فن الفرملة الهوائية الدقيق: مفتاح استكشاف كوكب الزهرة

عقد كوكب الزهرة على الأبواب. مع ثلاث بعثات فينوس القادمة مخطط له من وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ، نحن على وشك معرفة المزيد عن كوكبنا المجاور أكثر من أي وقت مضى.

لكننا لن نتعلم فقط عن علوم الكواكب. هذه المرة سوف نتعلم أيضًا كيفية التحكم في مركبة فضائية في جو غريب ، وذلك بفضل مهمتين - ESA's تصور و VERITAS التابعة لناسا - والتي تم تعيينها لاستخدام تقنية جديدة تسمى aerobraking لإيصال مركبتهم الفضائية إلى المدار الصحيح ليقوموا بعلومهم.

تحدثنا إلى مهندسين وعلماء من مهمة EnVision لمعرفة كيف يخططون لتنفيذها - وما قد يتعلمونه منها.

التباطؤ باستخدام الغلاف الجوي

عادة ، تقوم بإبطاء المركبة الفضائية بنفس الطريقة التي تسرع بها: عن طريق حرق الوقود. يعتبر الدفع الكيميائي طريقة رائعة لإنتاج الكثير من القوة بسرعة كبيرة ، وهو ما تحتاجه للإطلاق من الأصل والدخول إلى المدار في وجهتك.

ومع ذلك ، فإن الوقود ثقيل جدًا أيضًا. والوزن هو المال عندما يتعلق الأمر بإطلاق الصواريخ. كلما زادت كمية الوقود التي تحملها المركبة الفضائية ، زادت تكلفة إطلاقها وقلل استخدام الأدوات العلمية.

لذلك في العقود القليلة الماضية ، طور مهندسو الفضاء طريقة أكثر فاعلية لإبطاء المركبة الفضائية. بدلاً من حرق الوقود ، تستفيد هذه الطريقة الجديدة من الغلاف الجوي الموجود في معظم المواقع التي نرغب في زيارتها. تقترب المركبة الفضائية من الحواف العلوية للغلاف الجوي وتنخفض ، حيث يؤدي الاحتكاك إلى إبطائها بمقدار ضئيل. ثم تنسحب المركبة الفضائية مرة أخرى قبل أن تغطس مرة أخرى ، وتتباطأ تدريجيًا على مدى العديد من الانخفاضات وتخفض مدارها بمرور الوقت.

تم استخدام هذه الطريقة ، التي تسمى airobraking ، بواسطة المركبات الفضائية في المريخ ، وقد تم اختبارها حتى لعودة المركبات الفضائية إلى الأرض. ولكن الآن تريد فرق المهام استخدام هذه التقنية لاثنتين من مهمات كوكب الزهرة القادمة أيضًا.

استخدمت اثنتان من المركبات الفضائية السابقة فينوس مثل Magellan و Venus Express الكبح الجوي في نهاية مهمتهم ، عندما تم الانتهاء من عملهم العلمي الرئيسي وأرادت الفرق تجربة تقنية. لكن EnVision و VERITAS ستكونان أول مركبة فضائية تستخدم نظام الكبح الجوي في بداية مهماتهما للوصول إلى المدار الصحيح.

ماراثون لمدة 15 شهرًا 

عندما تصل EnVision إلى كوكب الزهرة ، فإنها ستدور على ارتفاع 150000 ميل. ويحتاج إلى الوصول إلى مسافة 300 ميل فوق السطح للحصول على القراءات التي يريدها الفريق. للقيام بذلك ، سوف تغوص في الغلاف الجوي آلاف المرات على مدى فترة تتراوح بين 15 شهرًا وسنتين ، وتتحرك تدريجياً في المدار الصحيح.

يتطلب هذا تخطيطًا دقيقًا ، ولكنه يتطلب أيضًا معرفة مفصلة بظروف الغلاف الجوي للتنبؤ بكيفية تأثير المناورات على المركبة الفضائية. ستكون أكبر العوامل التي تؤثر على الفرملة الهوائية هي درجة الحرارة والكثافة وسرعة الرياح ، وكلها تختلف اختلافًا كبيرًا في أجزاء مختلفة من الغلاف الجوي لكوكب الزهرة.

