Lentojarrutuksen herkkä taide: avain Venuksen tutkimiseen

Venuksen vuosikymmen on pian käsillämme. Kanssa kolme tulevaa Venus-tehtävää NASAn ja Euroopan avaruusjärjestön (ESA) suunnitteleman tekniikan ansiosta olemme paraikaa oppimassa enemmän naapuriplaneetastamme kuin koskaan ennen.

Mutta emme vain opi planeettitieteestä. Tällä kertaa opimme myös ohjaamaan avaruusalusta vieraassa ilmakehässä kahden tehtävän ansiosta – ESAn. Kuvitella ja NASA: n VERITAS – joiden on määrä käyttää uutta tekniikkaa, jota kutsutaan ilmajarrutukseksi, jotta avaruusalukset saadaan oikealle kiertoradalle, jotta he voivat tehdä tieteensä.

Keskustelimme EnVision-operaation insinöörien ja tutkijoiden kanssa saadaksemme tietää, kuinka he aikovat toteuttaa sen – ja mitä he voisivat oppia siitä.

Hidastaa ilmakehän avulla

Normaalisti hidastat avaruusalusta samalla tavalla kuin nopeuttaisit sitä: polttamalla polttoainetta. Kemiallinen propulsio on loistava tapa tuottaa paljon voimaa hyvin nopeasti, ja sitä tarvitset sekä lähtöpisteestä lähtemiseen että kiertoradalle saapumiseen määränpäässäsi.

Polttoaine on kuitenkin myös erittäin raskasta. Ja paino on rahaa rakettien laukaisuissa. Mitä enemmän polttoainetta avaruusalus kuljettaa, sitä kalliimpaa sen laukaisu on ja sitä vähemmän resursseja on tieteellisille instrumenteille.

Joten muutaman viime vuosikymmenen aikana avaruusinsinöörit ovat kehittäneet tehokkaampaa tapaa hidastaa avaruusalusta. Polttoaineen polttamisen sijaan tämä uusi menetelmä hyödyntää ilmapiiriä, joka vallitsee useimmissa paikoissa, joissa haluaisimme vierailla. Avaruusalus lähestyy ilmakehän yläreunoja ja sukeltaa sisään, missä kitka hidastaa sitä hieman. Sitten avaruusalus vetää takaisin ylös ennen kuin se uppoaa uudelleen, hidastaen asteittain useiden laskujen aikana ja laskee kiertorataa ajan myötä.

Tätä menetelmää, jota kutsutaan ilmajarrutukseksi, ovat käyttäneet Marsin avaruusalukset, ja sitä on jopa kokeiltu Maahan palaaville avaruusaluksille. Mutta nyt tehtävätiimit haluavat käyttää tekniikkaa myös kahdessa tulevassa Venus-tehtävässä.

Muutamat aiemmat Venus-avaruusalukset, kuten Magellan ja Venus Express, ovat käyttäneet ilmajarrutusta vuoden lopussa heidän tehtävissään, kun heidän päätieteellisen työnsä oli tehty ja tiimit halusivat kokeilla tekniikka. Mutta EnVision ja VERITAS ovat ensimmäiset avaruusalukset, jotka käyttävät ilmajarrutusta tehtävänsä alussa päästäkseen oikealle kiertoradalle.

15 kuukauden maraton 

Kun EnVision saapuu Venukseen, se kiertää 150 000 mailin korkeudessa. Ja sen on päästävä 300 mailin korkeudelle pinnan yläpuolelle saadakseen ryhmän haluamat lukemat. Tätä varten se uppoaa ilmakehään tuhansia kertoja 15 kuukauden ja kahden vuoden aikana ja siirtyy vähitellen oikealle kiertoradalle.

Tämä vaatii huolellista suunnittelua, mutta se vaatii myös yksityiskohtaista tietoa ilmakehän olosuhteista, jotta voidaan ennustaa, kuinka liikkeet vaikuttavat avaruusalukseen. Suurimmat ilmajarrutukseen vaikuttavat tekijät ovat lämpötila, tiheys ja tuulen nopeudet, jotka kaikki vaihtelevat huomattavasti Venuksen ilmakehän eri osissa.

Tämä tekee ilmajarrutuksesta Venuksella paljon monimutkaisempaa kuin esimerkiksi Marsissa. Venuksen painovoima on paljon suurempi kuin Marsin, mikä tarkoittaa, että avaruusalus kokee paljon suurempia nopeuksia kulkiessaan ilmakehän läpi. Siksi prosessi kestää niin kauan.

Venuksen ankara ympäristö

Toinen haaste on, että Venus on a syvästi epävieraanvarainen paikka, ja se ulottuu myös sen ilmapiiriin. Venus on lähempänä aurinkoa kuin Maa, joten se vastaanottaa runsaasti lämpöä ja auringonsäteilyä, jota avaruusaluksen on kestettävä. Ja kun avaruusalus putoaa ilmakehään ilmajarrutusta varten, kitka hidastaa sitä - mutta se aiheuttaa myös lämpenemistä.

