Rockoon再现!俄罗斯金星土壤采样及返回任务简介

俄罗斯的金星土壤采样及返回计划进行了比较大的修改,主要的任务剖面如下图所示。亮点在于采用了rockoon这种气球发射火箭的方式返回。
Rockoon

用气球带火箭临空发射的概念叫Rockoon,就是rocket+balloon,这并不是什么新概念,早在1949年就有人提出过。

早期Rockoon实验照片

Rockoon是一种固体燃料探测火箭,不是在地面立即点燃,而是先被高空科学气球带入高层大气,然后与气球分离,火箭点火。这使得火箭能够达到更高的高度,因为火箭不需要通过大气层底部的空气稠密区(飞行阻力较大),而且由气球本身也提供了一部分势能,所以可以为火箭节省部分燃料,让其飞得更高。

最初的概念是由Cmdr. Lee Lewis, Cmdr. G. Halvorson, S. F. Singer, 和 James A. Van Allen,在1949年3月1日在美国海军的诺顿声音号试验船上发射Aerobee火箭时共同提出的。

根据时代杂志1959年的报道,范.艾伦说服了海岸警卫队,允许其在一艘开往格林兰岛的破冰船上发射Rockoon。第一次气球飞到了70000英尺高度,但是下面挂的火箭没有点火成功;第二次依然如此。理论上,平流层的极低温度会影响火箭点火,于是范.艾伦在第三次的气球吊舱内增加了加热措施,火箭点火成功了。

范.艾伦手持Loki探空火箭 Credit: JPL

美国海军研究办公室在Loki火箭的一些发射中使用了Rockoon方式,在发射前将Loki放在氦气球带上高空,用于高空大气研究。Loki的第一次Rockoon发射是在1955年7月1日,从格陵兰海岸附近的船上发射。

在1955年7月到10月期间,爱荷华大学研究小组在宇宙射线研究中从格陵兰海岸的船上成功地发射了Loki I和Deacon火箭(使用Rockoon的方式)。陆军军械公司提供了JPL开发的Loki火箭,美国海军研究办公室(ONR)赞助了这个项目。

1957年9月,作为美国国际地球物理年贡献的一部分,美国海军的破冰船U.S.S发射了36颗Rockoon(气球发射的火箭)。这是由爱荷华大学的James A.Van Allen和Lawrence J. Cahill领导的科学计划的一部分,大西洋、太平洋和南极地区的冰川覆盖范围从南纬75度到南纬72度,这是南极地区第一个已知的高空火箭探测。所以1957年应该看作是Rockoon概念发展最鼎盛的时期。

Rockoon的概念在上世纪50年代得到了充分的实践,达到了它的设计目的,当然基于当时的一个重要背景,用于科学研究的固体燃料探空火箭飞行的高度并不高,而使用了气球搭载之后确实能够明显提高探空火箭的飞行高度。

当然随着火箭技术的发展,从地面直接起飞的探空火箭的飞行高度也可以高达500-800km,这对于大气科学研究来说已经足够了,所以Rockoon的概念在后来似乎被淘汰了。这次俄罗斯的金星土壤采样计划重提rockoon概念,确实有些出人意料。

俄罗斯进行土壤采样及返回计划的任务剖面如下:
1、火星探测器从130km初再入金星大气
2、减速
3、下降,开始硬壳填充冷却
4、着陆
5、土壤采样,结束硬壳填充冷却
6、气球模块上升
7、耐热抽壳冷却,高度离地14km
8、耐热壳体充气,主壳体抽出,高度离地32km
9、主壳体充气,硬壳释放,火箭进入发射位置,高度50-51km
10、火箭发射,高度55-56km
在金星表面,条件恶劣:温度高到足以熔化铅,压力大到可以压碎潜水艇。任何着陆器都很难存活足够长的时间以检测星球的震动。但是在星球地表以上50公里处,温度和压力都非常适合持久驻空的气球(除了温室大气中的一点硫酸,96%都是二氧化碳)。
虽然这个计划有诸多争议(报道原文是俄语,具体的科学性问题可能把握不准,在这里不详细说明),但前苏联在金星浮空器应用方面曾经做过成功的尝试。
1985年前苏联与法国合作的VEGA计划中的两个气球:Vega1和Vega2。这项探测计划由两国的航天局,即前苏联IKI与法国CNES合作开展,通过航天器将气球带入进行大气后,气球自行充气展开并在金星大气中随气流飘飞,其间收集探测数据。VEGA气球外形为正球形,直径3.54米,自重12.5kg,携带氦气2kg,材料为聚四氟乙烯基底上包覆聚四氟乙烯薄膜。气球飞行高度53km,充气展开后球体内外压差约2kPa。本次探测任务中,VEGA气球飞行时长约两天,飞行距离约9000km。最终气球在进入金星的白天区域后升温爆裂,任务结束。

VEGA1和VEGA2探测金星的模拟图
博物馆中的VEGA气球模型
VEGA计划将基于浮空器的行星探测活动推向了一个高峰,但是和许多其他空间探测任务一样,也仅是昙花一现,其后三十年时间里,由于种种原因,人类并没能再将浮空器送离地球。但是人类行星探测的热度并未降低,比如包括美国在内的多个国家就正在进行火星探测气球的研究,近年来关于行星气球、飞艇甚至“潜艇”的报道也层出不穷。相信不久的将来,人类就能再次返回地外行星大气中遨游,让我们拭目以待吧。
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