Peter Beck, šéf firmy Rocket Lab, se v minulých letech netajil myšlenkou, že Venuše je jeho oblíbená planeta a velice rád by se podílel na jejím průzkumu. Možnost, že by jeho firma vyslala k druhé planetě Sluneční soustavy vlastní sondu, se sice čas od času objevily, ovšem zmíněným plánům chyběly detaily. Mnoho lidí si proto řeklo, že jde jen o vzdušné zámky, které mají k realizaci daleko. Nyní však firma Rocket Lab udělala významný krok na cestě k realizaci této (zatím nepojmenované) mise. Na internetu se objevila studie, která vcelku podrobně popisuje plán celé mise. V tomto článku naleznete její kompletní překlad.

1) Úvod

Firma Rocket Lab se technicky i finančně zavázala k realizaci soukromé mise k Venuši, která má odstartovat v roce 2023, aby pomohla odpovědět na otázku „Jsme ve vesmíru sami?“ Specifické úkoly této mise jsou:

• Pátrat po podmínkách vhodných k životu a stopách života v oblačných vrstvách Venuše
• Vyladit meziplanetární platformu Photon
• Demonstrovat vysoce výkonné a přitom nízkonákladové mise pro vstup do hlubšího vesmíru s rychlým produkováním výsledků  při využití malé sondy a malé rakety
• Udělat první krok v kampani malých sond k lepšímu pochopení Venuše

Základní mise počítá se startem v květnu 2023 na raketě Electron ze vzletové rampy LC-1 (na Novém Zélandu – pozn. překl.), přičemž k dispozici je i záložní startovní okno – leden 2025. konkrétní termín startu bude vybrán na dobu, kdy bude možné uskutečnit manévr TVI (Trans-Venus Injection) pro odlet k Venuši. Tento manévr přijde po provedení několika po sobě následujících fázovacích obězích kolem Země a gravitačním manévrem u Měsíce, což si firma Rocket Lab vyzkoušela už při vypuštění mise CAPSTONE (Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment) pro NASA. Mise k Venuši poté po hyperbolické dráze s využitím výkonné platformy Photon, která poslouží jakožto přeletový stupeň, proletí meziplanetárním prostorem a následně uvolní malé atmosférické pouzdro, které vstoupí do plynného obalu planety, kde provede vědecká měření. V rámci této studie si popíšeme platformu Photon plánovanou pro tento start na raketě Electron (bod 2), budeme věnovat pozornost zvažované trajektorii (bod 3) i samotnému atmosférickému pouzdru (bod 4). V bodě 5 shrneme koncept provozu pouzdra a sekvenci událostí ve vědecké fázi. Bod 6 pak stručně shrne vědecké úkoly a přístrojové vybavení celé mise.

2) Platforma Photon

Vysoce výkonná platforma Photon byla využita k vypuštění americké mise CAPSTONE k Měsíci, kam vyrazila po startu v červnu 2022. Design platformy dozrál i díky přípravě mise ESCAPADE (Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers) od NASA, která má být k Marsu vypuštěna v roce 2024. Photon je soběstačná malá sonda schopná přečkat i dlouhotrvající meziplanetární přelety.

Velmi účinný energetický systém Photonu využívá konvenční fotovoltaické panely a lithium-polymerové sekundární akumulátory. Systém pro řízení orientace v prostoru obnáší sledovače hvězd, sluneční senzory, inerciální měřící jednotku, silové setrvačníky a systém trysek na stlačený plyn. Transpondéry pokrývající pásma od S po X umožňují komunikaci se sítí Deep Space Network, ale i s komerčními sítěmi. Umožňují také tradiční radiometrické navigační metody používané při letech do hlubšího vesmíru. Pro navigaci v blízkosti Země se využije přijímač GPS. Opakovaně zažehnutelný pohonný systém HyperCurie využívá dlouhodobě skladovatelné pohonné látky a dosahuje Δv více než 3 km/s. Systém Hyper Curie využívá elektromotory, které dodávají vhodně natlakované pohonné látky k samotnému motoru, který má možnost vektorování tahu. Nádrže na pohonné látky mají vysoký podíl hmotnosti pohonných látek a mohou být zvětšeny podle specifických potřeb mise.

