L'art délicat de l'aérofreinage: la clé pour explorer Vénus

La décennie de Vénus est presque à nos portes. Avec trois prochaines missions Vénus prévu par la NASA et l'Agence spatiale européenne (ESA), nous sommes sur le point d'en apprendre plus sur notre planète voisine que jamais auparavant.

Mais nous n'apprendrons pas seulement la science planétaire. Cette fois, nous allons également apprendre à contrôler un vaisseau spatial dans une atmosphère extraterrestre, grâce à deux missions - l'ESA EnVision et VERITAS de la NASA – qui sont sur le point d'utiliser une nouvelle technique appelée aérofreinage pour mettre leur vaisseau spatial sur la bonne orbite pour qu'ils puissent faire leur science.

Nous avons discuté avec des ingénieurs et des scientifiques de la mission EnVision pour savoir comment ils prévoient de s'en sortir et ce qu'ils pourraient en tirer.

Ralentir en utilisant l'atmosphère

Normalement, vous ralentissez un vaisseau spatial de la même manière que vous l'accélérez: en brûlant du carburant. La propulsion chimique est un excellent moyen de produire beaucoup de force très rapidement, et c'est ce dont vous avez besoin à la fois pour le lancement depuis votre origine et pour entrer en orbite à votre destination.

Cependant, le carburant est également très lourd. Et le poids, c'est de l'argent quand il s'agit de lancements de fusées. Plus un vaisseau spatial transporte de carburant, plus il coûtera cher à lancer et moins il y aura de place pour les instruments scientifiques.

Ainsi, au cours des dernières décennies, les ingénieurs spatiaux ont développé un moyen plus efficace de ralentir un vaisseau spatial. Au lieu de brûler du carburant, cette nouvelle méthode tire parti de l'atmosphère qui existe dans la plupart des endroits que nous voudrions visiter. Le vaisseau spatial s'approche des bords supérieurs de l'atmosphère et plonge, où le frottement le ralentira légèrement. Ensuite, le vaisseau spatial remonte avant de plonger à nouveau, ralentissant progressivement sur plusieurs creux et abaissant son orbite au fil du temps.

Cette méthode, appelée aérofreinage, a été utilisée par des engins spatiaux sur Mars, et a même été expérimentée pour des engins spatiaux revenant sur Terre. Mais maintenant, les équipes de mission veulent également utiliser la technique pour deux des prochaines missions Vénus.

Quelques précédents engins spatiaux Venus comme Magellan et Venus Express ont utilisé l'aérofreinage à la fin de leurs missions, alors que leurs principaux travaux scientifiques étaient terminés et que les équipes voulaient expérimenter le technique. Mais EnVision et VERITAS seront les premiers engins spatiaux à utiliser l'aérofreinage au début de leurs missions pour se mettre sur la bonne orbite.

Un marathon de 15 mois 

Quand EnVision arrivera sur Vénus, il sera en orbite à une altitude de 150 000 milles. Et il doit descendre jusqu'à 300 miles au-dessus de la surface pour obtenir les lectures souhaitées par l'équipe. Pour ce faire, il plongera dans l'atmosphère des milliers de fois sur une période comprise entre 15 mois et deux ans, se déplaçant progressivement vers la bonne orbite.

Cela nécessite une planification méticuleuse, mais cela nécessite également une connaissance détaillée des conditions atmosphériques pour prédire comment les manœuvres affecteront le vaisseau spatial. Les principaux facteurs affectant l'aérofreinage seront la température, la densité et la vitesse du vent, qui varient considérablement dans les différentes parties de l'atmosphère vénusienne.

Cela rend l'aérofreinage sur Vénus beaucoup plus compliqué que l'aérofreinage sur Mars, par exemple. Vénus a une gravité beaucoup plus élevée que Mars, ce qui signifie que le vaisseau spatial connaîtra des vitesses beaucoup plus élevées lors de son passage dans l'atmosphère. C'est pourquoi le processus va prendre si longtemps.

L'environnement hostile de Vénus

Un autre défi est que Vénus est une endroit profondément inhospitalier, et cela s'étend également à son atmosphère. Vénus est plus proche du soleil que la Terre, elle reçoit donc une chaleur et un rayonnement solaire considérables que le vaisseau spatial doit pouvoir supporter. Et lorsque le vaisseau spatial tombe dans l'atmosphère pour l'aérofreinage, le frottement le ralentit, mais cela provoque également un échauffement.

