Деликатното изкуство на въздушното спиране: Ключът към изследването на Венера

Десетилетието на Венера е почти пред нас. с три предстоящи мисии на Венера планирано от НАСА и Европейската космическа агенция (ESA), ние сме на прага да научим повече за нашата съседна планета от всякога.

Но ние няма да учим само за планетарната наука. Този път ще научим и как да управляваме космически кораб в извънземна атмосфера, благодарение на две мисии – на ESA EnVision и VERITAS на НАСА – които са настроени да използват нова техника, наречена въздушно спиране, за да изведат своя космически кораб в правилната орбита, за да направят своята наука.

Разговаряхме с инженери и учени от мисията на EnVision, за да научим как планират да я изпълнят – и какво могат да научат от нея.

Забавяне с помощта на атмосферата

Обикновено бихте забавили космически кораб по същия начин, по който го ускорявате: чрез изгаряне на гориво. Химическото задвижване е чудесен начин да произведете много сила много бързо и е това, от което се нуждаете както за изстрелване от началната точка, така и за навлизане в орбита на вашата дестинация.

Горивото обаче също е много тежко. А теглото е пари, когато става въпрос за изстрелване на ракети. Колкото повече гориво носи един космически кораб, толкова по-скъпо ще бъде изстрелването му и толкова по-малко ще има средства за научни инструменти.

Така че през последните няколко десетилетия космическите инженери разработват по-ефективен начин за забавяне на космически кораб. Вместо да изгаря гориво, този нов метод се възползва от атмосферата, която съществува на повечето места, които бихме искали да посетим. Космическият кораб се доближава до горните граници на атмосферата и се потапя навътре, където триенето ще го забави с малко. След това космическият кораб се изтегля обратно, преди да се потопи отново, като постепенно забавя скоростта си при многобройни спадове и понижава орбитата си с течение на времето.

Този метод, наречен aerbraking, е използван от космически кораби на Марс и дори е експериментиран за космически кораби, връщащи се на Земята. Но сега екипите на мисията искат да използват техниката и за две от предстоящите мисии на Венера.

Няколко предишни космически кораба Венера като Магелан и Венера Експрес са използвали въздушно спиране в края на техните мисии, когато основната им научна работа беше свършена и екипите искаха да експериментират с техника. Но EnVision и VERITAS ще бъдат първите космически кораби, които ще използват въздушно спиране в началото на своите мисии, за да влязат в правилната орбита.

15-месечен маратон 

Когато EnVision пристигне на Венера, тя ще бъде в орбита на височина от 150 000 мили. И трябва да се спусне чак до 300 мили над повърхността, за да получи показанията, които екипът иска. За да направи това, той ще се потопи в атмосферата хиляди пъти за период между 15 месеца и две години, постепенно преминавайки в правилната орбита.

Това изисква щателно планиране, но също така изисква подробно познаване на атмосферните условия, за да се предвиди как маневрите ще повлияят на космическия кораб. Най-големите фактори, влияещи върху въздушното спиране, ще бъдат температурата, плътността и скоростта на вятъра, всички от които варират значително в различните части на атмосферата на Венера.

Това прави въздушното спиране на Венера много по-сложно от въздушното спиране на Марс, например. Венера има много по-висока гравитация от Марс, което означава, че космическият кораб ще има много по-високи скорости, когато преминава през атмосферата. Ето защо процесът ще отнеме толкова време.

Суровата среда на Венера

Друго предизвикателство е, че Венера е a крайно негостоприемно място, и това се простира и до неговата атмосфера. Венера е по-близо до слънцето от Земята, така че получава значителна топлина и слънчева радиация, които космическият кораб трябва да може да издържи. И докато космическият кораб пада в атмосферата за въздушно спиране, триенето го кара да се забавя - но това също причинява нагряване.

Точните температури, които космическият кораб ще изпита, ще зависят от окончателните дизайнерски решения, но това ще бъде в област от „може би 200 или 300 градуса по Целзий за най-високата температура“, Адриан Тиге, учен по материали за EnVision, казах. Има и ултравиолетовата радиация от слънцето, с която космическият кораб ще трябва да се справи. „Това е доста сурова среда за материалите.“

Най-голямата заплаха за космическия кораб по време на въздушното спиране обаче не е топлината или радиацията. По-скоро това е компонент на горната атмосфера, атомарния кислород. За разлика от повечето кислородни молекули на Земята, които са изградени от два кислородни атома, атомарният кислород е разделен от радиация от слънцето и така има само един кислороден атом. Това означава, че е силно реактивен, така че може да разяде материалите и да ги корозира.

Това са лоши новини за космическия кораб, който трябва да оцелее през продължилата месеци фаза на въздушно спиране и след това да може да продължи към своята научна мисия. И космическият кораб буквално ще бъде бомбардиран от тези частици, тъй като ще се движи с висока скорост от около пет мили в секунда. „Това е комбинация от химическа реакция и скорост на удара“, която ще причини проблема, обясни Тиге, като частиците удрят космическия кораб „като бърз куршум“.

Намиране на устойчиви на Венера материали

Атомарният кислород може да окислява металите, но е още по-лошо за полимерите. Тези подобни на пластмаса материали, направени от въглерод, водород и кислород, реагират с атомарния кислород, за да образуват съединения като въглероден диоксид, които се изпаряват и така този материал се губи в космоса. Атомарният кислород може също да реагира с бои, като бели бои, които са необходими за отразяване на топлината и които могат да станат кафяви и да станат по-малко ефективни, както и с изолационен материал, наречен многослоен изолация.

