A légi fékezés finom művészete: A kulcs a Vénusz felfedezéséhez

Közeleg a Vénusz évtizede. Val vel három közelgő Vénusz küldetés a NASA és az Európai Űrügynökség (ESA) tervei alapján, azon vagyunk, hogy minden eddiginél többet megtudjunk szomszédos bolygónkról.

De nem csak a bolygótudományról fogunk tanulni. Ezúttal azt is megtanuljuk, hogyan irányítsunk egy űrhajót idegen légkörben, köszönhetően két küldetésnek – az ESA-nak. EnVision és a NASA VERITAS-ja – amelyek az aeroféknek nevezett új technikát alkalmazzák, hogy űrrepülőgépüket a megfelelő pályára állítsák a tudomány elvégzéséhez.

Az EnVision küldetés mérnökeivel és tudósaival beszélgettünk, hogy megtudjuk, hogyan tervezik ezt megvalósítani – és mit tanulhatnak belőle.

Lassítás a légkör használatával

Normális esetben ugyanúgy lelassítaná az űrhajót, ahogyan felgyorsítaná: üzemanyag elégetésével. A kémiai meghajtás nagyszerű módja annak, hogy nagyon gyorsan nagy erőt állítson elő, és ez az, amire szüksége van a kiindulási helyről történő kilövéshez és a célállomáson való pályára lépéshez.

Ugyanakkor az üzemanyag is nagyon nehéz. A súly pedig pénz, ha rakétaindításról van szó. Minél több üzemanyagot szállít egy űrhajó, annál drágább lesz az indítás, és annál kevesebb jut a tudományos műszerekre.

Így az elmúlt néhány évtizedben az űrmérnökök egy hatékonyabb módszert fejlesztettek ki az űrhajó lelassítására. Ahelyett, hogy tüzelőanyagot égetne el, ez az új módszer kihasználja azt a légkört, amely a legtöbb helyen létezik, ahová szeretnénk ellátogatni. Az űrszonda megközelíti a légkör felső széleit, és belemerül, ahol a súrlódás egy kis mértékben lelassítja. Ezután az űrszonda felfelé húzódik, mielőtt ismét belemerül, fokozatosan lelassul többszöri zuhanás során, és idővel lefelé süllyeszti pályáját.

Ezt a módszert, az úgynevezett aerofékezést alkalmazták a Marson lévő űrszondák, sőt, a Földre visszatérő űrhajók esetében is kísérleteztek vele. De most a küldetéscsapatok két közelgő Vénusz-missziónál is szeretnék használni ezt a technikát.

Néhány korábbi Venus űrszonda, mint például a Magellan és a Venus Express, légi fékezést használt az év végén küldetéseiket, amikor fő tudományos munkájukat elvégezték, és a csapatok kísérletezni akartak a technika. De az EnVision és a VERITAS lesz az első űrszonda, amely légi fékezést alkalmaz küldetéseik kezdetén, hogy a megfelelő pályára kerüljön.

15 hónapos maraton 

Amikor az EnVision megérkezik a Vénuszra, 150 000 mérföldes magasságban kering majd. És le kell jutnia 300 mérföldre a felszín felett, hogy elérje a csapat által kívánt értékeket. Ennek érdekében 15 hónap és két év közötti időszak alatt ezerszer merül a légkörbe, és fokozatosan a megfelelő pályára áll.

Ez alapos tervezést igényel, de a légköri viszonyok részletes ismerete is szükséges ahhoz, hogy megjósolhassuk, a manőverek milyen hatással lesznek az űrrepülőgépre. A légi fékezést leginkább befolyásoló tényezők a hőmérséklet, a sűrűség és a szélsebesség, amelyek mindegyike jelentősen eltér a Vénusz légkörének különböző részein.

Ez sokkal bonyolultabbá teszi a légi fékezést a Vénuszon, mint például a Marson. A Vénusz gravitációja sokkal nagyobb, mint a Mars, ami azt jelenti, hogy az űrhajó sokkal nagyobb sebességet fog tapasztalni, amikor áthalad a légkörön. Ezért fog olyan sokáig tartani a folyamat.