وهذا يجعل الكبح الجوي في كوكب الزهرة أكثر تعقيدًا بكثير من الكبح الجوي في المريخ ، على سبيل المثال. كوكب الزهرة له جاذبية أعلى بكثير من المريخ ، مما يعني أن المركبة الفضائية ستختبر سرعات أعلى بكثير عند مرورها عبر الغلاف الجوي. لهذا السبب ستستغرق العملية وقتًا طويلاً.

بيئة كوكب الزهرة القاسية

التحدي الآخر هو أن كوكب الزهرة هو مكان غير مضياف للغاية، وهذا يمتد إلى غلافه الجوي أيضًا. الزهرة أقرب إلى الشمس من الأرض ، لذلك فهي تتلقى حرارة كبيرة وإشعاعًا شمسيًا تحتاج المركبة الفضائية لتحملها. وبينما تسقط المركبة الفضائية في الغلاف الجوي من أجل الكبح الجوي ، يتسبب الاحتكاك في إبطائها - ولكن هذا يتسبب أيضًا في ارتفاع درجة الحرارة.

ستعتمد درجات الحرارة الدقيقة التي ستختبرها المركبة الفضائية على قرارات التصميم النهائية ، ولكنها ستكون في منطقة "ربما 200 أو 300 درجة مئوية لأعلى درجة حرارة ،" أدريان تيغي ، عالم المواد في EnVision ، قال. هناك أيضًا الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس والتي سيتعين على المركبة الفضائية التعامل معها. "إنها بيئة قاسية للغاية بالنسبة للمواد."

ومع ذلك ، فإن أكبر تهديد للمركبة الفضائية أثناء الفرملة الجوية ، ليس الحرارة أو الإشعاع. بدلا من ذلك ، هو أحد مكونات الغلاف الجوي العلوي ، الأكسجين الذري. على عكس معظم جزيئات الأكسجين على الأرض ، والتي تتكون من ذرتين من الأوكسجين ، تم تقسيم الأكسجين الذري بواسطة الإشعاع الصادر من الشمس ، وبالتالي فإن لديه ذرة أكسجين واحدة فقط. هذا يعني أنها شديدة التفاعل ، لذا يمكنها التهام المواد وتآكلها.

هذه أخبار سيئة للمركبة الفضائية ، التي تحتاج إلى البقاء على قيد الحياة في مرحلة الفرملة الجوية التي استمرت لأشهر وبعد ذلك تكون قادرة على المضي قدمًا في مهمتها العلمية. والمركبة الفضائية ستقصف حرفياً بهذه الجسيمات ، لأنها ستتحرك بسرعة عالية تبلغ حوالي خمسة أميال في الثانية. وأوضح تيغي أن "مزيجًا من تفاعل كيميائي وسرعة الاصطدام" هو الذي سيؤدي إلى حدوث المشكلة ، حيث تصطدم الجسيمات بالمركبة الفضائية "مثل رصاصة مسرعة".

إيجاد مواد مقاومة للزهرة

يمكن للأكسجين الذري أكسدة المعادن ، لكنه أسوأ بالنسبة للبوليمرات. تتفاعل هذه المواد الشبيهة بالبلاستيك ، المصنوعة من الكربون والهيدروجين والأكسجين ، مع الأكسجين الذري لتكوين مركبات مثل ثاني أكسيد الكربون تتبخر بعيدًا ، وبالتالي تُفقد هذه المادة في الفضاء. يمكن أن يتفاعل الأكسجين الذري أيضًا مع الدهانات ، مثل الدهانات البيضاء اللازمة لعكس الحرارة بعيدًا و يمكن أن يتحول إلى اللون البني ويصبح أقل فاعلية ، وكذلك مع مادة عازلة تسمى متعددة الطبقات عازلة.