Les températures exactes que connaîtra le vaisseau spatial dépendront des décisions de conception finales, mais ce sera dans le région de "peut-être 200 ou 300 degrés centigrades pour la température la plus élevée", Adrian Tighe, scientifique des matériaux pour EnVision, a dit. Il y a aussi le rayonnement ultraviolet du soleil que le vaisseau spatial devra gérer. "C'est un environnement assez dur pour les matériaux."

La plus grande menace pour le vaisseau spatial pendant l'aérofreinage, cependant, n'est pas la chaleur ou le rayonnement. C'est plutôt un composant de la haute atmosphère, l'oxygène atomique. Contrairement à la plupart des molécules d'oxygène sur Terre, qui sont constituées de deux atomes d'oxygène, l'oxygène atomique a été séparé par le rayonnement solaire et ne contient donc qu'un seul atome d'oxygène. Cela signifie qu'il est très réactif, de sorte qu'il peut ronger les matériaux et les corroder.

C'est une mauvaise nouvelle pour le vaisseau spatial, qui doit survivre à la phase d'aérofreinage de plusieurs mois, puis pouvoir poursuivre sa mission scientifique. Et le vaisseau spatial sera littéralement bombardé par ces particules, car il se déplacera à une vitesse élevée d'environ cinq miles par seconde. "C'est une combinaison d'une réaction chimique et de la vitesse d'impact" qui causera le problème, a expliqué Tighe, avec des particules frappant le vaisseau spatial "comme une balle de vitesse".

Trouver des matériaux à l'épreuve de Vénus

L'oxygène atomique peut oxyder les métaux, mais c'est encore pire pour les polymères. Ces matériaux de type plastique, constitués de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, réagissent avec l'oxygène atomique pour former des composés comme le dioxyde de carbone qui s'évaporent, et ainsi ce matériau est perdu dans l'espace. L'oxygène atomique peut également réagir avec les peintures, telles que les peintures blanches qui sont nécessaires pour réfléchir la chaleur et qui peuvent brunir et devenir moins efficaces, ainsi qu'avec un matériau isolant appelé multicouche isolation.

La plus grande préoccupation concerne les panneaux solaires du vaisseau spatial, car ils sont tellement exposés. Les cellules solaires sont recouvertes de verre, qui résiste à l'oxygène atomique, mais celles-ci sont placées dans un substrat généralement en fibre de carbone, qui est sensible à l'érosion. Un autre composant sensible est la feuille mince utilisée comme isolant entre la cellule et le panneau, appelée kapton. Et il y a une fine feuille reliant les différentes cellules, qui est parfois en argent – ​​et qui est également sensible. Les ingénieurs travaillent donc soit sur le choix de différents matériaux, soit sur la recherche de moyens de protéger les matériaux de l'exposition à l'oxygène atomique.

Bien que l'oxygène atomique ne se trouve pas beaucoup à la surface de la Terre, nous avons une certaine compréhension de la façon de le gérer car il se trouve en orbite terrestre. Les satellites sont conçus pour résister à une certaine densité d'oxygène atomique. Les ingénieurs utilisent donc des principes similaires pour concevoir le vaisseau spatial EnVision afin de le rendre résistant. Mais l'environnement terrestre n'implique pas des températures aussi élevées, de sorte que la combinaison de l'oxygène atomique et des températures élevées est un nouveau défi.

"Nous avons donc dû utiliser les matériaux les plus robustes", a déclaré Tighe, dont le groupe a été occupé à tester des matériaux tels que l'isolation, la peinture et l'énergie solaire. composants du panneau pour trouver ceux qui seront capables de résister à 15 mois de cet environnement difficile avant même de commencer sa mission principale.

Données scientifiques gratuites

La mission principale d'EnVision ne commencera pas tant que les manœuvres d'aérofreinage n'auront pas ramené le vaisseau spatial sur son orbite finale entre 130 et 340 milles. Mais les scientifiques ne laissent jamais passer une occasion d'apprendre, c'est pourquoi une équipe de recherche travaille également sur ce qu'ils pourraient apprendre sur Vénus pendant la phase d'aérofreinage.

