金星空中平台：利用原位资源利用技术实现浮力气体补给的长期气球装置

《Acta Astronautica》：Venus Aerial Platforms: Long-Lived Balloons with ISRU for Buoyant Gas Replacement

　　凯尔·J·霍恩|雅各布·S·伊兹拉埃莱维茨|西达尔特·克里希纳莫蒂|S·埃兰戈·埃兰戈万|泰勒·哈芬|皮尤什·科普卡尔|莱妮·麦金尼|詹姆斯·A·卡茨|迈克尔·H·赫克特|杰弗里·A·霍夫曼
麻省理工学院航空与航天系，马萨诸塞州剑桥市马萨诸塞大道77号，邮编02139

摘要
飞行机器人平台能够在金星中间大气层（约55公里高度）开展地球物理学（地震学、磁学）和大气科学（动力学、化学、天体生物学）领域的研究。然而，由于气球外壳会不断损失氦气，且无法补充浮力气体，这类机器人的使用寿命受到限制。虽然投放压舱物可以延长其寿命，但这种做法属于一次性解决方案，难以用于长期任务。目前正在研发的“电解探索金星”任务旨在通过原位资源利用技术，用固体氧化物电解产生的气体替代丢失的氦气，从而提升金星飞行机器人的任务时长。正如火星氧气原位资源利用实验所证明的那样，固体氧化物电解技术能够将金星97%的二氧化碳大气分解为一氧化碳和氧气，这两种气体均可作为浮力气体使用。本文介绍了该飞行机器人任务方案，并阐述了“电解探索金星”项目所研究的各项技术难题。文中还给出了配备原位资源利用系统的金星飞行机器人的详细系统模型，并通过超参数网格搜索模拟，对比了传统设计与配备该系统的设计方案，最终确定了更具优势的设计架构。在所有测试案例中，采用原位资源利用技术的飞行机器人均表现优于未采用该技术的同类机器人。

引言
“行星科学与天体生物学：起源、世界与生命”十年规划将金星列为具有重大科学价值的探索目标[1][2]。为解答关于原行星盘演化、岩石行星内部与表面之间的关联以及类地行星大气的性质与演化等核心问题，能够在金星大气层中运行的飞行平台具有极高的科学价值[2][3]。

与金星表面的极端环境不同，飞行机器人可在压力和温度接近地球水平的中间大气层（50-60公里高度）开展大气与地震探测工作。喷气推进实验室已经提出了多种飞行平台任务方案，这些方案分别对应NASA不同的任务时间要求[3]；但由于无法补充浮力气体，气球因微孔泄漏及气体扩散会导致氦气持续流失，其使用寿命通常仅约为4个月[4]。

“电解探索金星”任务旨在提升金星飞行平台的任务时长与功能，使其性能超越以往及拟开展的各类任务[5][6]。更长的任务时长将为次声波地震学、大气动力学与化学研究以及天体生物学探索带来更大便利。该任务通过应用原位资源利用技术，利用金星97%的二氧化碳大气通过固体氧化物电解产生的二氧化碳和氧气来替代丢失的氦气，从而延长任务寿命。此外，该固体氧化物电解系统还可作为固体氧化物燃料电池使用，在大约50小时的夜间飞行过程中，利用生成的二氧化碳和氧气为飞行平台上的科学仪器供电。图1展示了这一概念的示意图。

火星氧气原位资源利用实验已在火星上证明了通过固体氧化物电解技术从二氧化碳大气中有效生成氧气的可能性。该实验装置安装在“毅力号”火星车上，于2021年4月20日首次成功实现了行星尺度上的原位资源利用技术实地验证[7]。