A Vénusz zord környezete

Egy másik kihívás, hogy a Vénusz a mélységesen barátságtalan hely, és ez kiterjed a légkörére is. A Vénusz közelebb van a Naphoz, mint a Föld, ezért jelentős hőt és napsugárzást kap, amelyet az űreszköznek el kell viselnie. És ahogy az űrszonda légi fékezés céljából a légkörbe zuhan, a súrlódás hatására lelassul – de ez felmelegedést is okoz.

Az, hogy az űrhajó pontosan milyen hőmérsékletet fog tapasztalni, a végső tervezési döntésektől függ, de ez az űrben lesz Adrian Tighe, az EnVision anyagtudósa, „talán 200 vagy 300 Celsius-fok a legmagasabb hőmérséklethez” mondott. Ott van a nap ultraibolya sugárzása is, amelyet az űrhajónak kezelnie kell. "Elég zord környezet az anyagok számára."

A légi fékezés során azonban nem a hő vagy a sugárzás jelenti a legnagyobb veszélyt az űrrepülőgépre. Inkább a felső légkör alkotóeleme, az atomi oxigén. Ellentétben a legtöbb oxigénmolekulával a Földön, amelyek két oxigénatomból állnak, az atomi oxigént a Nap sugárzása hasította fel, és így csak egy oxigénatom van. Ez azt jelenti, hogy nagyon reaktív, ezért felemészti az anyagokat és korrodálhatja azokat.

Ez rossz hír az űrrepülőgép számára, amelynek túl kell élnie a hónapokig tartó légi fékezési fázist, majd folytatnia kell tudományos küldetését. És az űrhajót szó szerint bombázni fogják ezek a részecskék, mivel nagy, körülbelül öt mérföld/másodperc sebességgel fog mozogni. "Ez egy kémiai reakció és az ütközési sebesség kombinációja" okozza a problémát, magyarázta Tighe, mivel a részecskék "úgy, mint egy száguldó golyó" csapódnak be az űrhajóba.

Vénuszálló anyagok keresése

Az atomi oxigén képes oxidálni a fémeket, de ez még rosszabb a polimereknél. Ezek a szénből, hidrogénből és oxigénből készült műanyagszerű anyagok reakcióba lépnek az atomi oxigénnel, és olyan vegyületeket képeznek, mint a szén-dioxid, amelyek elpárolognak, és így az anyag az űrbe kerül. Az atomi oxigén reakcióba léphet a festékekkel is, például a fehér festékekkel, amelyek a hő visszaveréséhez szükségesek és amelyek megbarnulhatnak és kevésbé hatékonyak lehetnek, valamint a többrétegű szigetelőanyaggal szigetelés.

A legnagyobb gondot az űrhajó napelemei okozzák, mert annyira ki vannak téve. A napelemeket üveg borítja, amely ellenáll az atomi oxigénnek, de jellemzően szénszálas hordozóba vannak behelyezve, amely érzékeny az erózióra. Egy másik érzékeny elem a vékony fólia, amelyet szigetelésként használnak a cella és a panel között, amelyet kaptonnak neveznek. És egy vékony fólia köti össze a különböző sejteket, ami néha ezüstből készül – és ez is érzékeny. A mérnökök tehát vagy különböző anyagok kiválasztásán dolgoznak, vagy olyan módszereket keresnek, amelyekkel megvédhetik az anyagokat az atomi oxigénnek való kitettségtől.

Noha atomi oxigén nem nagyon található a Föld felszínén, némileg megértjük, hogyan kezeljük, mivel a Föld körüli pályán található. A műholdakat úgy tervezték, hogy ellenálljanak egy bizonyos sűrűségű atomi oxigénnek, ezért a mérnökök hasonló elvek alapján tervezik az EnVision űrszondát, hogy ellenálló legyen. Ám a Föld környezetében nincs ilyen magas hőmérséklet, így az atomi oxigén és a magas hőmérséklet kombinációja új kihívást jelent.

"Tehát a legrobusztusabb anyagokat kellett használnunk" - mondta Tighe, akinek a csoportja olyan anyagok tesztelésével volt elfoglalva, mint a szigetelés, a festék és a napelem. panel alkatrészeket, hogy megtalálja azokat, amelyek 15 hónapig képesek ellenállni ebben a zord környezetben, mielőtt megkezdenék fő küldetését.

