Õrn õhupidurduse kunst: Veenuse uurimise võti

Veenuse kümnend on peaaegu käes. Koos kolm eelseisvat Veenuse missiooni NASA ja Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) plaanide järgi oleme oma naaberplaneedi kohta rohkem teada saama kui kunagi varem.

Kuid me ei õpi ainult planeediteadust. Seekord õpime ka, kuidas juhtida kosmoselaeva võõras atmosfääris tänu kahele missioonile – ESA EnVision ja NASA VERITAS – mis on seatud kasutama uut tehnikat, mida nimetatakse aeropiduriks, et viia oma kosmoselaev õigele orbiidile, et nad saaksid oma teadust teha.

Rääkisime EnVisioni missiooni inseneride ja teadlastega, et saada teada, kuidas nad kavatsevad selle ellu viia – ja mida nad võiksid sellest õppida.

Aeglustamine atmosfääri abil

Tavaliselt aeglustate kosmoselaeva samamoodi nagu kiirendate: kütust põletades. Keemiline tõukejõud on suurepärane viis väga kiireks suure jõu tootmiseks ja see on see, mida vajate nii lähtepunktist startimiseks kui ka sihtkohas orbiidile sisenemiseks.

Samas on kütus ka väga raske. Ja kaal on raha, kui tegemist on rakettide väljalaskmisega. Mida rohkem kütust kosmoseaparaat veab, seda kallim on selle startimine ja seda vähem raha jääb teadusinstrumentidele.

Nii et viimastel aastakümnetel on kosmoseinsenerid välja töötanud tõhusama viisi kosmoselaeva aeglustamiseks. Kütuse põletamise asemel kasutab see uus meetod ära atmosfääri, mis eksisteerib enamikus kohtades, mida tahaksime külastada. Kosmoselaev läheneb atmosfääri ülemistele servadele ja sukeldub sisse, kus hõõrdumine aeglustab seda veidi. Seejärel tõmbub kosmoseaparaat tagasi üles, enne kui uuesti sukeldub, aeglustades järk-järgult mitme languse ajal ja alandades aja jooksul oma orbiiti.

Seda meetodit, mida nimetatakse aeropidurdamiseks, on kasutanud Marsi kosmoseaparaadid ja seda on isegi katsetatud Maale naasvate kosmosesõidukite puhul. Kuid nüüd soovivad missioonimeeskonnad seda tehnikat kasutada ka kahel eelseisval Veenuse missioonil.

Paar varasemat Venuse kosmoseaparaati, nagu Magellan ja Venus Express, on aasta lõpus kasutanud aeropidurdust oma missioonidel, kui nende peamine teadustöö oli tehtud ja meeskonnad soovisid katsetada tehnikat. EnVision ja VERITAS on aga esimesed kosmoselaevad, mis kasutavad õigele orbiidile jõudmiseks oma missioonide alguses aeropidurdust.

15-kuuline maraton 

Kui EnVision Veenusele jõuab, tiirleb see 150 000 miili kõrgusel. Ja see peab jõudma 300 miili kõrgusele pinnast, et saada meeskonna soovitud näidud. Selleks sukeldub see 15 kuu kuni kahe aasta jooksul tuhandeid kordi atmosfääri, liikudes järk-järgult õigele orbiidile.

See nõuab põhjalikku planeerimist, kuid nõuab ka üksikasjalikke teadmisi atmosfääritingimustest, et ennustada, kuidas manöövrid kosmoselaeva mõjutavad. Suurimad aeropidurdust mõjutavad tegurid on temperatuur, tihedus ja tuule kiirus, mis kõik on Veenuse atmosfääri erinevates osades märkimisväärselt erinevad.

See muudab aeropidurdamise Veenuses palju keerulisemaks kui näiteks Marsil. Veenuse gravitatsioon on palju suurem kui Marsil, mis tähendab, et kosmoselaev kogeb atmosfääri läbimisel palju suuremat kiirust. Sellepärast võtab protsess nii kaua aega.

Veenuse karm keskkond

Teine väljakutse on see, et Veenus on a sügavalt külalislahke kohtja see laieneb ka selle atmosfäärile. Veenus on Päikesele lähemal kui Maa, mistõttu saab ta märkimisväärselt soojust ja päikesekiirgust, millele kosmoseaparaat peab vastu pidama. Ja kui kosmoselaev kukub õhku aeropidurdamiseks, põhjustab hõõrdumine selle aeglustumist, kuid see põhjustab ka kuumenemist.

