Rocket Lab の金星へのミッションの説明

Nov 14, 2023

最初に発行されたのはMDPI オープンアクセスジャーナル

によるリチャード・フレンチ1、*、クリストフ・マンディ1、リチャード・ハンター1、イーサン・モスレ1、ダグ・シンクレア1、ピーター・ベック1、サラ・シーガー2、3、4、ヤヌシュ・J・ペトコウスキー2、クリストファー・E・カー5、デビッド・H・グリンスプーン6、ダレル・バウムガードナー7、8、および Rocket Lab Venus チームを代表して †1

Rocket Lab, 3881 McGowen Street, Long Beach, CA 90808, USA2 マサチューセッツ工科大学地球大気惑星科学科、77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, USA3 マサチューセッツ工科大学物理学科、77 Massachusetts Avenue 、Cambridge, MA 02139, USA4 マサチューセッツ工科大学航空宇宙航行学部、77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, USA5 School of Aerospace Engineering and School of Earth and Atmospherics 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* 通信の宛先は著者です。† 協力者/グループのメンバー/チーム名は謝辞に記載されています。

学術編集者: Pierre RochusAerospace2022年 、９（８）、４４５； https://doi.org/10.3390/aerospace9080445受信日: 2022 年 7 月 21 日 / 改訂日: 2022 年 8 月 10 日 / 受理日: 2022 年 8 月 11 日 / 発行日: 2022 年 8 月 13 日|(この記事は特別号「金星の生命の兆候の探索」に属します: 科学目標とミッション設計)

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惑星目的地への定期的で低コストのデカダル級科学ミッションは、高エネルギーのフォトンなどの高ΔV小型宇宙船やエレクトロンなどの小型打ち上げロケットによって可能になり、科学者の機会拡大を支援し、研究成果の向上を図ることができます。科学の収益率。 Rocket Lab の金星へのミッションは、最大 1 kg の機器を 1 つ搭載できる小型の直接突入探査機で、2023 年 5 月のベースライン打ち上げが計画されています。 バックアップ打ち上げ期間は 2025 年 1 月に利用可能です。探査ミッションは、地表から高度 48 ～ 60 km の金星の雲層で約 5 分間滞在し、その場での測定値を収集します。 私たちは、雲粒子内の有機分子を検索し、粒子組成を制限するために、低質量、低コストの自家蛍光比濁計を選択しました。

キーワード: 金星。 ロケットラボ; 自家蛍光比濁計。 小型宇宙船。 小型ロケット

Rocket Lab は、「宇宙で私たちは孤独なのか?」という疑問の解決に役立てるため、2023 年の打ち上げを目標に金星への民間ミッションを飛行するためのエンジニアリングと資金を投入しました。 Rocket Lab のミッションの具体的な目標は次のとおりです。

ベースラインミッションは、2023年5月にロケット研究所の発射施設1（LC-1）からエレクトロンで打ち上げられる予定で、バックアップ打ち上げの機会は2025年1月に予定されている。打ち上げの機会は、金星横断射出（TVI）を可能にするために選択される。 2023 年 5 月 24 日、NASA 向けの Rocket Lab の成功した月面自律測位システム技術運用および航法実験 (CAPSTONE) ミッションで実証されたように、地球の周りの段階的な軌道と月の重力補助を経て [1]。 このミッションは、高エネルギーのフォトンが巡航ステージとして機能し、その後、ミッションの科学段階で小型探査機を金星大気中に展開する双曲線軌道をたどります。 この論文では、エレクトロン小型打ち上げロケットでの打ち上げ用に設計されたフォトン宇宙船について説明し (セクション 2)、続いて宇宙船の軌道 (セクション 3) と大気探査機自体 (セクション 4) について説明します。 セクション 5 では、探査機の運用概念と科学フェーズの一連の出来事を要約します。 セクション 6 では、2023 年の Rocket Lab ミッションの科学目標と科学機器について簡単にまとめます。

