transvénusienne (TVI) le 24 mai 2023, après des orbites séquentielles en phase autour de la Terre et une assistance gravitationnelle lunaire, comme cela a été démontré lors de l'expérience réussie d'exploitation et de navigation de la technologie du système de positionnement autonome Cislunar de Rocket Lab (CAPST ONE) pour la NASA [1]. La mission suivra une trajectoire hyperbolique avec le photon à haute énergie jouant le rôle d'étape de croisière, puis déployant une petite sonde dans l'atmosphère de Vénus pour la phase scientifique de la mission. Dans cet article, nous décrivons le vaisseau spatial Photon conçu pour être lancé sur le petit lanceur Electron (Section 2) suivi de la discussion de la trajectoire du vaisseau spatial (Section 3) et de la sonde atmosphérique elle-même (Section 4). La section 5 résume le concept d'opérations de la sonde et la séquence d'événements de la phase scientifique. Dans la section 6, nous résumons brièvement les objectifs scientifiques et l'instrumentation scientifique de la mission 2023 Rocket Lab.

Le photon à haute énergie (Figure 1), développé par Rocket Lab pour la mission CAPSTONE de la NASA qui a été lancée avec succès sur la Lune en juin 2022 et également en cours de maturation pour la mission NASA Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers (ESCAPADE) lancée sur Mars en 2024, est un petit vaisseau spatial autonome capable d'une croisière interplanétaire de longue durée [2].

Le système d'alimentation du Photon à haute énergie est conventionnel, utilisant des panneaux solaires photovoltaïques et des batteries secondaires au lithium-polymère. Le système de contrôle d'attitude comprend des suiveurs stellaires, des capteurs solaires, une unité de mesure inertielle, des roues de réaction et un système de contrôle de réaction à gaz froid (RCS). Les transpondeurs RF en bande S ou en bande X prennent en charge les communications avec le Deep Space Network (DSN) ou avec les réseaux commerciaux et permettent les méthodes traditionnelles de navigation radiométrique dans l'espace lointain. Un récepteur GPS (Global Position System) est utilisé pour la navigation près de la Terre. Un ΔV supérieur à 3 km/s est fourni par un système de propulsion à biergol mémorisable et redémarrable appelé Hyper Curie utilisant des pompes électriques pour fournir un ergol sous pression à un moteur à commande vectorielle de poussée. Les réservoirs de propulseur atteignent une fraction massique élevée de propulseur et peuvent être mis à l'échelle pour répondre aux besoins spécifiques à la mission.

Le Photon à haute énergie (Figure 2) est conçu pour être lancé sur Electron (Figure 3), le petit lanceur dédié de Rocket Lab. Electron peut soulever jusqu'à 300 kg sur une orbite de 500 km depuis l'un des deux sites de lancement actifs à la pointe de la technologie : LC-1 sur la péninsule de Mahia en Nouvelle-Zélande et Launch Complex 2 sur l'île de Wallops, en Virginie. Electron est un lanceur à deux étages avec un Kick Stage, mesurant 18 m de haut avec un diamètre de 1,2 m et une masse au décollage d'environ 13 000 kg. Le moteur d'Electron, le Rutherford de 25 kN, est alimenté par de l'oxygène liquide et du kérosène alimentés par des pompes électriques. Rutherford est basé sur un cycle de propulsion entièrement nouveau qui utilise des moteurs électriques à courant continu sans balais et des batteries lithium-polymère hautes performances pour entraîner les pompes à turbine. L'étape 1 d'Electron utilise neuf moteurs Rutherford tandis que l'étape 2 ne nécessite qu'un seul moteur à vide Rutherford. Rutherford est le premier moteur oxygène/hydrocarbure à utiliser la fabrication additive pour tous les composants primaires, y compris la chambre de poussée refroidie par régénération, les pompes d'injection et les soupapes de propulseur principales. Tous les moteurs Rutherford sur Electron sont identiques, à l'exception d'une buse à taux d'expansion plus grand sur l'étape 2 optimisée pour des performances dans des conditions de quasi-vide. Le Photon à haute énergie remplace le Kick Stage pour les missions Electron au-delà de l'orbite terrestre basse (LEO).