Les scientifiques de l'atmosphère sont enthousiasmés par la possibilité d'obtenir une vue rapprochée de la haute atmosphère de la planète, qui est rarement étudiée. L'étude de la haute atmosphère est difficile, selon la scientifique d'EnVision Gabriella Gilli du Instituto de Astrofísica de Andalucía en Espagne, parce qu'il est si mince par rapport à la densité inférieure atmosphère. "C'est difficile à mesurer avec des instruments de télédétection. Nous n'avons pas assez de précision pour que les instruments mesurent une si petite densité », a expliqué Gilli.

C'est pourquoi la manœuvre d'aérofreinage offre une opportunité scientifique unique. En prenant des mesures de facteurs tels que la densité et la température pendant les manœuvres, les scientifiques peuvent se faire une image plus complète de la région supérieure de l'atmosphère.

"Nous voulons vraiment savoir quel est l'état de l'atmosphère dans chaque partie de la planète", a déclaré Gilli. Mais actuellement, les données limitées dont nous disposons sur Vénus se limitent à des observations très localisées. Il existe également de grandes différences entre le comportement de l'atmosphère pendant la journée et pendant la nuit, ce que nous commençons à peine à comprendre.

Si les scientifiques peuvent obtenir des données sur la haute atmosphère au cours de cette phase, ils peuvent les comparer aux données d'autres missions comme DaVinci pour essayer de reconstituer ce qui se passe dans l'atmosphère dans son ensemble, plutôt que dans une seule emplacement.

S'adapter aux conditions

Les observations recueillies lors de la phase d'aérofreinage n'auront cependant pas seulement un intérêt scientifique. Ils seront également transmis à l'équipe du vaisseau spatial, qui peut ajuster la façon dont les manœuvres sont en cours prévu si, par exemple, il s'avère que la densité dans une partie de l'atmosphère est différente de ce qui était attendu.

"L'atmosphère de Vénus est extrêmement variable", a expliqué Gilli, ce qui signifie que sa température et sa densité changent de manière complexe. "Et la variabilité est encore plus élevée dans la partie supérieure de l'atmosphère."

Cela signifie que les prédictions limitées dont nous disposons sur ce à quoi s'attendre pourraient nécessiter des ajustements considérables une fois que le vaisseau spatial arrivera sur Vénus. La modélisation des conditions que rencontrera le vaisseau spatial sera "un travail continu en cours jusqu'au lancement", selon Thomas Voirin, responsable de l'étude EnVision.

Et même après le lancement, l'ajustement des manœuvres d'aérofreinage est un processus itératif. L'équipe de la mission a des modèles de ce qu'ils peuvent s'attendre à trouver, mais "à coup sûr, la réalité sera différente", a déclaré Voirin. L'ensemble du processus est conçu avec de larges marges, pour permettre divers écarts possibles par rapport aux prévisions.

Une phase délicate

Lancer une mission interplanétaire est difficile, mais l'aérofreinage à Vénus est un défi particulier. De la rotation rapide de certaines parties de l'atmosphère aux effets de l'activité solaire, avec des vents rapides et une grande variabilité, il y a beaucoup de facteurs auxquels les engins spatiaux comme EnVision devront faire face avec.

"C'est une phase très difficile. Une phase très délicate », a déclaré Gilli.

Mais si cela fonctionne, cela pourrait démontrer une nouvelle façon plus abordable de placer des engins spatiaux sur leurs orbites – et cela signifie que les missions peuvent être plus ambitieuses dans leurs objectifs scientifiques sans être plus cher.

Le processus est long et demandera de la patience aux chercheurs et au public, mais il a le potentiel de changer la façon dont nous faisons la science planétaire à Vénus.

« Cela semble assez compliqué. Vous pensez, eh bien, pourquoi feriez-vous cela? Pourquoi passer deux ans à attendre une manœuvre assez risquée? C'est parce que cela permet vraiment la mission », a déclaré Tighe. Et il y a aussi quelque chose de fondamentalement satisfaisant à ce sujet. "C'est tout simplement génial, d'utiliser l'atmosphère elle-même pour vous permettre d'entrer dans l'orbite. C'est une bonne façon de le faire.

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