高エネルギーフォトン (図 1) は、2022 年 6 月に月への打ち上げに成功した NASA CAPSTONE ミッション用に Rocket Lab によって開発され、2022 年に火星へ打ち上げられる NASA Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers (ESCAPADE) ミッション用にも成熟しています。 2024 年には、長期の惑星間巡航が可能な自給自足型の小型宇宙船が開発されました [2]。

高エネルギー Photon の電力システムは従来型で、太陽光発電アレイとリチウムポリマー二次電池を使用します。 姿勢制御システムには、スター トラッカー、太陽センサー、慣性測定ユニット、リアクション ホイール、および冷ガス反応制御システム (RCS) が含まれています。 S バンドまたは X バンド RF 測距トランスポンダは、深宇宙ネットワーク (DSN) または商用ネットワークとの通信をサポートし、従来の深宇宙放射測位ナビゲーション方法を可能にします。 全地球測位システム (GPS) 受信機は、地球付近のナビゲーションに使用されます。 3 km/s を超える ΔV は、電動ポンプを使用して推力ベクトル制御エンジンに加圧推進剤を供給する、Hyper Curie と呼ばれる貯蔵可能で再始動可能な二元推進剤推進システムによって提供されます。 推進剤タンクは高い推進剤質量分率を実現し、ミッション固有のニーズに合わせて拡張できます。

高エネルギーの Photon (図 2) は、Rocket Lab の専用小型打ち上げロケットである Electron (図 3) で打ち上げられるように設計されています。 Electron は、ニュージーランドのマヒア半島にある LC-1 とバージニア州ワロップス島にある発射施設 2 の 2 つの最新鋭の発射場から、最大 300 kg の重量を 500 km の軌道まで持ち上げることができます。 Electron はキックステージを備えた 2 段式打ち上げロケットで、高さ 18 m、直径 1.2 m、打ち上げ質量は約 13,000 kg です。 エレクトロンのエンジンである 25 kN ラザフォードは、電動ポンプによって供給される液体酸素と灯油を燃料としています。 ラザフォードは、ブラシレス直流電気モーターと高性能リチウムポリマーバッテリーを利用してインペラポンプを駆動する、まったく新しい推進サイクルに基づいています。 Electron のステージ 1 では 9 台のラザフォード エンジンが使用されますが、ステージ 2 では 1 台のラザフォード真空エンジンのみが必要です。 ラザフォードは、再生冷却されたスラスト チャンバー、インジェクター ポンプ、主推進薬バルブなど、すべての主要コンポーネントに積層造形を使用した最初の酸素/炭化水素エンジンです。 Electron のラザフォード エンジンはすべて同一ですが、ステージ 2 のより大きな膨張率ノズルが真空に近い条件での性能を最適化している点が異なります。 高エネルギーのフォトンは、地球低軌道 (LEO) を超えた電子ミッションのキック ステージに取って代わります。

電子はまず、高エネルギーの光子を、地球の周囲約 165 km の円形パーキング軌道 (図 4) に送ります。 エレクトロンのステージ 2 から分離した後、高エネルギーのフォトンは事前にプログラムされた燃焼を実行して、250 km × ~1200 km の予備的な楕円軌道を確立します。 高エネルギーフォトンはその後、楕円軌道を徐々に増やしながら一連の燃焼を実行し、そのたびにほぼ一定の近地点を維持しながら遠地点高度を上昇させ、最大約 70,000 km の遠地点に達します。 複数の操縦にわたって離脱を阻止することは、地球脱出への効率的なアプローチです。 燃焼を近地点付近に保持し、その継続時間を制限することにより、推進エネルギーが効率的に遠地点上昇に費やされ、長時間の操縦に伴う燃焼損失を回避します。 各フェージング操作の後に、新しい遠地点高度で計画された数のフェージング軌道が続きます。 位相軌道は、軌道上でのナビゲーション、操縦の再構築と計画、推進システムの校正、および結合スクリーニングのための時間を提供します。 計画された各操縦には、連動イベントや操縦の失敗を軽減するための緊急事態オプションが含まれています。 名目上の遠地点上昇操作が実行された後、最終噴射燃焼が実行され、高エネルギーのフォトンが脱出軌道上に配置されます。 ハイパー キュリー エンジンまたは統合 RCS を使用した軌道修正操作 (TCM) を使用して、軌道を微調整し、適切な進入インターフェイスをターゲットにします。

