Aerobremsningens delikate kunst: Nøglen til at udforske Venus

Venus' årti er næsten over os. Med tre kommende Venus-missioner planlagt fra NASA og European Space Agency (ESA), er vi på nippet til at lære mere om vores naboplanet end nogensinde før.

Men vi vil ikke kun lære om planetarisk videnskab. Denne gang vil vi også lære at styre et rumfartøj i en fremmed atmosfære takket være to missioner - ESA's EnVision og NASAs VERITAS - som er indstillet til at bruge en ny teknik kaldet aerobraking for at få deres rumfartøjer ind i den rigtige bane, så de kan udføre deres videnskab.

Vi talte med ingeniører og videnskabsmænd fra EnVision-missionen for at lære, hvordan de planlægger at gennemføre det - og hvad de kan lære af det.

Sæt farten ned ved hjælp af atmosfæren

Normalt ville du bremse et rumfartøj på samme måde, som du fremskynder det: ved at brænde brændstof. Kemisk fremdrift er en fantastisk måde at producere en masse kraft meget hurtigt på, og det er det, du har brug for både til at starte fra din oprindelse og komme ind i kredsløb på din destination.

Men brændstof er også meget tungt. Og vægt er penge, når det kommer til raketopsendelser. Jo mere brændstof et rumfartøj medbringer, jo dyrere vil det være at opsende, og jo mindre plads vil der være til videnskabelige instrumenter.

Så i de sidste par årtier har rumingeniører udviklet en mere effektiv måde at bremse et rumfartøj på. I stedet for at brænde brændstof udnytter denne nye metode den atmosfære, der findes på de fleste steder, vi gerne vil besøge. Rumfartøjet nærmer sig de øvre kanter af atmosfæren og dykker ned, hvor friktion vil bremse det med en lille mængde. Derefter trækker rumfartøjet sig tilbage, før det dykker ned igen, gradvist bremse over flere dyk og sænke sin bane over tid.

Denne metode, kaldet aerobraking, er blevet brugt af rumfartøjer på Mars, og er endda blevet eksperimenteret med til rumfartøjer, der vender tilbage til Jorden. Men nu vil missionshold også bruge teknikken til to af de kommende Venus-missioner.

Et par tidligere Venus-rumfartøjer som Magellan og Venus Express har brugt aerobremsning i slutningen af deres missioner, da deres vigtigste videnskabelige arbejde var udført, og holdene ønskede at eksperimentere med teknik. Men EnVision og VERITAS vil være det første rumfartøj, der bruger aerobremsning i starten af ​​deres missioner for at komme ind i den rigtige bane.

15 måneders maraton 

Når EnVision ankommer til Venus, vil den kredse i en højde af 150.000 miles. Og den skal helt ned til 300 miles over overfladen for at få de aflæsninger, som holdet ønsker. For at gøre dette vil den dykke ned i atmosfæren tusindvis af gange over en periode på mellem 15 måneder og to år og gradvist bevæge sig ind i den korrekte bane.

Dette kræver omhyggelig planlægning, men det kræver også detaljeret viden om atmosfæriske forhold at forudsige, hvordan manøvrerne vil påvirke rumfartøjet. De største faktorer, der påvirker aerobremsning, vil være temperatur, tæthed og vindhastigheder, som alle varierer betydeligt i forskellige dele af den venusiske atmosfære.

Det gør aerobremsning på Venus meget mere kompliceret end aerobremsning på Mars, for eksempel. Venus har meget højere tyngdekraft end Mars, hvilket betyder, at rumfartøjet vil opleve meget højere hastigheder, når det passerer gennem atmosfæren. Det er derfor, processen kommer til at tage så lang tid.

Venus' barske miljø

En anden udfordring er, at Venus er en dybt ugæstfrit sted, og det strækker sig også til dens atmosfære. Venus er tættere på solen end Jorden, så den modtager betydelig varme- og solstråling, som rumfartøjet skal kunne modstå. Og da rumfartøjet falder ned i atmosfæren til aerobremsning, får friktionen det til at bremse - men det forårsager også opvarmning.

