Ce Eposter a était présenté au cours d’une conférence virtuelle qui c’est tenu en novembre 2021. Elle est organisé par le lunar and planetary institue de Huston autour du thème de l’habitabilité des nuages de Vénus.
Introduction
Cette étude présente une architecture de mission vénusienne multi-objectifs. Son objectif est d’offrir à de multiples « clients » (institut de recherche, université, entreprise privée) un service pour transporter leur charge utile vers une cible d’étude située sur Vénus sans avoir à concevoir une mission spatiale complète. Afin de faciliter l’interfaçage, les charges utiles répondent au format cubesat de 1U à 12U.
Par rapport à une mission traditionnelle centrée sur une certaine expérience, une mission de transport multi-clients permet au chercheur de proposer directement les expériences répondant à ses questions. Cela permettrait à une seule mission de générer de nombreuses publications dans divers domaines.
Les cibles proposées par la mission sont une orbite héliocentrique, une orbite vénusienne haute, une orbite vénusienne basse, une entrée atmosphérique près de Phoebe Regio ou une entrée atmosphérique sur un point choisi par le client.
Cette étude présente la conception de la plateforme de transport, la répartition des coûts unitaires cubesat selon la cible choisie par le client, la gestion des communications.
Philosophie de la mission Cubesat
L’idée est d’appliquer le modèle économique cubesat à l’interplanétaire. Il est complémentaire du modèle de sélection classique qui permet de concentrer les ressources d’un « mission maker » (agence spatiale) pour répondre précisément à la question prioritaire. Ici, l’idée est que chaque laboratoire apporte une partie du financement et une charge utile pour répondre (brièvement) à ses questions. Le financement n’étant pas assuré par la mission maker, le rôle peut être repris par une entreprise ou une association.
Cibles
Le rôle principal de la plate-forme Vesper est de transporter les charges utiles vers les cibles demandées par les clients. Même si chaque cible est à négocier, on peut d’ores et déjà définir une liste d’orbites et de points d’entrée atmosphériques particulièrement intéressants. La plate-forme Vesper étant terminée en orbite basse, certaines charges utiles d’observation destinées au LVO peuvent y rester fixes afin de bénéficier du contrôle d’attitude, de l’alimentation électrique et des communications directes.
Design de la plateforme
La composante spatiale de la mission est de constituer les charges utiles (fournies par les clients) et la plateforme (fournie par les mission makers) qui a pour rôle de les livrer sur leur orbite cible ou sur la bonne trajectoire d’entrée (pour les capsules).
en configuration de lancement, la plateforme se présente comme un paralélépipède de 1,2×1,44×0,86m. 3 faces sont affectées aux charges utiles avec des disperseurs cubsat (398 unités au total) et des points d’attache de capsule (5 contenant un total de 316 unités). Les 3 autres faces sont affectées à la fonction services.
| +X Antenne parabolique orientable (2 axes) pour les communications avec la Terre | +Y et –Y Disperseurs latéraux (100 unités cubsat chacun) principalement pour les charges utiles interplanétaires, HVO ou skimmer | +Z Moteur principal (750N 320s) et panneaux aérodynamiques pour aérofreins. |
| -X Panneau solaire orientable (1 axe) (600W) pour l’alimentation de la plateforme et des charges utiles fixes | intérieur Réservoir d’ergol hypergolique (245 kg) et équipements de service. | -Z Support de capsule et disperseur principal (198 unités cubsat) utilisables après la libération initiale de la capsule. principalement pour les charges utiles fixes et LVO |
Contrôle d’attitude en orbite de Vénus
-Axe Z pointé vers Vénus : permet l’observation de la planète par la charge utile fixe du disperseur principal
Soleil sur le plan YZ : permet d’exposer correctement le panneau solaire en tournant uniquement sur l’axe X
Terre dans l’hémisphère + X : permet à l’antenne parabolique (mobile sur 2 axes) de pointer vers la Terre.