“电解探索金星”任务是在火星任务的成功经验基础上发展而来的，它借助相关技术旨在获取金星大气层中的新型数据。与在火星上应用该技术相比，金星上的应用需要做出一些关键调整。火星上的环境气压较低，导致昼夜、冬夏之间气压变化极大；因此，火星上的MOXIE装置采用了基于内部气压的反馈控制机制，以保持稳定的氧气生成速率[8]。而在金星中间大气层中，由于气压接近地球水平，无需此类控制机制。在火星上，尘埃过滤和大气压缩会消耗大量体积和能量，但在金星上，由于气压更高，这些能量需求可被分配给其他系统。

除了需要针对金星环境调整控制方法与硬件配置外，“电解探索金星”项目的初期研究还明确了若干关键技术难题。下文将详细介绍这些难题。

已知金星大气中存在的微量二氧化硫会对固体氧化物电解电池产生催化失活作用[9]。虽然金星中间大气层中存在硫酸气溶胶云，但固体氧化物电解系统的操作温度足以将这些液滴分解为相应的组分。硫化物的催化失活效应与可用于化学键合的自由电子对数量有关，因此二氧化硫的失活风险高于其他硫化物[9]。为此，研究人员对现有MOXIE固体氧化物电解电池以及新一代电池材料的耐二氧化硫性能进行了测试。测试结果表明，通过让电池在电解模式与燃料电池模式之间切换，并结合氧化处理，可以有效恢复因硫化物污染导致的性能下降。未来的研究将进一步探索降低性能损耗、延长固体氧化物电解系统在硫化物污染环境中的使用寿命的方法。

火星氧气原位资源利用实验已证明，该技术可在火星稀薄且富含二氧化碳的大气环境中发挥作用[7]。MOXIE装置的电解转化效率处于中等水平，约为30%，即输入的二氧化碳中有30%被分解为一氧化碳和氧气。而针对金星设计的系统则需要生成高浓度的浮力气体。研究中设定二氧化碳的利用纯度为75%，因为这种一氧化碳与二氧化碳的混合气体的平均分子量与氧气相同。实验室环境下已证明该技术可在短时间内实现这一目标，但未来的系统需在更长的时间范围内（约50小时）保持这一性能，以便模拟金星飞行机器人白天的工作状态。

为了确保飞行机器人具备最佳的浮力性能，同时让固体氧化物电解系统能够在夜间为飞行平台供电，所需的一氧化碳和氧气的纯度必须达到75%。在实验室中，通过让固体氧化物电解系统与固体氧化物燃料电池相互切换运行，可有效提升该系统的性能。未来的实验室研究将进一步探讨每隔50小时重复进行此类切换的可行性，以此模拟飞行机器人在金星超强旋转风环境中绕行时所经历的太阳光照周期。随着飞行机器人向两极移动，由于绕行时间会随纬度降低而缩短，昼夜周期也会相应变短。未来对固体氧化物电解系统与固体氧化物燃料电池的系统测试，还将研究该系统在赤道地区与高纬度地区的运行极限。

研究人员已经建立了配备原位资源利用系统的金星飞行机器人的详细系统模型，并通过对比分析研究了不同设计方案的优劣。最终确定了一种设计寿命为10年的飞行机器人方案。本文将对这些系统建模工作及对比分析进行详细阐述。

金星飞行机器人的系统设计方案种类繁多。总体而言，这些建模研究主要探讨了使用超压气球的可行性，因为苏联的VeGa探测器早已证明了超压气球在金星任务中的适用性。这类气球结构简单，但由于内部气体压力高于周围大气压力，因此能够有效抵抗大气环流（如太阳加热效应）及异常气流（如上升气流和下降气流）的影响，具备出色的稳定性。超压气球依靠被动稳定性以及气室内的恒定体积来维持稳定。就像普通气罐一样，尽管外部因素会影响内部压力，但由于系统的体积和质量保持不变，其浮力平衡状态也不会改变。

