Jemné umění aerobrakingu: Klíč k objevování Venuše

Dekáda Venuše je téměř za námi. S tři nadcházející mise Venuše plánované od NASA a Evropské vesmírné agentury (ESA), jsme na pokraji toho, že se o naší sousední planetě dozvíme více než kdy předtím.

Ale nebudeme se učit pouze o planetární vědě. Tentokrát se také naučíme, jak ovládat vesmírnou loď v mimozemské atmosféře, a to díky dvěma misím – ESA EnVision a VERITAS NASA – které jsou nastaveny tak, že budou používat novou techniku ​​zvanou aerobraking, aby dostaly své kosmické lodě na správnou oběžnou dráhu, aby mohly dělat svou vědu.

Mluvili jsme s inženýry a vědci z mise EnVision, abychom se dozvěděli, jak to plánují vytáhnout – a co by se z toho mohli naučit.

Zpomalení pomocí atmosféry

Normálně byste kosmickou loď zpomalili stejným způsobem, jakým ji zrychlujete: spalováním paliva. Chemický pohon je skvělý způsob, jak rychle vyvinout velké množství síly, a to je to, co potřebujete jak pro start z vašeho výchozího bodu, tak pro vstup na oběžnou dráhu v cíli.

Palivo je však také velmi těžké. A váha jsou peníze, pokud jde o starty raket. Čím více paliva kosmická loď veze, tím dražší bude její vypuštění a tím menší bude prostor pro vědecké přístroje.

Takže v posledních několika desetiletích vesmírní inženýři vyvíjeli efektivnější způsob, jak zpomalit kosmickou loď. Namísto spalování paliva tato nová metoda využívá atmosféru, která existuje na většině míst, která bychom chtěli navštívit. Kosmická loď se přiblíží k horním okrajům atmosféry a ponoří se dovnitř, kde ji tření o malé množství zpomalí. Poté se kosmická loď vytáhne zpět, než se znovu ponoří, postupně zpomaluje během několika poklesů a časem snižuje svou dráhu.

Tuto metodu zvanou aerobraking využívaly kosmické lodě na Marsu a dokonce se s ní experimentovalo i pro kosmické lodě vracející se na Zemi. Ale nyní chtějí týmy misí použít techniku ​​také pro dvě z nadcházejících misí Venus.

Několik předchozích kosmických lodí Venus, jako je Magellan a Venus Express, na konci použilo aerobraking jejich mise, kdy byla dokončena jejich hlavní vědecká práce a týmy chtěly s nimi experimentovat technika. EnVision a VERITAS však budou první kosmickou lodí, která na začátku svých misí použije aerobraking, aby se dostala na správnou oběžnou dráhu.

15ti měsíční maraton 

Když EnVision dorazí k Venuši, bude obíhat ve výšce 150 000 mil. A potřebuje se dostat až do 300 mil nad povrch, aby získal údaje, které tým chce. Za tímto účelem se během 15 měsíců až dvou let tisíckrát ponoří do atmosféry a postupně se dostane na správnou oběžnou dráhu.

To vyžaduje pečlivé plánování, ale také to vyžaduje podrobnou znalost atmosférických podmínek, aby bylo možné předpovědět, jak manévry ovlivní kosmickou loď. Největšími faktory ovlivňujícími aerobraking budou teplota, hustota a rychlost větru, které se v různých částech atmosféry Venuše značně liší.

To dělá aerobraking na Venuši mnohem komplikovanějším než aerobraking například na Marsu. Venuše má mnohem vyšší gravitaci než Mars, což znamená, že kosmická loď bude při průletu atmosférou zažívat mnohem vyšší rychlosti. Proto bude proces trvat tak dlouho.

Drsné prostředí Venuše

Další výzvou je, že Venuše je a hluboce nehostinné místoa to se vztahuje i na jeho atmosféru. Venuše je blíže Slunci než Země, takže přijímá značné množství tepla a slunečního záření, kterému musí kosmická loď odolat. A když kosmická loď klesá do atmosféry za účelem aerobrzdy, tření způsobí její zpomalení – ale to také způsobuje zahřívání.