巡航段階（図5）後の2023年10月に、高エネルギーフォトンは突入インターフェースをターゲットにし、突入飛行経路角（EFPA）が-10から-30の間で小型（約20kg）の探査機を大気圏に直接展開します。度、ベースラインは -10 度です。 この探査機は、半球アンテナを備えた S バンド通信リンクを介して地球と直接通信し、降下中に捕捉され船上に保存された科学データを返します。 エントリインターフェースは、科学目的（夜間のエントリと緯度のターゲット）、地球通信の幾何学的形状、およびその他の要素を満たすように選択されます。 EFPA は、突入と降下のタイムライン、統合された熱負荷と必要な熱保護システム (TPS) の厚さ、プローブの加速 (g 負荷) 制限、ナビゲーション精度、およびその他の要素の分析に基づいて選択されます。

小型探査機（図6）には、雲粒子中の有機化学物質を探索し、雲の居住可能性を調査するための最大1kgの科学ペイロードが含まれており、高度約45〜60kmの間の雲層で約330秒間探査を実行します。科学作戦。 科学機器は、[3] で説明されている自家蛍光比濁計 (AFN) です。 この小型プローブは、直径約 40 cm、半角 45 度の球円錐鈍体であり、極超音速流域での静的安定性を確保するための半球状の後部胴体を備えています [4]。

プローブの形状は、さまざまな流れ状況 (極超音速、遷音速、亜音速など) における安定性特性と重心位置の制約、その他の考慮事項に基づいて決定されました。

プローブの直径は、比濁計の必要な焦点距離と搭載システムのサイズを考慮して、圧力容器と機器のペイロードに対応できるように選択されました。 プローブ電子機器を圧力容器内に収容することで、堅牢な全体設計が可能になります。 アルミニウムの圧力容器には、温度計、圧力センサー、プローブ アンテナを除くすべてのシステム コンポーネントが含まれており、構造絶縁層で囲まれています。 断熱材は、フライト コンピューター、無線機、計器を適切な動作圧力に維持し、許容動作温度を維持するためのサーマル シンクとして機能し、腐食性の金星大気に対する障壁として機能します。

圧力容器の壁の厚さは、次の 3 つの主な考慮事項によって決定されます。1 つは内部コンポーネントと金星環境の両方からの熱負荷を吸収するために必要な材料の質量、1 つは必要な時間科学データの送信を可能にするために容器が耐えなければならない圧力です。圧力と温度が上昇するにつれて雲層を一度通過すること、および製造方法。 ベースラインの厚さが 2 mm であるため、製造上のベスト プラクティスによる制約が課せられ、熱、電力、データ バジェットの増加に対してある程度のマージンが得られます。

プローブの前部 TPS 材料は、極限進入環境用熱シールド (HEEET) またはカーボン フェノールのいずれかであり、後部 TPS 材料は高周波 (RF) 透明で耐酸性のポリテトラフルオロエチレン (PTFE、例: テフロン™) です。

プローブはサイエンス フェーズ中に次の一連のイベントに従います (図 7)。絶対タイミングは選択した EFPA に依存します (-10 度のベースラインを表示)。

科学データは、クラウド層以下を介して、最適化されたデータ レートで地球に直接送信されます。 主要な機器を使用して科学観測を継続する可能性や環境データを返す可能性など、クラウド層より下の目的は、ベストエフォートベースでのみ実行されます。