在超压气球中维持足够的内部压力对于确保稳定性至关重要。金星大气中的垂直气流可能会使气球暂时偏离其稳定飞行高度。如果气球下移过度，其气球外壳就会进入低压区域，进而发生暂时性挤压，导致稳定性下降，因为此时恢复平衡的浮力不会继续随高度变化而线性增加。相反，如果气球上移过度，内部压力超过气球外壳的承受极限，气球就会破裂。因此，气球外壳的承受压力是一个受环境条件影响的参数，满足这一要求会成为气球设计中需要重点考虑的因素。

由于气球爆炸会对任务造成严重且不可逆转的后果，因此在设计这类气球时必须确保有足够的安全系数。以VeGa气球为例，由于担心爆炸问题，它们没有足够的内部压力来在下行气流中保持形状。VeGa 2号气球在700毫巴的压力下就失去了超压状态，结果在53公里的设计飞行高度以下飞行了数小时，如图4-1所示[10][11]。需要指出的是，超压气球的压力损失是一种可恢复的现象，正如VeGa 2号气球所显示的那样，它最终又恢复了设计飞行高度并继续传输数据。

本研究中的系统建模工作重点分析了金星超压飞行机器人的设计要点，并比较了不同设计架构下的优劣。共研究了三类设计架构下的六种设计方案：

第一类架构：静态超压飞行机器人
i. 充氦型
ii. 充氧型
iii. 充氮型

第二类架构：可通过原位资源利用技术补充气体的超压飞行机器人
i. 采用固体氧化物电解技术进行原位资源利用，初始填充氦气
ii. 采用等离子体原位资源利用技术，初始填充氦气

第三类架构：多功能原位资源利用飞行机器人
i. 同时采用固体氧化物电解技术与固体氧化物燃料电池技术进行原位资源利用，初始填充氦气

第一类架构属于静态超压飞行机器人，这类机器人初始时会充入一定量的浮力气体，而这些气体会在任务执行过程中逐渐泄漏。与VeGa探测器类似，这类气球结构简单、成本较低，虽然在寿命方面稍逊一筹，但却是所有设计方案中“质量效益”最高的。第一类架构之间的区别在于初始填充的气体类型。氦气因其重量轻且化学性质稳定，常被用作气球填充气体，但其难以被密封，且无法再生丢失的气体，因此会缩短气球的使用寿命。另一种选择是使用氧气或氮气作为初始填充气体，因为这两种气体在金星以二氧化碳为主的大气环境中也具有浮力。氧气可以通过高氯酸锂的形式携带到金星，而氮气则可通过叠氮化钠的形式运输，这样就无需使用大型储气罐来储存和运输氦气。

还有多种替代气体被提出可用于替代氦气作为金星飞行机器人的填充气体，包括氢气、氮气、水蒸气和氨气。虽然氢气的密度比氦气更低，但在以二氧化碳为主的大气环境中，其提供的浮力提升效果仅约为5%，而且在与氦气相比时，氢气在防止泄漏、材料兼容性以及点火风险等方面存在诸多难题。氨气和水蒸气作为填充气体也会面临类似的技术和材料问题，因此这些气体未被纳入系统设计考虑范围。氮气是一种极具潜力的填充气体；理论上，金星大气中约3%的成分就是氮气，通过原位资源利用技术中的压力摆动吸附工艺或低温蒸馏工艺，就可以利用氮气为飞行机器人提供浮力，这一方法在火星原位资源利用研究中也曾被提出过[12]。尽管设计并优化氮气基原位资源利用系统超出了本研究的范畴，但这仍是未来研究的重要方向。因此，在本研究中，氮气仅会在第一类架构中进行评估。