Přesné teploty, které bude kosmická loď zažívat, budou záviset na konečných rozhodnutích o návrhu, ale budou v oblast „možná 200 nebo 300 stupňů Celsia pro nejvyšší teplotu,“ Adrian Tighe, materiálový vědec společnosti EnVision, řekl. Existuje také ultrafialové záření ze slunce, které bude muset kosmická loď zvládnout. "Je to docela drsné prostředí pro materiály."

Největší hrozbou pro kosmickou loď během aerobrakingu však není teplo ani radiace. Spíše je to součást horní atmosféry, atomový kyslík. Na rozdíl od většiny molekul kyslíku na Zemi, které se skládají ze dvou atomů kyslíku, atomový kyslík byl štěpen zářením ze slunce, a tak má pouze jeden atom kyslíku. To znamená, že je vysoce reaktivní, takže může rozežírat materiály a korodovat je.

To je špatná zpráva pro kosmickou loď, která musí přežít měsíce trvající fázi aerobrzdy a poté být schopna pokračovat ve své vědecké misi. A kosmická loď bude těmito částicemi doslova bombardována, protože se bude pohybovat vysokou rychlostí kolem pěti mil za sekundu. "Je to kombinace chemické reakce a rychlosti dopadu", která způsobí problém, vysvětlil Tighe, s částicemi zasahujícími kosmickou loď "jako urychlující kulka."

Hledání materiálů odolných vůči Venuši

Atomový kyslík může oxidovat kovy, ale u polymerů je to ještě horší. Tyto materiály podobné plastu, vyrobené z uhlíku, vodíku a kyslíku, reagují s atomárním kyslíkem za vzniku sloučenin, jako je oxid uhličitý, které se vypařují, a tak se materiál ztrácí ve vesmíru. Atomový kyslík může také reagovat s barvami, jako jsou bílé barvy, které jsou potřebné k odrážení tepla a pryč které mohou zhnědnout a ztrácet účinnost, stejně jako izolační materiál nazývaný vícevrstvý izolace.

Největším problémem jsou solární panely kosmické lodi, protože jsou tak odkryté. Solární články jsou pokryty sklem, které je odolné vůči atomárnímu kyslíku, ale tyto jsou zasazeny do substrátu typicky vyrobeného z uhlíkových vláken, které jsou náchylné k erozi. Další citlivou součástí je tenká fólie používaná jako izolace mezi článkem a panelem, zvaná kapton. A je tu tenká fólie spojující různé články, která je někdy vyrobena ze stříbra – a to je také citlivé. Inženýři tedy pracují buď na výběru různých materiálů, nebo na hledání způsobů, jak materiály chránit před vystavením atomovému kyslíku.

Ačkoli se atomový kyslík na zemském povrchu příliš nenachází, máme určité znalosti o tom, jak s ním zacházet, protože se nachází na oběžné dráze Země. Satelity jsou navrženy tak, aby vydržely určitou hustotu atomového kyslíku, takže inženýři používají podobné principy při navrhování kosmické lodi EnVision, aby byla odolná. Ale prostředí Země nezahrnuje tak vysoké teploty, takže kombinace atomárního kyslíku a vysokých teplot je novou výzvou.

"Takže jsme museli použít ty nejodolnější materiály," řekl Tighe, jehož skupina byla zaneprázdněna testováním materiálů, jako jsou izolace, barvy a solární panely. panelové komponenty najít ty, které budou schopny odolat 15 měsícům v tomto drsném prostředí, než vůbec zahájí své hlavní poslání.

Vědecká data zdarma

Hlavní mise EnVision nezačne, dokud manévry aerodynamického brzdění nedostanou kosmickou loď na její konečnou oběžnou dráhu mezi 130 a 340 mil. Ale vědci si nikdy nenechali ujít příležitost se něco naučit, takže výzkumný tým pracuje na tom, co by se mohli dozvědět o Venuši také během fáze aerobrzdy.

Atmosféričtí vědci jsou nadšeni z možnosti získat zblízka horní atmosféru planety, která je zřídka studována. Studium horních vrstev atmosféry je podle vědkyně EnVision Gabrielly Gilli z The EnVision obtížné Instituto de Astrofísica de Andalucía ve Španělsku, protože je tak tenký ve srovnání s hustou spodní atmosféra. „Je obtížné měřit pomocí přístrojů dálkového průzkumu Země. Nemáme dostatečnou přesnost, aby přístroje změřily tak malou hustotu,“ vysvětlil Gilli.

