Delikatna umjetnost aerokočenja: ključ za istraživanje Venere

Dekada Venere je skoro pred nama. S tri nadolazeće misije na Veneru planirano od strane NASA-e i Europske svemirske agencije (ESA), na korak smo od saznanja više o našem susjednom planetu nego ikad prije.

Ali nećemo učiti samo o planetarnoj znanosti. Ovaj put ćemo također učiti kako upravljati letjelicom u izvanzemaljskoj atmosferi, zahvaljujući dvjema misijama - ESA-inoj Predvidjeti i NASA-in VERITAS — koji će koristiti novu tehniku ​​zvanu aerobraking kako bi svoju letjelicu doveli u pravu orbitu za bavljenje svojom znanošću.

Razgovarali smo s inženjerima i znanstvenicima iz misije EnVision kako bismo saznali kako to planiraju izvesti - i što bi mogli naučiti iz toga.

Usporavanje pomoću atmosfere

Obično biste usporili svemirsku letjelicu na isti način na koji je ubrzavate: izgaranjem goriva. Kemijski pogon izvrstan je način da se vrlo brzo proizvede puno sile i to je ono što vam je potrebno i za lansiranje s mjesta polazišta i za ulazak u orbitu na odredištu.

Međutim, gorivo je također vrlo teško. A težina je novac kada se radi o lansiranju raketa. Što više goriva svemirska letjelica nosi, to će biti skuplje za lansiranje i manje će biti novca za znanstvene instrumente.

Tako su u posljednjih nekoliko desetljeća svemirski inženjeri razvijali učinkovitiji način usporavanja svemirske letjelice. Umjesto izgaranja goriva, ova nova metoda iskorištava atmosferu koja postoji na većini lokacija koje želimo posjetiti. Svemirska letjelica se približava gornjim rubovima atmosfere i uranja, gdje će je trenje malo usporiti. Zatim se svemirska letjelica povlači natrag prije nego što ponovno zaroni, postupno usporavajući tijekom višestrukih padova i spuštajući svoju orbitu tijekom vremena.

Ovu metodu, nazvanu aerobraking, koristile su svemirske letjelice na Marsu, a čak se eksperimentiralo s njom za letjelice koje su se vraćale na Zemlju. Ali sada timovi misije žele koristiti tehniku ​​i za dvije nadolazeće misije na Veneru.

Nekoliko prethodnih svemirskih letjelica Venus kao što su Magellan i Venus Express koristile su aerokočenje na kraju svoje misije, kada je njihov glavni znanstveni rad bio obavljen i timovi su htjeli eksperimentirati s tehnika. Ali EnVision i VERITAS bit će prve svemirske letjelice koje će koristiti aerokočenje na početku svojih misija kako bi ušle u pravu orbitu.

Maraton od 15 mjeseci 

Kada EnVision stigne na Veneru, kružit će na visini od 250.000 milja. I treba se spustiti sve do 300 milja iznad površine da dobije očitanja koja tim želi. Da bi to učinio, uronit će u atmosferu tisuće puta u razdoblju od 15 mjeseci do dvije godine, postupno se krećući u ispravnu orbitu.

To zahtijeva precizno planiranje, ali također zahtijeva detaljno poznavanje atmosferskih uvjeta kako bi se predvidjelo kako će manevri utjecati na letjelicu. Najveći čimbenici koji utječu na aerokočenje bit će temperatura, gustoća i brzina vjetra, a svi oni značajno variraju u različitim dijelovima Venerine atmosfere.

Zbog toga je aerokočenje na Veneri mnogo kompliciranije od aerokočenja na Marsu, na primjer. Venera ima mnogo veću gravitaciju od Marsa, što znači da će svemirska letjelica doživjeti mnogo veće brzine kada prolazi kroz atmosferu. Zato će proces trajati toliko dugo.

Oštro okruženje Venere

Još jedan izazov je to što je Venera a krajnje negostoljubivo mjesto, a to se odnosi i na njegovu atmosferu. Venera je bliža Suncu od Zemlje, pa prima značajnu toplinu i sunčevo zračenje koje letjelica mora moći izdržati. I dok svemirska letjelica pada u atmosferu radi aerokočenja, trenje uzrokuje usporavanje - ali to također uzrokuje zagrijavanje.