Täpne temperatuur, mida kosmoselaev kogeb, oleneb lõplikest disainiotsustest, kuid see jääb kindlaks "Kõrgeima temperatuuri jaoks võib-olla 200 või 300 kraadi Celsiuse järgi," EnVisioni materjaliteadlane Adrian Tighe. ütles. Kosmoselaev peab toime tulema ka päikese ultraviolettkiirgusega. "See on materjalide jaoks üsna karm keskkond."

Suurim oht ​​kosmoselaevale aeropidurdamise ajal ei ole aga kuumus ega kiirgus. Pigem on see atmosfääri ülemise kihi komponent, aatomi hapnik. Erinevalt enamikust Maal asuvatest hapnikumolekulidest, mis koosnevad kahest hapnikuaatomist, on aatomi hapnik lõhenenud päikesekiirguse toimel ja nii on ka ainult üks hapnikuaatom. See tähendab, et see on väga reaktiivne, nii et see võib materjale ära süüa ja neid korrodeerida.

See on halb uudis kosmoselaeva jaoks, mis peab üle elama kuude pikkuse aeropidurdusfaasi ja seejärel suutma jätkata oma teadusmissiooni. Ja need osakesed pommitavad kosmoselaeva sõna otseses mõttes, kuna see liigub suure kiirusega umbes viis miili sekundis. "See on keemilise reaktsiooni ja kokkupõrkekiiruse kombinatsioon, mis põhjustab probleemi," selgitas Tighe, kuna osakesed tabavad kosmoselaeva "nagu kiirustav kuul".

Veenusekindlate materjalide leidmine

Aatomi hapnik võib metalle oksüdeerida, kuid polümeeride puhul on see veelgi hullem. Need süsinikust, vesinikust ja hapnikust valmistatud plastitaolised materjalid reageerivad aatomihapnikuga, moodustades ühendeid nagu süsinikdioksiid, mis aurustuvad ja nii kaob materjal kosmosesse. Aatomihapnik võib reageerida ka värvidega, näiteks valgete värvidega, mis on vajalikud soojuse tagasipeegeldamiseks ja mis võivad muutuda pruuniks ja muutuda vähem tõhusaks, samuti isolatsioonimaterjaliga, mida nimetatakse mitmekihiliseks isolatsioon.

Suurim murekoht on kosmoselaeva päikesepaneelid, kuna need on nii paljastatud. Päikesepatareid on kaetud klaasiga, mis on aatomihapniku suhtes vastupidav, kuid need asetatakse tavaliselt süsinikkiust substraadile, mis on vastuvõtlik erosioonile. Teine tundlik komponent on õhuke kile, mida kasutatakse isolatsioonina elemendi ja paneeli vahel, mida nimetatakse kaptoniks. Ja erinevaid rakke ühendab õhuke foolium, mis on mõnikord valmistatud hõbedast - ja see on ka tundlik. Seega töötavad insenerid erinevate materjalide valimisel või otsivad viise, kuidas kaitsta materjale aatomi hapnikuga kokkupuute eest.

Kuigi aatomihapnikku ei leidu Maa pinnal palju, on meil siiski arusaam, kuidas sellega toime tulla, kuna seda leidub Maa orbiidil. Satelliidid on loodud taluma teatud tihedust aatomhapnikku, nii et insenerid kasutavad EnVisioni kosmoselaeva projekteerimisel sarnaseid põhimõtteid, et muuta see vastupidavaks. Kuid Maa keskkond ei hõlma nii kõrgeid temperatuure, seega on aatomi hapniku ja kõrge temperatuuri kombinatsioon uus väljakutse.

"Seega pidime kasutama kõige vastupidavamaid materjale," ütles Tighe, kelle rühm on olnud hõivatud selliste materjalide katsetamisega nagu isolatsioon, värv ja päikeseenergia. paneeli komponendid, et leida need, mis suudavad selles karmis keskkonnas 15 kuud vastu pidada, enne kui alustavad oma põhiülesannet.

Teadusandmed tasuta

EnVisioni põhiülesanne ei alga enne, kui aeropidurdusmanöövrid on viinud kosmoseaparaadi lõplikule orbiidile, mis jääb vahemikku 130–340 miili. Kuid teadlased ei lase kunagi võimalust õppida, nii et uurimisrühm töötab selle kallal, mida nad võiksid Veenuse kohta teada saada ka aeropidurdamise faasis.