Tarkat lämpötilat, jotka avaruusalus kokee, riippuvat lopullisista suunnittelupäätöksistä, mutta se tulee olemaan "Ehkä 200 tai 300 celsiusastetta korkeimmalla lämpötilalla", Adrian Tighe, EnVisionin materiaalitutkija, sanoi. Siellä on myös auringon ultraviolettisäteilyä, jota avaruusaluksen on käsiteltävä. "Se on aika ankara ympäristö materiaaleille."

Suurin uhka avaruusalukselle ilmajarrutuksen aikana ei kuitenkaan ole lämpö tai säteily. Pikemminkin se on ylemmän ilmakehän komponentti, atomihappi. Toisin kuin useimmat maapallon happimolekyylit, jotka koostuvat kahdesta happiatomista, atomihappi on jaettu auringon säteilyn vaikutuksesta, joten siinä on vain yksi happiatomi. Tämä tarkoittaa, että se on erittäin reaktiivinen, joten se voi syödä materiaaleja ja syövyttää niitä.

Tämä on huono uutinen avaruusalukselle, jonka on selviydyttävä kuukausia kestävästä ilmajarrutusvaiheesta ja sen jälkeen voitava jatkaa tieteellinen tehtäväänsä. Ja nämä hiukkaset pommittavat avaruusalusta kirjaimellisesti, koska se liikkuu suurella nopeudella, noin viisi mailia sekunnissa. "Se on kemiallisen reaktion ja törmäysnopeuden yhdistelmä", joka aiheuttaa ongelman, Tighe selitti, ja hiukkaset iskevät avaruusalukseen "kuin kiihtyvä luoti".

Venuksen kestävien materiaalien löytäminen

Atomihappi voi hapettaa metalleja, mutta se on vielä pahempaa polymeereille. Nämä muovimaiset materiaalit, jotka on valmistettu hiilestä, vedystä ja hapesta, reagoivat atomihapen kanssa muodostaen yhdisteitä, kuten hiilidioksidia, jotka haihtuvat pois, jolloin materiaali katoaa avaruuteen. Atomihappi voi reagoida myös maalien, kuten valkoisten maalien kanssa, joita tarvitaan heijastamaan lämpöä pois joka voi muuttua ruskeaksi ja muuttua vähemmän tehokkaaksi, samoin kuin monikerroksisen eristemateriaalin kanssa eristys.

Suurin huolenaihe on avaruusaluksen aurinkopaneelit, koska ne ovat niin alttiina. Aurinkokennot on peitetty atomihappea kestävällä lasilla, mutta ne asetetaan tyypillisesti hiilikuidusta valmistettuun alustaan, joka on herkkä eroosiolle. Toinen herkkä komponentti on ohut kalvo, jota käytetään eristeenä kennon ja paneelin välillä, nimeltään kapton. Ja eri soluja yhdistää ohut kalvo, joka on joskus valmistettu hopeasta – ja se on myös herkkä. Joten insinöörit työskentelevät joko valitakseen erilaisia ​​materiaaleja tai löytääkseen tapoja suojella materiaaleja altistumiselta atomihapelle.

Vaikka atomihappea ei löydy paljon maan pinnasta, meillä on jonkin verran käsitystä siitä, kuinka käsitellä sitä, koska se löytyy Maan kiertoradalta. Satelliitit on suunniteltu kestämään tietty atomien happitiheys, joten insinöörit käyttävät samanlaisia ​​periaatteita suunnitellakseen EnVision-avaruusaluksen tehdäkseen siitä kestävän. Mutta maapallon ympäristössä ei ole niin korkeita lämpötiloja, joten atomihapen ja korkeiden lämpötilojen yhdistelmä on uusi haaste.

"Joten meidän piti käyttää kestävimpiä materiaaleja", sanoi Tighe, jonka ryhmä on ollut kiireinen testaamassa materiaaleja, kuten eristystä, maalia ja aurinkoenergiaa. paneelikomponentteja löytääksesi ne, jotka kestävät 15 kuukautta tässä ankarassa ympäristössä ennen kuin edes aloittavat päätehtävänsä.

Tiedetiedot ilmaiseksi

EnVisionin päätehtävä alkaa vasta, kun ilmajarrutusliikkeet ovat saaneet avaruusaluksen lopulliselle kiertoradalle, joka on 130–340 mailia. Mutta tutkijat eivät koskaan anna tilaisuuden oppia ohittamaan heitä, joten tutkimusryhmä työskentelee sen eteen, mitä he voisivat oppia Venuksesta myös ilmajarrutusvaiheen aikana.