L'électron envoie d'abord un photon à haute énergie sur une orbite de stationnement circulaire (Figure 4) autour de la Terre à environ 165 km. Après s'être séparé de l'étape 2 d'Electron, Photon à haute énergie effectue des brûlures préprogrammées pour établir une orbite elliptique préliminaire de 250 km sur ~ 1200 km. Photon à haute énergie effectue ensuite une série de brûlures sur des orbites de plus en plus elliptiques, augmentant à chaque fois l'altitude de l'apogée tout en maintenant un périgée presque constant, atteignant une apogée maximale d'environ 70 000 km. Briser le départ à travers plusieurs manœuvres est une approche efficace pour s'échapper de la Terre. En maintenant les brûlures proches du périgée et en limitant leur durée, l'énergie propulsive est dépensée efficacement pour augmenter l'apogée tout en évitant les pertes de brûlure associées aux manœuvres de longue durée. Chaque manœuvre de mise en phase est suivie d'un nombre planifié d'orbites de mise en phase à la nouvelle altitude d'apogée. Les orbites en phase fournissent du temps pour la navigation en orbite, la reconstruction et la planification des manœuvres, l'étalonnage du système de propulsion et le dépistage des conjonctions. Chaque manœuvre planifiée comprend des options d'urgence pour atténuer les événements de conjonction ou les manœuvres manquées. Une fois les manœuvres d'élévation de l'apogée nominale effectuées, une injection finale est exécutée pour placer le photon à haute énergie sur la trajectoire d'échappement. Des manœuvres de correction de trajectoire (TCM) utilisant le moteur Hyper Curie ou le RCS intégré permettent d'ajuster finement la trajectoire et de cibler l'interface d'entrée appropriée.

En octobre 2023, après la phase de croisière (Figure 5), Photon à haute énergie ciblera une interface d'entrée pour déployer une petite sonde (~ 20 kg) directement dans l'atmosphère avec un angle de trajectoire de vol d'entrée (EFPA) compris entre -10 et -30 degrés, avec une ligne de base de -10 degrés. La sonde communique directement vers la Terre via une liaison de communication en bande S avec une antenne hémisphérique renvoyant des données scientifiques capturées pendant la descente et stockées à bord. L'interface d'entrée sera sélectionnée pour satisfaire les objectifs scientifiques (entrée côté nuit et ciblage en latitude), la géométrie des communications terrestres et d'autres facteurs. L'EFPA sera sélectionné sur la base d'une analyse de la chronologie d'entrée et de descente, de la charge thermique intégrée et de l'épaisseur requise du système de protection thermique (TPS), des limites d'accélération de la sonde (charge g), de la précision de navigation et d'autres facteurs.

La petite sonde (Figure 6) contiendra jusqu'à 1 kg de charge utile scientifique pour rechercher des produits chimiques organiques dans les particules nuageuses et explorer l'habitabilité des nuages, atteignant ~ 330 s dans la couche nuageuse entre ~ 45 et 60 km d'altitude pour effectuer des opérations scientifiques. L'instrument scientifique est un néphélomètre autofluorescent (AFN) décrit dans [3]. La petite sonde est un corps conique sphérique à demi-angle de 45 degrés de diamètre d'environ 40 cm avec un corps arrière hémisphérique pour la stabilité statique dans le régime d'écoulement hypersonique [4].

La forme de la sonde a été négociée en fonction des caractéristiques de stabilité dans divers régimes d'écoulement (hypersonique, transsonique, subsonique, etc.) et des contraintes d'emplacement du centre de gravité, entre autres considérations.

Le diamètre de la sonde a été choisi pour accueillir un récipient sous pression ainsi que la charge utile de l'instrument, compte tenu de la distance focale requise du néphélomètre et de la taille des systèmes embarqués. Le logement de l'électronique de la sonde dans un récipient sous pression permet une conception globale robuste. Le récipient sous pression en aluminium contient tous les composants du système à l'exception des thermomètres, des capteurs de pression et de l'antenne de la sonde et est entouré d'une couche d'isolation structurelle. L'isolation maintient l'ordinateur de vol, la radio et l'instrument à une pression de fonctionnement appropriée, agissant comme un dissipateur thermique pour maintenir les températures de fonctionnement admissibles et agit comme une barrière contre l'atmosphère corrosive de Vénus.

L'épaisseur de la paroi du récipient sous pression est déterminée par trois considérations principales : la masse de matériau nécessaire pour absorber la charge thermique des composants internes et de l'environnement vénusien, la pression que le récipient doit supporter pour permettre la transmission des données scientifiques pendant la durée requise une fois à travers la couche nuageuse à mesure que la pression et la température augmentent, et les méthodes de fabrication. Avec une épaisseur de base de 2 mm, les contraintes motrices sont les meilleures pratiques de fabrication, offrant une certaine marge contre les augmentations des budgets thermiques, de puissance et de données.

Le matériau TPS de l'avant-corps de la sonde est soit un bouclier thermique pour environnement d'entrée extrême (HEEET) ou du carbone phénolique avec le matériau TPS arrière un polytétrafluoroéthylène (PTFE) transparent et résistant aux acides (PTFE, par exemple, Teflon™).