Atmosfääriteadlased on põnevil võimalusest saada lähedalt ülevaade planeedi ülemisest atmosfäärist, mida harva uuritakse. EnVisioni teadlase Gabriella Gilli sõnul on atmosfääri ülemiste kihtide uurimine raske Instituto de Astrofísica de Andalucía Hispaanias, kuna see on nii õhuke võrreldes tiheda alaosaga õhkkond. "Kaugseireseadmetega on raske mõõta. Meil pole nii väikese tiheduse mõõtmiseks instrumentide jaoks piisavalt täpsust,“ selgitas Gilli.

Seetõttu pakub aeropidurdusmanööver nii ainulaadset teaduslikku võimalust. Mõõtes manöövrite ajal selliseid tegureid nagu tihedus ja temperatuur, saavad teadlased luua terviklikuma pildi atmosfääri ülemisest piirkonnast.

"Me tahame tõesti teada, milline on atmosfääri seisund planeedi igas osas," ütles Gilli. Kuid praegu piirduvad Veenuse piiratud andmed väga lokaliseeritud vaatlustega. Samuti on suuri erinevusi selle vahel, kuidas atmosfäär käitub päeval ja öösel, mida me alles hakkame mõistma.

Kui teadlased saavad selle faasi jooksul andmeid ülemiste atmosfäärikihtide kohta, saavad nad neid võrrelda teiste missioonide andmetega nagu DaVinci, et püüda kokku panna atmosfääris toimuva tervikuna, mitte ainult ühes asukoht.

Tingimustega kohanemine

Aeropidurdusfaasis kogutud tähelepanekud ei paku siiski ainult teaduslikku huvi. Neid edastatakse ka kosmoselaeva meeskonnale, kes saab manöövreid kohandada planeeritud, kui näiteks selgub, et tihedus ühes atmosfääriosas erineb sellest, mis oli oodatud.

"Veenuse atmosfäär on äärmiselt muutlik," selgitas Gilli, mis tähendab, et selle temperatuur ja tihedus muutuvad keerulisel viisil. "Ja varieeruvus on atmosfääri ülemises osas veelgi suurem."

See tähendab, et meie piiratud ennustused selle kohta, mida oodata, võivad vajada märkimisväärset kohandamist, kui kosmoselaev jõuab Veenusele. EnVision Study juhi Thomas Voirini sõnul on kosmoseaparaadiga kokkupuutuvate tingimuste modelleerimine "pidev töö kuni stardini".

Ja isegi pärast käivitamist on aeropidurdusmanöövrite reguleerimine korduv protsess. Missioonimeeskonnal on mudelid selle kohta, mida nad võivad oodata, kuid "tegelikkus on kindlasti erinev," ütles Voirin. Kogu protsess on kavandatud laiade varudega, et võimaldada erinevaid võimalikke kõrvalekaldeid prognoosidest.

Õrn faas

Mis tahes planeetidevahelise missiooni käivitamine on keeruline, kuid aeropidurdamine Veenuses on eriline väljakutse. Alates atmosfääriosade kiirest pöörlemisest kuni päikese aktiivsuse mõjuni, kiirete tuultega ja suure varieeruvuse tõttu peavad sellised kosmoseaparaadid nagu EnVision võitlema paljude teguritega koos.

"See on väga keeruline etapp. Väga delikaatne faas,” ütles Gilli.

Kuid kui see toimib, võib see näidata uut ja soodsamat viisi kosmoselaevade orbiidile toomiseks - ja see tähendab, et missioonid võivad oma teaduseesmärkides olla ambitsioonikamad, olemata rohkem kallis.

Protsess on pikk ja nõuab teadlastelt ja avalikkuselt kannatlikkust, kuid see võib muuta seda, kuidas me Veenusel planeediteadust teeme.

"See tundub üsna keeruline asi. Sa mõtled, miks sa seda teeksid? Miks peaksite kulutama kaks aastat, oodates seda üsna riskantset manöövrit? See on sellepärast, et see võimaldab missiooni tõesti, " ütles Tighe. Ja selles on ka midagi oma olemuselt rahuldust pakkuvat. "See on lihtsalt puhas, kasutades atmosfääri ennast, et võimaldada teil orbiidile pääseda. See on kena viis seda teha."

Toimetajate soovitused

• Siin on põhjus, miks teadlased arvavad, et elu võis "põrguplaneedil" Veenusel õitseda
• Vaadake, kuidas kuu ja Jupiter muutuvad mai taevavaatluse tipphetkedes hubaseks
• Kuidas NASA 1978. aasta astronautiklass muutis kosmoseuuringute palet
• Veenuse vulkaaniline tegevus on jätnud sellele pritsiva väliskesta
• Kaks kosmoselaeva töötasid koos, et õppida tundma Veenuse magnetvälja