Točne temperature koje će svemirska letjelica doživjeti ovisit će o konačnim odlukama dizajna, ali bit će u područje od "možda 200 ili 300 stupnjeva Celzijevih za najvišu temperaturu", Adrian Tighe, znanstvenik za materijale za EnVision, rekao je. Tu je i ultraljubičasto zračenje sunca s kojim će se svemirska letjelica morati nositi. "To je prilično surovo okruženje za materijale."

Međutim, najveća prijetnja svemirskoj letjelici tijekom aerokočenja nije toplina ili zračenje. Umjesto toga, to je komponenta gornje atmosfere, atomski kisik. Za razliku od većine molekula kisika na Zemlji, koje se sastoje od dva atoma kisika, atomski kisik je podijeljen sunčevim zračenjem, pa tako i samo jedan atom kisika. To znači da je vrlo reaktivan, pa može izjesti materijale i nagrizati ih.

To su loše vijesti za svemirsku letjelicu, koja treba preživjeti višemjesečnu fazu aerokočenja i zatim moći nastaviti svoju znanstvenu misiju. A letjelica će doslovno biti bombardirana tim česticama, jer će se kretati velikom brzinom od oko pet milja u sekundi. "To je kombinacija kemijske reakcije i brzine udara" koja će uzrokovati problem, objasnio je Tighe, s česticama koje pogađaju letjelicu "poput jurećeg metka".

Pronalaženje Venus-proof materijala

Atomski kisik može oksidirati metale, ali to je još gore za polimere. Ovi materijali slični plastici, napravljeni od ugljika, vodika i kisika, reagiraju s atomskim kisikom i stvaraju spojeve poput ugljičnog dioksida koji isparavaju i tako se taj materijal gubi u svemiru. Atomski kisik također može reagirati s bojama, poput bijelih boja koje su potrebne za odbijanje topline i koji mogu posmeđiti i postati manje učinkoviti, kao i s izolacijskim materijalom koji se zove višeslojni izolacija.

Najveća briga su solarni paneli letjelice, jer su toliko izloženi. Solarne ćelije su prekrivene staklom, koje je otporno na atomski kisik, ali su postavljene u supstrat koji je obično izrađen od karbonskih vlakana, koji je osjetljiv na eroziju. Još jedna osjetljiva komponenta je tanka folija koja se koristi kao izolacija između ćelije i ploče, a zove se kapton. Tu je i tanka folija koja povezuje različite ćelije, a koja je ponekad izrađena od srebra - i to je također osjetljivo. Stoga inženjeri rade ili na odabiru različitih materijala ili na pronalaženju načina za zaštitu materijala od izlaganja atomskom kisiku.

Iako atomskog kisika nema mnogo na Zemljinoj površini, znamo kako s njime postupati budući da se nalazi u Zemljinoj orbiti. Sateliti su dizajnirani da izdrže određenu gustoću atomskog kisika, pa inženjeri koriste slične principe za projektiranje letjelice EnVision kako bi je učinili otpornom. Ali okoliš na Zemlji ne uključuje tako visoke temperature, pa je kombinacija atomskog kisika i visokih temperatura novi izazov.

"Morali smo upotrijebiti najsnažnije materijale", rekao je Tighe, čija je skupina bila zauzeta testiranjem materijala poput izolacije, boja i solarnih komponente panela kako bi pronašli one koje će moći izdržati 15 mjeseci ovog surovog okruženja prije nego uopće započne svoju glavnu misiju.

Znanstveni podaci besplatno

EnVisionova glavna misija neće započeti sve dok manevri aerokočenja ne dovedu svemirsku letjelicu do njezine konačne orbite između 130 i 340 milja. No znanstvenici nikada ne dopuštaju da im prođe prilika za učenje, pa istraživački tim radi na tome što bi mogli naučiti o Veneri i tijekom faze aerokočenja.

Znanstvenici koji se bave atmosferom uzbuđeni su zbog mogućnosti da izbliza vide gornju atmosferu planeta, koja se rijetko proučava. Proučavanje gornje atmosfere je teško, prema znanstvenici EnVisiona Gabrielli Gilli iz Instituto de Astrofísica de Andalucía u Španjolskoj, jer je tako tanak u usporedbi s gustim nižim atmosfera. “Teško je mjeriti instrumentima za daljinsko očitavanje. Nemamo dovoljno točnosti za instrumente za mjerenje tako male gustoće,” objasnio je Gilli.