Най-голямото безпокойство са слънчевите панели на космическия кораб, тъй като те са толкова изложени. Слънчевите клетки са покрити със стъкло, което е устойчиво на атомарен кислород, но те са поставени в субстрат, обикновено изработен от въглеродни влакна, който е податлив на ерозия. Друг чувствителен компонент е тънкото фолио, използвано като изолация между клетката и панела, наречено каптон. И има тънко фолио, свързващо различните клетки, което понякога е направено от сребро - и това също е чувствително. Така че инженерите работят или върху избора на различни материали, или върху намирането на начини за защита на материалите от излагане на атомарен кислород.

Въпреки че атомарният кислород не се намира много на повърхността на Земята, ние имаме известно разбиране как да се справим с него, тъй като се намира в околоземна орбита. Сателитите са проектирани да издържат на определена плътност на атомарния кислород, така че инженерите използват подобни принципи, за да проектират космическия кораб EnVision, за да го направят устойчив. Но околната среда на Земята не включва толкова високи температури, така че комбинацията от атомен кислород и високи температури е ново предизвикателство.

„Така че трябваше да използваме най-здравите материали“, каза Тиге, чиято група беше заета да тества материали като изолация, боя и слънчева енергия. панелни компоненти, за да намери тези, които ще могат да издържат 15 месеца на тази сурова среда, преди дори да започне основната си мисия.

Научни данни безплатно

Основната мисия на EnVision няма да започне, докато маневрите за въздушно спиране не доведат космическия кораб до крайната му орбита между 130 и 340 мили. Но учените никога не позволяват на възможността да научат да ги подмине, така че изследователски екип работи върху това, което биха могли да научат за Венера и по време на фазата на въздушно спиране.

Атмосферните учени са развълнувани от възможността да се види отблизо горната атмосфера на планетата, която рядко се изучава. Изучаването на горните слоеве на атмосферата е трудно, според учения от EnVision Габриела Гили от Instituto de Astrofísica de Andalucía в Испания, защото е толкова тънък в сравнение с плътния по-нисък атмосфера. „Трудно е да се измери с инструменти за дистанционно наблюдение. Нямаме достатъчно точност за инструменти за измерване на толкова малка плътност“, обясни Джили.

Ето защо маневрата с въздушно спиране предлага такава уникална научна възможност. Като правят измервания на фактори като плътност и температура по време на маневрите, учените могат да изградят по-изчерпателна картина на горната част на атмосферата.

„Наистина искаме да знаем какво е състоянието на атмосферата във всяка част на планетата“, каза Джили. Но в момента ограничените данни, които имаме от Венера, са ограничени до силно локализирани наблюдения. Съществуват и огромни разлики между поведението на атмосферата през деня и през нощта, което едва сега започваме да разбираме.

Ако учените могат да получат данни за горните слоеве на атмосферата по време на тази фаза, те могат да ги сравнят с данни от други мисии като Да Винчи, за да се опитаме да сглобим какво се случва в атмосферата като цяло, а не само в едно местоположение.

Приспособяване към условията

Наблюденията, събрани по време на фазата на въздушно спиране, обаче няма да бъдат само от научен интерес. Те също ще бъдат изпратени обратно на екипа на космическия кораб, който може да коригира начина, по който протичат маневрите планирано, ако да речем се окаже, че плътността в една част от атмосферата е различна от това, което е било очакван.

„Атмосферата на Венера е изключително променлива“, обясни Джили, което означава, че нейната температура и плътност се променят по сложни начини. „И променливостта е още по-висока в горната част на атмосферата.“

Това означава, че ограничените прогнози, които имаме за това какво да очакваме, може да се нуждаят от значителна корекция, след като космическият кораб пристигне на Венера. Моделирането на условията, на които ще се сблъска космическият кораб, ще бъде „непрекъсната работа до изстрелването“, според Томас Воарин, мениджър на EnVision Study.

И дори след изстрелването, коригирането на маневрите на въздушното спиране е повтарящ се процес. Екипът на мисията има модели на това, което може да очаква да намери, но „със сигурност реалността ще бъде различна“, каза Воарин. Целият процес е проектиран с широки граници, за да позволи различни възможни отклонения от прогнозите.

Деликатна фаза

Стартирането на каквато и да е междупланетна мисия е трудно, но въздушното спиране на Венера е особено предизвикателство. От бързото въртене на части от атмосферата до ефектите от слънчевата активност, с бързи ветрове и висока променливост, има много фактори, с които космически кораби като EnVision ще трябва да се борят с.

„Това е много предизвикателна фаза. Много деликатна фаза“, каза Джили.

Но ако работи, може да демонстрира нов и по-достъпен начин за вкарване на космически кораби в техните орбити — и това означава, че мисиите могат да бъдат по-амбициозни в своите научни цели, без да са повече скъпо.

Процесът е дълъг и ще изисква търпение от изследователите и обществеността, но има потенциала да промени начина, по който правим планетарна наука на Венера.

„Изглежда доста сложно нещо. Мислиш си, добре, защо би го направил? Защо бихте прекарали две години в чакане на това, което е доста рискована маневра? Това е така, защото наистина позволява мисията“, каза Тиге. И има нещо присъщо задоволително в това. „Просто е добре, използвайки самата атмосфера, за да ви позволи да влезете в орбитата. Това е чудесен начин да го направите.

Препоръки на редакторите

• Ето защо учените смятат, че животът може да е процъфтявал на „адската планета“ Венера
• Вижте как Луната и Юпитер се чувстват уютно в акцентите за наблюдение на небето през май
• Как класът на астронавтите на НАСА от 1978 г. промени лицето на изследването на космоса
• Вулканичната активност на Венера я е оставила с мека външна обвивка
• Два космически кораба работиха заедно, за да научат за магнитното поле на Венера