De nøjagtige temperaturer, som rumfartøjet vil opleve, vil afhænge af endelige designbeslutninger, men det vil være i område med "måske 200 eller 300 grader celsius for den højeste temperatur," Adrian Tighe, materialeforsker for EnVision, sagde. Der er også den ultraviolette stråling fra solen, som rumfartøjet skal håndtere. "Det er et ret barskt miljø for materialerne."

Den største trussel mod rumfartøjet under aerobremsning er dog ikke varmen eller strålingen. Det er snarere en komponent af den øvre atmosfære, atomart oxygen. I modsætning til de fleste iltmolekyler på Jorden, som er lavet af to iltatomer, er atomart ilt blevet spaltet af stråling fra solen og har kun ét iltatom. Det betyder, at det er meget reaktivt, så det kan tære på materialer og korrodere dem.

Det er dårlige nyheder for rumfartøjet, som skal overleve den måneder lange aerobremsningsfase og derefter være i stand til at gå videre til sin videnskabelige mission. Og rumfartøjet vil bogstaveligt talt blive bombarderet af disse partikler, da det vil bevæge sig med en høj hastighed på omkring fem miles i sekundet. "Det er en kombination af en kemisk reaktion og anslagshastigheden", der vil forårsage problemet, forklarede Tighe, med partikler, der rammer rumfartøjet "som en fartkugle."

At finde Venus-sikre materialer

Atomilten kan oxidere metaller, men det er endnu værre for polymerer. Disse plastiklignende materialer, lavet af kulstof, brint og oxygen, reagerer med atomets oxygen og danner forbindelser som kuldioxid, der fordamper væk, og så materiale går tabt i rummet. Atomilt kan også reagere med maling, såsom hvid maling, der skal til for at reflektere varme væk og der kan blive brune og blive mindre effektive, samt med isoleringsmateriale kaldet flerlags isolering.

Den største bekymring er rumfartøjets solpaneler, fordi de er så udsatte. Solcellerne er dækket af glas, som er modstandsdygtigt over for atomart oxygen, men disse er sat ind i et underlag, der typisk er lavet af kulfiber, som er modtageligt for erosion. En anden følsom komponent er den tynde folie, der bruges som isolering mellem cellen og panelet, kaldet kapton. Og der er en tynd folie, der forbinder de forskellige celler, som nogle gange er lavet af sølv - og det er også følsomt. Så ingeniørerne arbejder på enten at vælge forskellige materialer eller finde måder at beskytte materialerne mod eksponering for atomarten ilt.

Selvom atomær oxygen ikke findes meget på Jordens overflade, har vi en vis forståelse af, hvordan man håndterer det, som det findes i Jordens kredsløb. Satellitter er designet til at modstå en vis tæthed af atomær oxygen, så ingeniører bruger lignende principper til at designe EnVision-rumfartøjet for at gøre det modstandsdygtigt. Men jordmiljøet involverer ikke så høje temperaturer, så kombinationen af ​​atomart ilt og høje temperaturer er en ny udfordring.

"Så vi var nødt til at bruge de mest robuste materialer," sagde Tighe, hvis gruppe har haft travlt med at teste materialer som isolering, maling og solenergi. panelkomponenter for at finde dem, der vil være i stand til at modstå 15 måneder af dette barske miljø, før de overhovedet begynder sin hovedmission.

Videnskabsdata gratis

EnVisions hovedmission vil ikke begynde, før flybremsemanøvrerne har bragt rumfartøjet ned til dets endelige kredsløb på mellem 130 og 340 miles. Men videnskabsmænd lader aldrig en mulighed for at lære gå fra sig, så et forskerhold arbejder på, hvad de måske også kan lære om Venus under aerobremsningsfasen.

Atmosfæriske videnskabsmænd er begejstrede for muligheden for at få et nærbillede af planetens øvre atmosfære, som sjældent studeres. At studere den øvre atmosfære er svært, ifølge EnVision-forsker Gabriella Gilli fra the Instituto de Astrofísica de Andalucía i Spanien, fordi den er så tynd sammenlignet med den tætte lavere atmosfære. "Det er svært at måle med fjernmålingsinstrumenter. Vi har ikke tilstrækkelig nøjagtighed til, at instrumenter kan måle en så lille densitet,” forklarede Gilli.