La sonde suivra la séquence d'événements suivante pendant la phase scientifique (Figure 7), avec une synchronisation absolue dépendant de l'EFPA sélectionné (ligne de base de -10 degrés illustrée) :

À travers la couche nuageuse et en dessous, les données scientifiques seront transmises directement à la Terre à des débits de données optimisés. Les objectifs sous la couche nuageuse, tels que la possibilité de poursuivre les observations scientifiques avec l'instrument principal ou de renvoyer des données environnementales, seront réalisés uniquement dans la mesure du possible.

La mission est la première occasion de sonder directement les particules du nuage de Vénus depuis près de quatre décennies. Même avec les contraintes de masse et de débit de données et le temps limité dans l'atmosphère de Vénus, une percée scientifique est possible. Nous avons choisi un néphélomètre autofluorescent (AFN) à faible masse et à faible coût pour répondre aux objectifs scientifiques de Rocket lab Mission [3].

Les objectifs scientifiques primordiaux sont la recherche de preuves de vie ou d'habitabilité dans les nuages ​​vénusiens. Il y a deux objectifs scientifiques spécifiques : rechercher la présence de molécules organiques dans les particules de la couche nuageuse et déterminer la forme et les indices de réfraction (un indicateur de composition) des particules nuageuses de Mode 3. Voir [3] pour la description détaillée du développement de l'instrument AFN. Pour une discussion sur la motivation et les objectifs scientifiques généraux des missions Venus Life Finder (VLF), voir [5].

Rédaction—préparation du brouillon original, RF et CM ; rédaction—révision et édition, RF, CM, RH, EM, DS, PB, SS, JJP, CEC, DHG et DB Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Laboratoire de fusée.

N'est pas applicable.

N'est pas applicable.

N'est pas applicable.

Nous remercions l'équipe Rocket Lab Venus et l'équipe de la mission Venus Life Finder (VLF) pour des discussions utiles. Les personnes impliquées dans l'équipe Rocket Lab Venus peuvent être trouvées ici : https://www.rocketlabusa.com/, consulté le 12 août 2022.

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.

© 2022 par les auteurs. Licencié MDPI, Bâle, Suisse. Cet article est un article en libre accès distribué selon les termes et conditions de la licence Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Malgré tous les commentaires que j'ai vus selon lesquels le manque de retour sur investissement signifie que l'exploration spatiale ne sera jamais financée commercialement, il est agréable de voir Rocket Lab le faire à sa guise. Je doute que cela élimine la possibilité d'un retour sur investissement, car la démonstration de la capacité peut les aider à décrocher de futurs contrats.

C'est trop cool. J'espère que cela fonctionnera comme prévu et qu'ils pourront être lancés en 2023.

Une mission d'échantillonnage atmosphérique est vraiment ambitieuse.

J'espère que Rocket Lab ne sera pas perturbé par des problèmes de contamination directe.

Puisqu'il s'agit d'une mission privée néo-zélandaise. RocketLab (vraiment Peter Beck) n'aura à traiter qu'avec la NZSA et non avec la NASA et son régime de protection planétaire extrême.

Faux. Ils proposent dans l'article d'utiliser le Deep Space Network pour le retour de données. À ce stade, je suppose qu'ils doivent se conformer à tous les règlements de la NASA.

Pas vraiment. C'est la NZSA qui réglementera cette mission, pas la NASA.

C'est sans rapport avec ce que j'ai dit. S'ils souhaitent utiliser les installations de la NASA pour le retour des données, les règles de la NASA s'appliquent. Peu importe qui réglemente la mission.

La Nouvelle-Zélande est sous l'OST de 1967 et l'article IX couvre la protection planétaire tandis que l'article VI la rend entièrement responsable des actions de RocketLab en tant qu'entreprise néo-zélandaise. Le gouvernement néo-zélandais a également signé les accords d'Artemis, ce qui signifie qu'il travaillera avec les États-Unis et d'autres pays d'Artemis sur les normes d'exploration spatiale.

Cela signifie que RocketLab et le gouvernement néo-zélandais seront tenus de respecter les mêmes recommandations du COSPAR des Nations Unies sur la protection planétaire. Il appartiendra donc à l'Agence spatiale néo-zélandaise, probablement avec le soutien de la NASA, de s'assurer que les normes de protection planétaire appropriées sont respectées.

Différentes agences spatiales ont une interprétation différente de l'article IX de l'OST. Et les recommandations de protection des plantes du COSPAR de l'ONU ne sont que des recommandations.

La NZSA pourrait suivre le régime de protection planétaire extrême de la NASA et vient d'annuler cette mission. Cependant, cela ne sera pas politiquement acceptable en Nouvelle-Zélande.

Les recommandations du COSPAR de l'ONU devront être radicalement modifiées à l'avenir pour être pertinentes avec les missions planétaires avec équipage. Ce qui est incompatible avec les recommandations actuelles.

Go Go Rocket Lab !

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