Coût à l’unité
Nous essayons de répartir le coût de la mission par unité cubsat (définie comme 0,1m x 0,1m x 0,1m 1,3kg) en fonction de cet objectif. Il s’agit du coût pour le mission maker et non du prix de vente du « ticket » au client. Selon le type de mission maker, le prix peut être inférieur (agence spatiale voulant stimuler ces laboratoires), égal (association à but non lucratif) ou supérieur (société privée cherchant à faire du profit) au coût. Le prix variera également en fonction du taux d’occupation, de l’assurance ou de l’approche commerciale.
Les nombres en italique sont des valeurs arbitraires utilisées pour les calculs.
Pour définir le coût, on divise la mission en étapes, dont le coût global est défini pour le diviser par unité participant à l’étape. Pour simplifier, les coûts sont répartis en 4 catégories :
Lancement (75 M$) : coût du service de lancement de TVI entièrement imputé à la première étape.
Propulsion (20M$) : coût de l’ensemble propulsif (moteurs, ergols, réservoirs, contrôle, etc.). Il est divisé pour chaque étape proportionnellement au Dv qu’il fournit.
Plate-forme (30M$) : coût de la plate-forme (hors propulseur) et service communications (télémétrie, non scientifique). Elle est répartie au prorata de la durée de l’échelon sur la durée initialement prévue de la mission. Cette durée comprend le transit vers Vénus (5 mois), l’aérofrein (3 mois), et une demi-journée sidérale (121 jours), soit le temps nécessaire, depuis une orbite polaire, pour survoler toute la surface de la planète.
Bouclier : Coût de production de la capsule initiale (5M$) et des capsules ciblées (1,5M$ pour les 4). Le coût est réparti entre les unités intégrées dans la capsule. de plus, afin de ne pas imposer le coût de transport des capsules aux unités qui ne les utilisent pas, l’unité atmosphérique se voit attribuer une notion d’équivalent unitaire (Units(eq) = 1 + CB avec CB la masse de bouclier par masse de charge utile, CB= 0,5 pour la capsule initiale et CB=0,3 pour les capsules ciblées).
Gestion des communications
Pour des économies de masse, la majorité des charges utiles n’auront pas de moyen de communication direct avec la terre. De plus, cela pose un problème d’encombrement des stations au sol. Des relais (cf. mars cube one) doivent être largués en HVO afin de bénéficier d’une bonne visibilité sur la terre et d’un hémisphère de Vénus. La plateforme, les charges utiles LVO et les ballons atmosphériques peuvent également être équipés en relais de communication.
Pour plus de souplesse dans le modèle économique, la prestation de transport peut être décorrélée de la gestion de la communication sous la responsabilité d’un opérateur de communication (un réseau d’agences spatiales, une société privée ou une association de radioamateurs) distinct ou non du donneur d’ordre. Cet opérateur de communication finance le relais et les stations au sol. cet opérateur peut ensuite vendre des créneaux de communication à différents clients selon les besoins.
Chronologie
| Transit (T -5mois) : la sonde est lancée sur un transfert de Hohmann à Vénus avec un survol à 10 000km de la surface |
| Première correction (T -72H) : Libération de la charge utile interplanétaire avant une correction de trajectoire (Dv = 45 m/s) permettant de réduire le périastre du survol à 75 km |
| Seconde correction (T -24H) : Libération de la capsule initiale avant une correction de trajectoire (Dv = 5 m/s) permettant de rehausser le périastre du survol à 250 km. |
| Injection en orbite (T 0) : la sonde ralentit (Dv = 771 m/s) au périapside pour avoir une apoapside à 66 000km. pendant ce temps, la sonde initiale entre dans l’atmosphère. |
| Troisième correction (T+12H) : libération des charges utiles HVO avant une correction de trajectoire (Dv = 11 m/s) pour réduire le périapse à 90 km. |
| Aerofreinage (T+24H à T+3mois): Libération des charges utiles en écrémage avant une succession d’aerofreinage en 3 mois pour abaisser l’apoapsis à 250km. |
| Circularisation (T+3mois) : Circularisation de l’orbite (Dv = 50 m/s) à 250 km |
| Activités orbitales (T+3mois à T+23mois) : Libération de charges utiles LVO et de capsules ciblées. la sonde maintient son attitude pour permettre l’observation de charges utiles fixes |