このミッションは、金星の雲の粒子を直接調査するほぼ40年ぶりの機会となる。 質量とデータ速度の制約があり、金星の大気中での時間が限られているにもかかわらず、画期的な科学は可能です。 私たちは、Rocket lab Mission の科学目標を達成するために、低質量、低コストの自家蛍光比濁計 (AFN) を選択しました [3]。

科学の最も重要な目標は、金星の雲に生命が存在する証拠や居住可能性の証拠を探索することです。 具体的な科学目標は 2 つあります。1 つは雲層粒子内の有機分子の存在を探索すること、もう 1 つはモード 3 の雲粒子の形状と屈折率 (組成の代用) を決定することです。 AFN 機器開発の詳細については、[3] を参照してください。 金星探査機 (VLF) ミッションの動機と全体的な科学目標についての議論については、[5] を参照してください。

ライティング - 原案の作成、RF、CM。 執筆 - レビューと編集、RF、CM、RH、EM、DS、PB、SS、JJP、CEC、DHG、DB すべての著者が原稿の出版版を読んで同意しています。

ロケット研究所

適用できない。

適用できない。

適用できない。

有益な議論をしてくれた Rocket Lab Venus チームと Venus Life Finder (VLF) ミッション チームに感謝します。 Rocket Lab Venus チームとして関係する個人は、こちらでご覧いただけます: https://www.rocketlabusa.com/、2022 年 8 月 12 日にアクセス。

著者は利益相反がないことを宣言します。

© 2022 著者による。 ライセンシー MDPI、バーゼル、スイス。 この記事は、クリエイティブ コモンズ表示 (CC BY) ライセンス (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) の利用規約に基づいて配布されるオープンアクセス記事です。

ROIの欠如は宇宙探査が商業的な資金を得られないことを意味するというすべてのコメントを私が見てきましたが、Rocket Labが自腹でこれをやっているのを見るのは素晴らしいことです。 能力を実証することで将来の契約を有利に進めることができるため、ROI の可能性がなくなるとは思えません。

これはとてもクールです。 計画通りに機能し、2023年に打ち上げられることを願っています。

大気サンプラーのミッションは実に野心的です。

Rocket Lab が前方汚染の問題に巻き込まれないことを願っています。

これはニュージーランド民間ミッションなので。 RocketLab (実際には Peter Beck) は、NASA ではなく NZSA とその極端な惑星保護体制を相手にするだけで済みます。

間違っている。 彼らは記事の中で、データの返送に深宇宙ネットワークを使用することを提案しています。 その時点で、彼らはすべての NASA 規制に従わなければならないと思います。

あまり。 このミッションを規制するのはNASAではなくNZSAだ。

それは私が言ったこととは無関係です。 データの返却に NASA の施設を使用したい場合は、NASA の規則が適用されます。 誰がミッションを規制しているかは関係ありません。

ニュージーランドは 1967 年の OST の下にあり、第 IX 条では地球の保護を対象としていますが、第 VI 条ではニュージーランドの企業としてロケットラボの行動に対する全責任を負わせています。 ニュージーランド政府もアルテミス協定に署名しており、これは宇宙探査の基準について米国および他のアルテミス諸国と協力することを意味する。

これは、RocketLab とニュージーランド政府が、地球保護に関する国連 COSPAR の同じ勧告に従うことを意味します。 したがって、適切な惑星保護基準が遵守されるかどうかは、おそらく NASA の支援を受けて、ニュージーランド宇宙局にかかっています。

宇宙機関によって、OST の第 IX 条の解釈は異なります。 そして、国連COSPARの植物保護勧告は単なる勧告です。

NZSAはNASAの極端な惑星保護体制に従い、このミッションをキャンセルするだけかもしれない。 しかし、それはニュージーランドでは政治的に好ましくないでしょう。

国連のCOSPAR勧告は、有人惑星ミッションに関連するものとなるよう、将来的には大幅に変更される必要があるだろう。 これは現在の推奨事項と互換性がありません。

ゴーゴーロケットラボ！

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