第二类架构则利用原位资源利用技术来补充丢失的填充气体，从而延长任务寿命。这两类架构都初始填充氦气，随着任务时间的推移，氦气会逐渐泄漏，此时便用一氧化碳、氧气和二氧化碳的混合物来替代氦气。二级固体氧化物电解架构通过固体氧化物电解来实现这一目标，而二级等离子体架构则利用高能脉冲等离子体反应器来生成产品气体。三级架构与二级架构的不同之处在于，一个ISRU系统被用于多种用途。这在固体氧化物电解系统中尤为独特，因为当产品气体被消耗后，电解槽可以作为燃料电池来发电，从而减少夜间为仪器供电所需的电池，降低系统质量，同时延长任务时长。这虽然能大幅节省质量，但需要在白天增加气体生成量，以便在夜间除了补充气体外还能供电。在这六种架构中，设计参数包括飞行器的包层直径、内部气体的初始压力（以基于材料承载限制的分数倍形式给出），以及科学仪器的质量和功率预算。对于二级和三级架构，包层内的压力有一个最终目标值，该值可以低于初始压力系数，以此减轻补充系统的不必要负担。此外，还为光伏阵列和ISRU补充系统增加了两个增益项。这些增益项的存在是为了未来能够在增加太阳能板面积（进而增加质量）与提高气体补充速率（从而增加功率消耗和质量）之间进行优化，以实现给定优化算法的设计目标。这些增益项的设定是基于太阳天顶角对光伏性能和电力供应的影响。

材料与方法
为具备ISRU功能的金星飞行器建立了一个平衡系统模型，该模型以每小时为时间步长，模拟长度为10年的任务期间飞行器及环境状态的变化。由于这三种架构都采用超压气球，其压力变化通常在数小时范围内，因此无需采用分钟或秒级的精度。垂直风场会对飞行器产生随机影响，但变化速度在几秒到几分钟之间，因此模型也考虑了这一因素。

理论与计算
如前所述，该模型由多个模块构成，这些模块可以更换或升级以提高模型的精确度。下面将简要介绍每个模块。

三级：多功能ISRU飞行器案例研究
为了研究多功能ISRU模型的性能，针对一种直径为10米、携带10公斤科学仪器载荷的ISRU飞行器进行了模拟，该飞行器在夜间任务期间为科学仪器提供10瓦的功率。作为超压气球，其初始压力设定为在太阳正午时，包层压力不会超过气球材料超压强度的2倍安全系数，而最终的超压值则设定为初始值的25%。

讨论
从网格模拟结果来看，与使用氦气作为初始升力气体的静态气球相比，ISRU设计的飞行器在寿命方面更具优势；与使用氧气或氮气作为初始升力气体的气球相比，则在成本方面更具优势。三级多功能ISRU设计除了在夜间利用固体氧化物燃料电池供电外，还结合固体氧化物电解气体补充功能，相比仅依靠固体氧化物电解气体补充且夜间依赖电池供电的二级ISRU设计，能进一步减轻质量。

结论
本研究开发并模拟了一个具备ISRU功能的金星飞行器系统模型，旨在比较未来任务中不同设计及架构方案的优势。与非ISRU设计相比，具备ISRU功能的飞行器在任务寿命方面优于传统设计，而在任务成本方面则处于劣势。对整个设计空间进行优化将有助于找到实现预期任务的帕累托最优解，这也是未来工作的重点。EVE项目在初步研究阶段已经发现了诸多技术差距。

作者贡献声明
Jacob Izraelevitz：写作——审阅与编辑、监督、概念设计。
Kyle Horn：写作——审阅与编辑、原始草稿撰写、可视化、软件、方法论、研究、正式分析、概念设计。
S. Elango Elangovan：写作——审阅与编辑、研究、数据整理。
Siddharth Krishnamoorthy：写作——审阅与编辑、监督、概念设计。
Piyush Khopkar：写作——审阅与编辑、软件。
Tyler Hafen：写作——审阅与编辑、数据。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究工作得到了NASA创新先进概念计划的资助。通讯作者还获得了美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（资助编号2141064）以及麻省理工学院MathWorks奖学金计划的支持。喷气推进实验室为这项工作所做的贡献是由加州理工学院喷气推进实验室根据与美国国家航空航天局的合同提供的。OxEon Energy, LLC也提供了支持。