أكبر مصدر للقلق هو الألواح الشمسية للمركبة الفضائية ، لأنها مكشوفة للغاية. الخلايا الشمسية مغطاة بالزجاج ، وهو مقاوم للأكسجين الذري ، ولكن يتم وضعها في طبقة سفلية مصنوعة عادة من ألياف الكربون ، وهي عرضة للتآكل. عنصر حساس آخر هو الرقاقة الرقيقة المستخدمة كعزل بين الخلية واللوحة ، تسمى kapton. وهناك رقاقة رقيقة تربط الخلايا المختلفة ، وهي مصنوعة أحيانًا من الفضة - وهذا أمر حساس أيضًا. لذا يعمل المهندسون إما على اختيار مواد مختلفة ، أو إيجاد طرق لحماية المواد من التعرض للأكسجين الذري.

على الرغم من أن الأكسجين الذري لا يوجد كثيرًا على سطح الأرض ، إلا أننا لدينا بعض الفهم لكيفية التعامل معه كما هو موجود في مدار الأرض. تم تصميم الأقمار الصناعية لتحمل كثافة معينة من الأكسجين الذري ، لذلك يستخدم المهندسون مبادئ مماثلة لتصميم مركبة الفضاء EnVision لجعلها مقاومة. لكن بيئة الأرض لا تتضمن مثل هذه درجات الحرارة المرتفعة ، لذا فإن الجمع بين الأكسجين الذري ودرجات الحرارة المرتفعة يمثل تحديًا جديدًا.

قال تيجي ، الذي كانت مجموعته منشغلة باختبار مواد مثل العزل والطلاء والطاقة الشمسية مكونات اللوحة للعثور على المكونات التي ستكون قادرة على تحمل 15 شهرًا من هذه البيئة القاسية قبل أن تبدأ مهمتها الرئيسية.

بيانات العلوم مجانًا

لن تبدأ مهمة EnVision الرئيسية حتى تؤدي مناورات الكبح الجوي إلى هبوط المركبة الفضائية إلى مدارها النهائي الذي يتراوح بين 130 و 340 ميلاً. لكن العلماء لا يتركون فرصة للتعلم تفوتهم ، لذلك يعمل فريق البحث على ما قد يكون قادرًا على معرفته عن كوكب الزهرة أثناء مرحلة الكبح الجوي أيضًا.

علماء الغلاف الجوي متحمسون لإمكانية الحصول على رؤية قريبة للغلاف الجوي العلوي للكوكب ، والتي نادرًا ما تتم دراستها. دراسة الغلاف الجوي العلوي صعبة ، وفقًا لعالمة EnVision غابرييلا جيلي Instituto de Astrofísica de Andalucía في إسبانيا ، لأنه رقيق جدًا مقارنةً بالأدنى الكثيفة أَجواء. "من الصعب قياسه باستخدام أدوات الاستشعار عن بعد. وأوضح جيلي أنه ليس لدينا دقة كافية للأجهزة لقياس مثل هذه الكثافة الصغيرة.

لهذا السبب تقدم مناورة الكبح الجوي فرصة علمية فريدة من نوعها. من خلال أخذ قياسات لعوامل مثل الكثافة ودرجة الحرارة أثناء المناورات ، يمكن للعلماء تكوين صورة أكثر شمولاً للمنطقة العليا من الغلاف الجوي.

قال جيلي: "نريد حقًا معرفة حالة الغلاف الجوي في كل جزء من أجزاء الكوكب". ولكن في الوقت الحالي ، تقتصر البيانات المحدودة التي لدينا من كوكب الزهرة على الملاحظات المحلية للغاية. هناك أيضًا اختلافات شاسعة بين سلوك الغلاف الجوي أثناء النهار مقابل أثناء الليل ، والتي بدأنا للتو في فهمها.

إذا تمكن العلماء من الحصول على بيانات عن الغلاف الجوي العلوي خلال هذه المرحلة ، فيمكنهم مقارنتها ببيانات من بعثات أخرى مثل دافينشي لمحاولة تجميع ما يحدث في الغلاف الجوي ككل ، وليس في جو واحد فقط موقع.