Ilmakehän tutkijat ovat innoissaan mahdollisuudesta saada lähikuva planeetan yläilmakehästä, jota harvoin tutkitaan. EnVision-tutkijan Gabriella Gillin mukaan yläilmakehän tutkiminen on vaikeaa Instituto de Astrofísica de Andalucía Espanjassa, koska se on niin ohut verrattuna tiheään alempaan tunnelmaa. ”Kaukokartoituslaitteilla sitä on vaikea mitata. Meillä ei ole tarpeeksi tarkkuutta laitteille mittaamaan näin pientä tiheyttä", Gilli selitti.

Siksi ilmajarrutusliike tarjoaa ainutlaatuisen tieteellisen mahdollisuuden. Mittaamalla tekijöitä, kuten tiheyttä ja lämpötilaa liikkeiden aikana, tutkijat voivat luoda kattavamman kuvan ilmakehän yläosasta.

"Haluamme todella tietää, mikä ilmakehän tila on jokaisessa planeetan osassa", Gilli sanoi. Mutta tällä hetkellä rajoitetut tiedot, joita meillä on Venuksesta, rajoittuvat erittäin paikallisiin havaintoihin. Ilmapiirin käyttäytymisessä päivällä ja yöllä on myös suuria eroja, joita olemme vasta alkamassa ymmärtää.

Jos tutkijat voivat saada tietoja yläilmakehästä tämän vaiheen aikana, he voivat verrata sitä muiden tehtävien tietoihin kuten DaVinci yrittää koota ilmapiirissä tapahtuvan kokonaisuuden, ei vain yhdessä sijainti.

Sopeutuminen olosuhteisiin

Ilmajarrutusvaiheen aikana kerätyt havainnot eivät kuitenkaan ole vain tieteellistä mielenkiintoa. Heidät myös palautetaan avaruusalustiimille, jotka voivat säätää liikkeitä suunniteltu, jos esimerkiksi käy ilmi, että tiheys ilmakehän yhdessä osassa on erilainen kuin se oli odotettavissa.

"Venuksen ilmakehä on erittäin vaihteleva", Gilli selitti, mikä tarkoittaa, että sen lämpötila ja tiheys muuttuvat monimutkaisilla tavoilla. "Ja vaihtelu on vielä suurempi ilmakehän yläosassa."

Tämä tarkoittaa, että rajalliset ennusteemme siitä, mitä odottaa, saattavat vaatia huomattavaa säätöä, kun avaruusalus saapuu Venukseen. EnVision Studyn johtajan Thomas Voirinin mukaan avaruusaluksen kohtaamien olosuhteiden mallintaminen on "jatkuvaa työtä laukaisuun asti".

Ja jopa laukaisun jälkeen ilmajarrutusliikkeiden säätäminen on iteratiivinen prosessi. Tehtäväryhmällä on malleja siitä, mitä he voivat odottaa löytävänsä, mutta "todellisuus on varmasti erilainen", Voirin sanoi. Koko prosessi on suunniteltu leveillä marginaaleilla, jotta mahdolliset erilaiset poikkeamat ennusteista voidaan ottaa huomioon.

Herkkä vaihe

Minkä tahansa planeettojen välisen tehtävän käynnistäminen on vaikeaa, mutta ilmajarrutus Venuksella on erityinen haaste. Ilmakehän osien nopeasta pyörimisestä auringon aktiivisuuden vaikutuksiin nopeilla tuulilla ja suuri vaihtelu, on monia tekijöitä, jotka avaruusalukset, kuten EnVision, joutuvat taistelemaan kanssa.

”Tämä on erittäin haastava vaihe. Erittäin herkkä vaihe”, Gilli sanoi.

Mutta jos se toimii, se voisi osoittaa uuden ja edullisemman tavan saada avaruusalukset kiertoradalle - ja tämä tarkoittaa, että tehtävät voivat olla kunnianhimoisempia tieteellisissä tavoitteissaan olematta enemmän kallis.

Prosessi on pitkä ja vaatii kärsivällisyyttä tutkijoilta ja yleisöltä, mutta sillä on potentiaalia muuttaa tapaa, jolla teemme planeettatieteitä Venuksella.

"Se näyttää aika monimutkaiselta jutulta. Ajattelet, miksi tekisit niin? Miksi vietät kaksi vuotta odottamassa tätä melko riskialtista toimenpidettä? Se johtuu siitä, että se todella mahdollistaa tehtävän", Tighe sanoi. Ja siinä on myös jotain luonnostaan ​​tyydyttävää. "Se on vain siisti, käyttää itse ilmakehää mahdollistaakseen pääsyn kiertoradalle. Se on siisti tapa tehdä se."

Toimittajien suositukset

• Tästä syystä tutkijat ajattelevat, että elämä on voinut kukoistaa "helvettiplaneetalla" Venuksella
• Näe kuun ja Jupiterin viihtyvän toukokuun taivaankatselukohdissa
• Kuinka NASAn astronauttiluokka vuonna 1978 muutti avaruustutkimuksen ilmettä
• Venuksen vulkaaninen toiminta on jättänyt sille lommoisen ulkokuoren
• Kaksi avaruusalusta työskenteli yhdessä saadakseen tietoa Venuksen magneettikentästä