Zato manevar aerokočenja nudi tako jedinstvenu znanstvenu priliku. Mjereći čimbenike poput gustoće i temperature tijekom manevara, znanstvenici mogu izgraditi sveobuhvatniju sliku gornjeg dijela atmosfere.

"Stvarno želimo znati kakvo je stanje atmosfere u svakom dijelu planeta", rekao je Gilli. Ali trenutačno su ograničeni podaci koje imamo s Venere ograničeni na vrlo lokalizirana promatranja. Također postoje velike razlike između ponašanja atmosfere tijekom dana i tijekom noći, koje tek počinjemo shvaćati.

Ako znanstvenici mogu dobiti podatke o gornjoj atmosferi tijekom ove faze, mogu ih usporediti s podacima iz drugih misija poput DaVincija da pokuša sastaviti ono što se događa u atmosferi u cjelini, a ne samo u jednom mjesto.

Prilagođavanje uvjetima

Opažanja prikupljena tijekom faze aerokočenja ipak neće biti samo od znanstvenog interesa. Oni će također biti vraćeni timu svemirske letjelice, koji može prilagoditi način na koji se odvijaju manevri planirano ako se, recimo, pokaže da je gustoća u jednom dijelu atmosfere drugačija od one koja je bila očekivano.

"Atmosfera Venere je izuzetno promjenjiva", objasnio je Gilli, što znači da se njezina temperatura i gustoća mijenjaju na složene načine. "A varijabilnost je još veća u gornjem dijelu atmosfere."

To znači da će ograničena predviđanja koja imamo o tome što očekivati ​​možda trebati znatno prilagoditi nakon što svemirska letjelica stigne na Veneru. Modeliranje uvjeta s kojima će se svemirska letjelica susresti bit će "kontinuirani rad u tijeku do lansiranja", prema Thomasu Voirinu, voditelju studije EnVision.

Čak i nakon lansiranja, prilagođavanje manevara aerokočenja ponavlja se proces. Tim misije ima modele onoga što mogu očekivati ​​da će pronaći, ali "stvarnost će sigurno biti drugačija", rekao je Voirin. Cijeli proces osmišljen je sa širokim marginama, kako bi se omogućila različita moguća odstupanja od predviđanja.

Delikatna faza

Pokretanje bilo kakve međuplanetarne misije je teško, ali aerokočenje na Veneri poseban je izazov. Od brze rotacije dijelova atmosfere do učinaka sunčeve aktivnosti, s brzim vjetrovima i velike varijabilnosti, postoji mnogo faktora s kojima će se letjelice poput EnVisiona morati boriti s.

“Ovo je vrlo izazovna faza. Vrlo delikatna faza,” rekla je Gilli.

Ali ako uspije, mogao bi pokazati novi i pristupačniji način da se svemirske letjelice dovedu u njihove orbite — a to znači da misije mogu biti ambicioznije u svojim znanstvenim ciljevima, a da pritom nisu više skup.

Proces je dug i zahtijevat će strpljenje od istraživača i javnosti, ali ima potencijal promijeniti način na koji radimo planetarnu znanost na Veneri.

“Izgleda prilično komplicirana stvar. Mislite, dobro, zašto biste to učinili? Zašto biste proveli dvije godine čekajući jedan vrlo riskantan manevar? To je zato što stvarno omogućuje misiju,” rekao je Tighe. A postoji i nešto što je inherentno zadovoljavajuće u vezi s tim. “Samo je zgodno, korištenje same atmosfere da vam omogući ulazak u orbitu. To je zgodan način za to."

Preporuke urednika

• Evo zašto znanstvenici misle da je život mogao cvjetati na 'paklenom planetu' Veneri
• Pogledajte mjesec i Jupiter kako se ugodno osjećaju u vrhuncima promatranja neba u svibnju
• Kako je NASA-ina klasa astronauta 1978. promijenila lice istraživanja svemira
• Vulkanska aktivnost Venere ostavila joj je mljackasti vanjski omotač
• Dvije svemirske letjelice radile su zajedno kako bi naučile o Venerinom magnetskom polju