التكيف مع الظروف

ومع ذلك ، فإن الملاحظات التي تم جمعها خلال مرحلة الكبح الجوي لن تكون ذات أهمية علمية فقط. سيتم إعادتهم أيضًا إلى فريق المركبات الفضائية ، الذي يمكنه ضبط الطريقة التي تجري بها المناورات مخطط لها إذا اتضح ، على سبيل المثال ، أن الكثافة في جزء واحد من الغلاف الجوي تختلف عما كانت عليه مُتوقع.

أوضح جيلي أن "الغلاف الجوي للزهرة متغير للغاية" ، مما يعني أن درجة حرارته وكثافته تتغير بطرق معقدة. "والتباين أعلى في الجزء العلوي من الغلاف الجوي."

هذا يعني أن التنبؤات المحدودة التي لدينا حول ما يمكن توقعه قد تحتاج إلى تعديل كبير بمجرد وصول المركبة الفضائية إلى كوكب الزهرة. سيكون نمذجة الظروف التي ستواجهها المركبة الفضائية "عملًا مستمرًا قيد التقدم حتى الإطلاق" ، وفقًا لتوماس فويرين ، مدير دراسة EnVision.

وحتى بعد الإطلاق ، يعد ضبط مناورات الكبح الجوي عملية تكرارية. قال فويرين إن فريق المهمة لديه نماذج لما يمكن أن يتوقع العثور عليه ، ولكن "بالتأكيد ، سيكون الواقع مختلفًا". تم تصميم العملية بأكملها بهوامش عريضة ، للسماح بمختلف الانحرافات المحتملة عن التنبؤات.

مرحلة حساسة

يعد إطلاق أي مهمة بين الكواكب أمرًا صعبًا ، لكن الكبح الجوي في كوكب الزهرة يمثل تحديًا خاصًا. من الدوران السريع لأجزاء من الغلاف الجوي إلى تأثيرات النشاط الشمسي مع الرياح السريعة والتنوع الكبير ، هناك الكثير من العوامل التي سيتعين على المركبات الفضائية مثل EnVision مواجهتها مع.

"هذه مرحلة صعبة للغاية. قال جيلي: "إنها مرحلة حساسة للغاية".

ولكن إذا نجحت ، يمكن أن تظهر طريقة جديدة وبأسعار معقولة لإدخال المركبات الفضائية في مداراتها - وهذا يعني أن البعثات يمكن أن تكون أكثر طموحًا في أهدافها العلمية دون أن تكون أكثر غالي.

هذه العملية طويلة ، وستتطلب الصبر من الباحثين والجمهور ، ولكن لديها القدرة على تغيير الطريقة التي نقوم بها بعلوم الكواكب في كوكب الزهرة.

"يبدو الأمر معقدًا للغاية. تعتقد ، حسنا ، لماذا تفعل ذلك؟ لماذا تقضي عامين في انتظار ما يعتبر مناورة محفوفة بالمخاطر؟ قال تيجي: "هذا لأنه يمكّن المهمة حقًا". وهناك شيء يرضي بطبيعته أيضًا. "إنه أنيق تمامًا ، باستخدام الغلاف الجوي نفسه لتمكينك من الوصول إلى المدار. إنها طريقة رائعة للقيام بذلك ".

توصيات المحررين

• إليكم سبب اعتقاد العلماء أن الحياة ربما تكون قد ازدهرت على كوكب الزهرة "الجحيم"
• شاهد القمر والمشتري يبعثان الدفء في مشاهد مشاهدة السماء في شهر مايو
• كيف غيرت فئة رواد الفضاء في ناسا عام 1978 وجه استكشاف الفضاء
• ترك النشاط البركاني للزهرة غلافًا خارجيًا اسفنجيًا
• عملت مركبتان فضائيتان معًا للتعرف على المجال المغناطيسي لكوكب الزهرة