Výkonný Photon bude vynesen raketou Electron, kterou firma Rocket Lab vyvinula pro vyhrazené starty malých družic. Electron dokáže na dráhu ve výšce 500 km dopravit až 300 kg nákladu – to platí pro obě v současné době aktivní špičkově vybavené startovní lokality – LC-1 na Novém Zélandu a LC-2 na ostrově Wallops ve Virginii. Electron je dvoustupňová raketa vysoká 18 metrů s průměrem 1,2 metru a vzletovou hmotností cca 13 tun. Raketa využívá motory Rutherford o tahu 25 kN, které spalují kapalný kyslík a letecký petrolej, o jejichž dodávku se stará elektrické čerpadlo. Motory Rutherford jsou založeny na novém pohonném cyklu, který využívá bezkartáčové stejnosměrné elektromotory a vysoce výkonné lithium polymerové akumulátory, které společně pohání lopatky v čerpadlech. První stupeň rakety Electron využívá devět motorů Rutherford, zatímco druhý stupeň má jeden motor Rutherford upravený pro provoz ve vakuu. Motor Rutherford je prvním raketovým motorem na kapalný kyslík a libovolné uhlovodíky, který využívá metodu 3D tisku pro všechny své primární díly včetně regenerativně chlazené spalovací komory, vstřikovacích čerpadel a hlavních palivových ventilů. Všechny motory Rutherford jsou identické, jedinou výjimkou je tryska s větším expanzním poměrem na motorech druhého stupně, což pomáhá optimalizovat výkon motoru v prostředí, které svou hustotou připomíná vakuum. Takzvaný kick-stage je pak u misí za nízkou oběžnou dráhu nahrazen výkonným Photonem.

3) Trajektorie

Electron nejprve dopraví výkonný Photon i s připojeným nákladem na kruhovou dráhu ve výšce přibližně 165 kilometrů. Po oddělení od druhého stupně rakety provede Photon předem naprogramované zážehy, kterými dosáhne základní eliptické dráhy s výškou apogea cca 1200 km a výškou perigea 250 km. Photon pak provede sérii zážehů, které budou postupně stále více protahovat eliptickou oběžnou dráhu. Zatímco výška perigea zůstane prakticky konstantní, výška apogea se bude zvyšovat až na maximální hodnotu 70 000 km. Rozdělení odletových zážehů do několika manévrů je efektivní postup pro odlet od Země. Když se totiž zážeh zkrátí, aby se prováděl pouze v těsné blízkosti perigea, je energie z pohonného systému efektivněji využita k dosažení požadované změny oběžné dráhy. Dochází tak k menším ztrátám oproti delším zážehům, které probíhají i ve větší vzdálenosti od perigea. Každý fázovací manévr bude následován naplánovaným počtem fázovacích oběhů na dráze s novým apogeem. Tyto oběhy poskytnou čas pro navigaci na oběžné dráze, ale i pro zpětnou rekonstrukci průběhu zážehu, plánování, či kalibraci pohonného systému. Každý plánovaný manévr obnáší nouzové varianty pro případy neplánovaného přiblížení k jiným objektům, nebo pro případ zpoždění / vynechání manévru. Poté, co jsou manévry pro zvýšení apogea provedeny, postará se Photon o závěrečný odletový manévr, který navede sestavu na únikovou dráhu od Země. Zážehy TCM (Trajectory Correction maneuvers) pro jemné korekce dráhy a dosažení správného úhlu pro vstup do atmosféry obstarají korekční trysky, případně Hyper Curie.

V říjnu 2023 bude přeletová fáze u konce. Photon se postará, aby byl na správné dráze a poté uvolní přibližně 20 kg těžkou sondu, která přímo vstoupí do atmosféry Venuše pod úhlem EFPA (entry flight path angle) mezi přibližně 10 a 30 stupni, přičemž základem je zmíněných přibližně deset stupňů. Atmosférická sonda bude komunikovat přímo se Zemí v pásmu S. Polokulovitá anténa bude mít za úkol odesílat data naměřená při průletu atmosférou a dočasně uložená na palubě. Vstupní trajektorie je zvolena tak, aby uspokojila vědecké požadavky (vstup nad noční stranou planety, zoheldnění preferovaných „venusopisných šířek“), ale musí také respektovat orientaci vůči Zemi kvůli komunikaci a mnoho dalších faktorů. Konkrétně parametry vstupu budou určeny na základě analýzy časové osy vstupu do atmosféry, tepelné kapacitě a vlastnostech (především tloušťce) systému tepelné ochrany, zrychlení sondy (limity přetížení), navigační přesnosti a dalších faktorech.

4) Atmosférická sonda

Malá sonda pojme pouze 1 kilogram vědeckého vybavení, které bude pátrat po organických látkách v oblacích a prozkoumávat možnosti obyvatelnosti těchto mraků. Ve výškách cca 45 – 60 kilometrů, kde bude probíhat vědecký výzkum, má sonda strávit přibližně 330 sekund. Jediným vědeckým přístrojem na palubě bude autofluorescenční nefelometr AFN. Samotná atmosférická sonda bude mít průměr přibližně 40 centimetrů, přičemž tvar přední části odpovídá kuželu s úhlem špičky 45°, jehož vrchol je nahrazen polokoulí. Zadní část sondy pak má tvar polokoule. Tento tvar by měl zajistit statickou stabilitu v režimu hypersonického toku v okolí sondy. Tvar však musí zohlednit i charakteristiky stability v různých rychlostních režimech (hypersonickém, transsonickém, subsonickém atd.) i omezení způsobená třeba pozicí těžiště.