To je důvod, proč manévr aerobrzdy nabízí tak jedinečnou vědeckou příležitost. Měřením faktorů, jako je hustota a teplota během manévrů, mohou vědci vytvořit komplexnější obraz horní oblasti atmosféry.

"Opravdu chceme vědět, jaký je stav atmosféry v každé části planety," řekl Gilli. Ale v současné době jsou omezená data, která máme z Venuše, omezena na vysoce lokalizovaná pozorování. Existují také obrovské rozdíly mezi tím, jak se atmosféra chová ve dne a v noci, což teprve začínáme chápat.

Pokud vědci během této fáze získají údaje o horních vrstvách atmosféry, mohou je porovnat s údaji z jiných misí jako DaVinci, aby se pokusili dát dohromady to, co se děje v atmosféře jako celku, spíše než jen v jedné umístění.

Přizpůsobení podmínkám

Pozorování shromážděná během fáze aerobrzdy však nebudou mít pouze vědecký zájem. Budou také vráceny týmu kosmické lodi, který může upravit způsob, jakým manévry probíhají plánováno, pokud se řekněme ukáže, že hustota v jedné části atmosféry je jiná, než byla očekávaný.

"Atmosféra Venuše je extrémně proměnlivá," vysvětlil Gilli, což znamená, že její teplota a hustota se mění složitým způsobem. "A variabilita je ještě vyšší v horní části atmosféry."

To znamená, že omezené předpovědi, které máme ohledně toho, co lze očekávat, mohou vyžadovat značné úpravy, jakmile kosmická loď dorazí k Venuši. Podle Thomase Voirina, manažera EnVision Study, bude modelování podmínek, se kterými se kosmická loď setká, „nepřetržitou prací až do startu“.

A i po startu je úprava manévrů aerobrzdy iterativním procesem. Tým mise má modely toho, co mohou očekávat, že najdou, ale „realita bude jistě jiná,“ řekl Voirin. Celý proces je navržen s velkými rezervami, aby byly umožněny různé možné odchylky od předpovědí.

Jemná fáze

Spuštění jakékoli meziplanetární mise je obtížné, ale aerobrzda na Venuši je zvláštní výzvou. Od rychlé rotace částí atmosféry až po účinky sluneční aktivity, s rychlými větry a vysoká variabilita, existuje mnoho faktorů, kterým budou muset kosmické lodě jako EnVision čelit s.

„Toto je velmi náročná fáze. Velmi delikátní fáze,“ řekla Gilli.

Pokud by to ale fungovalo, mohlo by to předvést nový a dostupnější způsob, jak dostat kosmické lodě na oběžnou dráhu — a to znamená, že mise mohou být ambicióznější ve svých vědeckých cílech, aniž by byly více drahý.

Tento proces je dlouhý a bude vyžadovat trpělivost od výzkumníků a veřejnosti, ale má potenciál změnit způsob, jakým děláme planetární vědu na Venuši.

„Vypadá to jako docela složitá věc. Myslíš, no, proč bys to dělal? Proč byste strávili dva roky čekáním na docela riskantní manévr? Je to proto, že skutečně umožňuje misi,“ řekl Tighe. A je na tom také něco přirozeně uspokojivého. "Je to prostě úhledné, využívá samotnou atmosféru k tomu, abyste se dostali na oběžnou dráhu." Je to skvělý způsob, jak to udělat."

Doporučení redakce

• Zde je důvod, proč si vědci myslí, že život na „pekelné planetě“ Venuši mohl prosperovat
• Podívejte se, jak se Měsíc a Jupiter zútulňují při pozorování oblohy v květnu
• Jak třída astronautů NASA z roku 1978 změnila tvář vesmírného průzkumu
• Vulkanická aktivita Venuše na ní zanechala zmačkaný vnější obal
• Dvě kosmické lodě spolupracovaly, aby se dozvěděly o magnetickém poli Venuše