Det er derfor, at aerobremsemanøvren tilbyder en så unik videnskabelig mulighed. Ved at tage målinger af faktorer som tæthed og temperatur under manøvrerne kan forskerne opbygge et mere omfattende billede af den øvre del af atmosfæren.

"Vi vil virkelig gerne vide, hvordan atmosfærens tilstand er i alle dele af planeten," sagde Gilli. Men i øjeblikket er de begrænsede data, vi har fra Venus, begrænset til meget lokaliserede observationer. Der er også store forskelle mellem hvordan atmosfæren opfører sig om dagen versus om natten, hvilket vi kun lige er begyndt at forstå.

Hvis forskere kan få data om den øvre atmosfære i denne fase, kan de sammenligne det med data fra andre missioner som DaVinci for at forsøge at samle, hvad der sker i atmosfæren som helhed, snarere end i kun én Beliggenhed.

Tilpasning til forholdene

Observationerne indsamlet under aerobremsningsfasen vil dog ikke kun være af videnskabelig interesse. De vil også blive ført tilbage til rumfartøjsholdet, som kan justere måden, manøvrerne foregår på planlagt, hvis det for eksempel viser sig, at tætheden i en del af atmosfæren er anderledes end den, der var forventet.

"Venus-atmosfæren er ekstremt variabel," forklarede Gilli, hvilket betyder, at dens temperatur og tæthed ændrer sig på komplekse måder. "Og variationen er endnu højere i den øvre del af atmosfæren."

Det betyder, at de begrænsede forudsigelser, vi har om, hvad vi kan forvente, muligvis skal justeres betydeligt, når rumfartøjet ankommer til Venus. Modellering af de forhold, som rumfartøjet vil støde på, vil være "et kontinuerligt arbejde i gang indtil opsendelsen," ifølge Thomas Voirin, EnVision Study manager.

Og selv efter lanceringen er justering af aerobremsningsmanøvrerne en iterativ proces. Missionsholdet har modeller for, hvad de kan forvente at finde, men "sikkert vil virkeligheden være anderledes," sagde Voirin. Hele processen er designet med brede marginer, for at tillade forskellige mulige afvigelser fra forudsigelser.

En delikat fase

Det er svært at starte en interplanetarisk mission, men aerobremsning ved Venus er en særlig udfordring. Fra den hurtige rotation af dele af atmosfæren til virkningerne af solaktivitet, med hurtige vinde og høj variabilitet, er der en masse faktorer, som rumfartøjer som EnVision bliver nødt til at kæmpe med med.

"Dette er en meget udfordrende fase. En meget delikat fase,” sagde Gilli.

Men hvis det virker, kan det demonstrere en ny og mere overkommelig måde at få rumfartøjer ind i deres kredsløb - og det betyder, at missioner kan være mere ambitiøse i deres videnskabelige mål uden at være mere dyrt.

Processen er lang og vil kræve tålmodighed fra forskerne og offentligheden, men den har potentialet til at ændre den måde, vi laver planetvidenskab på Venus på.

"Det ser ret kompliceret ud. Du tænker, ja, hvorfor ville du gøre det? Hvorfor ville du bruge to år på at vente på, hvad der er en ret risikabel manøvre? Det er, fordi det virkelig muliggør missionen," sagde Tighe. Og der er også noget i sagens natur tilfredsstillende ved det. "Det er bare pænt at bruge selve atmosfæren til at gøre det muligt for dig at komme ind i kredsløbet. Det er en pæn måde at gøre det på."

Redaktørens anbefalinger

• Her er grunden til, at videnskabsmænd tror, ​​at livet kan have trivdes på 'helvedesplaneten' Venus
• Se månen og Jupiter blive hyggelige i majs højdepunkter
• Hvordan NASAs astronautklasse fra 1978 ændrede rumudforskningens ansigt
• Venus' vulkanske aktivitet har efterladt den med en squishy ydre skal
• To rumfartøjer arbejdede sammen for at lære om Venus' magnetfelt