Průměr sondy byl vybrán tak, aby se do jejích útrob vešla tlaková nádoba i vědecký přístroj. Bylo přitom potřeba zohlednit vyžadovanou ohniskovou vzdálenost nefelometru a velikost palubních systémů. Uložení elektroniky sondy v tlakové nádobě umožní celkově odolný design. Hliníková tlaková nádoba obklopená izolační vrstvou bude ukrývat všechny systémy sondy kromě teplotních čidel, tlakových senzorů a antén. Izolace udrží letový počítač, rádiový systém i vědecký přístroj v přijatelném provozním tlaku. Navíc bude pohlcovat teplo a udržovat uvnitř optimální teplotu. Kromě toho ještě zafunguje jakožto mechanická bariéra před korozivní atmosférou Venuše.

Tloušťka stěn tlakové nádoby je ovlivněna třemi hlavními faktory – hmotou materiálu, která je potřebná k pohlcení tepelné zátěže jak z vnitřních elektronických prvků, tak i z okolního prostředí Venuše, tlakem, kterému musí odolat, aby bylo možné odesílat vědecká data po požadovanou dobu, i když tlak a teplota vzrostou a třetím faktorem jsou dostupné výrobní metody. U základní tloušťky 2 milimetry by měly osvědčené výrobní postupy poskytnout určitou rezervu pro případné zvýšení teplené, výkonné i datové zátěže.

Materiál pokrývající přední část atmosférické sondy bude buďto HEEET (Heat-shield for Extreme Entry Environment), nebo uhlíkový kompozit s fenolovými pryskyřicemi. Zadní část sondy pak bude pokrývat tepelně-ochranný materiál skrz který mohou rádiové vlny nerušeně procházet a zároveň odolává působení kyselin. Proto byl zvolen polytetrafluoroethylen (PTFE) známější spíše pod obchodním označením teflon.

5) Koncept provozu

Atmosférická sonda během vědecké fáze projde následující sekvencí událostí, přičemž každý krok bude mít absolutně nastavené časové pásmo určené na základě vstupních parametrů do atmosféry. Zde uvedené údaje předběžně vychází ze vstupního úhlu EFPA 10°.

• Oddělení sondy a její roztočení po závěrečném zacílení na vstupní oblast
• Přeletová fáze (cca 2 hodiny, nízký odběr energie)
• Fáze před vstupem do atmosféry (spuštění klíčových systémů)
• Dosažení vstupního bodu
• Intenzivní ohřev, výpadek komunikace, maximální přetížení (cca 40 – 80 sekund po dosažení vstupního bodu)
• Vstup do vrstvy mraků (180 s po dosažení vstupního bodu)
• Sběr primárních vědeckých dat (330 s dlouhá fáze)
• Opuštění mraků (520 s po dosažení vstupního bodu)
• Pokračování v datovém přenosu / opakovaný přenos uložených dat (trvání cca 20 minut)
• Dosaženo designového limitu tlakové nádoby, očekáván výpadek signálu (cca 30 minut po dosažení vstupního bodu)
• Dopad na povrch (cca 3500 – 4000 s po dosažení vstupního bodu)

Při průletu vrstvou mraků i pod ní budou vědecká data odesílána přímo na Zemi optimalizovanou přenosovou rychlostí. Úkoly pod vrstvou mraků (například pokračování vědeckých pozorování, případně odesílání dat o okolním prostředí) budou provedeny s velkým úsilím.

6) Shrnutí vědeckých úkolů

Mise nabízí první příležitost k přímému průzkumu mraků na Venuši za téměř 40 let. I přes hmotnostní limity, omezené možnosti datových přenosů, či omezený čas, který je možné aktivně strávit v atmosféře Venuše, je možné provádět přelomový vědecký výzkum. Vybrali jsme nízkonákladový autofluorescenční nefelometr s nízkou hmotností, aby naplnil vědecké úkoly mise firmy Rocket Lab. Vše zastřešující vědecké úkoly jsou spojeny s pátráním po stopách života, či obyvatelnosti v mracích Venuše. Mise má dva specifické vědecké úkoly – pátrat po přítomnosti organických látek ve vrstvě oblačnosti a určit tvar a indexy lomu částic v mracích pro další určování jejich složení.

Přeloženo z:
https://www.mdpi.com/

Zdroje obrázků:
https://www.mdpi.com/…/article_deploy/html/images/aerospace-09-00445-g001.png
https://www.mdpi.com/…/article_deploy/html/images/aerospace-09-00445-g002.png
https://pbs.twimg.com/media/FWQZkfWXoAI3eyg?format=jpg&name=large
https://www.mdpi.com/…/article_deploy/html/images/aerospace-09-00445-g003.png
https://www.mdpi.com/…/article_deploy/html/images/aerospace-09-00445-g004.png
https://www.mdpi.com/…/article_deploy/html/images/aerospace-09-00445-g005.png
https://www.mdpi.com/…/article_deploy/html/images/aerospace-09-00445-g006.png
https://www.mdpi.com/…/article_deploy/html/images/aerospace-09-00445-g007.png