Tudományos adatok ingyen

Az EnVision fő küldetése csak akkor kezdődik el, amikor a légi fékező manőverek az űrhajót a végső, 130 és 340 mérföld közötti pályára juttatják. A tudósok azonban soha nem engedik el maguk mellett a tanulás lehetőségét, ezért egy kutatócsoport azon dolgozik, hogy mit tudnának megtudni a Vénuszról a légi fékezési szakaszban is.

A légkörkutatókat izgatja az a lehetőség, hogy közelről is megtekinthetik a bolygó felső légkörét, amelyet ritkán tanulmányoznak. Gabriella Gilli, az EnVision tudósa szerint nehéz a felső légkör tanulmányozása Instituto de Astrofísica de Andalucía Spanyolországban, mert olyan vékony a sűrű alsóhoz képest légkör. „Nehéz mérni távérzékelő műszerekkel. Nincs elég pontosságunk a műszerekhez, hogy ilyen kis sűrűséget mérjünk” – magyarázta Gilli.

Ezért kínál a légi fékező manőver ilyen egyedülálló tudományos lehetőséget. A manőverek során olyan tényezők mérésével, mint a sűrűség és a hőmérséklet, a tudósok átfogóbb képet alkothatnak a légkör felső régiójáról.

"Nagyon szeretnénk tudni, hogy a bolygó minden részén milyen állapotban van a légkör" - mondta Gilli. Jelenleg azonban a Vénuszról rendelkezésre álló korlátozott adatok csak erősen lokalizált megfigyelésekre korlátozódnak. Óriási különbségek vannak a légkör nappali és éjszakai viselkedése között is, amit még csak most kezdünk megérteni.

Ha a tudósok ebben a fázisban adatokhoz jutnak a felső légkörről, összehasonlíthatják azokat más küldetések adataival mint DaVinci, hogy megpróbálja összeszedni a légkörben zajló eseményeket ahelyett, hogy csak egyben történik elhelyezkedés.

Alkalmazkodás a feltételekhez

A légi fékezési fázis során gyűjtött megfigyelések azonban nem csak tudományos érdeklődésre tarthatnak számot. Őket visszacsatolják az űrhajó csapatának is, akik módosíthatják a manőverek menetét tervezett, ha mondjuk kiderül, hogy a légkör egy részének sűrűsége eltér attól, ami volt várt.

„A Vénusz légköre rendkívül változó” – magyarázta Gilli, ami azt jelenti, hogy hőmérséklete és sűrűsége összetett módon változik. "És a változékonyság még nagyobb a légkör felső részén."

Ez azt jelenti, hogy az űrszonda Vénuszra érkezése után jelentős korrekcióra szorulhatnak a korlátozott előrejelzéseink arról, hogy mire számíthatunk. Thomas Voirin, az EnVision Study menedzsere szerint az űrszonda által tapasztalt körülmények modellezése „folyamatos munka lesz a kilövésig”.

És még az indítás után is ismétlődő folyamat a légi fékező manőverek beállítása. A missziós csapatnak vannak modelljei arról, hogy mire számíthatnak, de „az biztos, hogy a valóság más lesz” – mondta Voirin. Az egész folyamatot széles határokkal tervezték, hogy lehetővé tegyék az előrejelzésektől való különféle lehetséges eltéréseket.

Kényes fázis

Bármilyen bolygóközi küldetés elindítása nehéz, de a Vénusz légi fékezése különös kihívást jelent. A légkör egyes részeinek gyors forgásától a naptevékenység hatásaiig, gyors széllel és a nagy változékonyság miatt az űrhajóknak, mint például az EnVisionnak sok tényezővel meg kell küzdeniük val vel.

„Ez egy nagyon kihívásokkal teli szakasz. Nagyon kényes szakasz” – mondta Gilli.

De ha működik, új és megfizethetőbb módszert mutathat be az űrhajók pályájukra állítására – és ez azt jelenti, hogy a küldetések tudományos céljaik ambiciózusabbak lehetnek anélkül, hogy többek lennének drága.

A folyamat hosszú, és türelmet igényel a kutatóktól és a nyilvánosságtól, de megvan benne a lehetőség, hogy megváltoztassa a Vénusz bolygókutatási módszereit.

„Elég bonyolult dolognak tűnik. Azt hiszed, miért tennéd ezt? Miért töltene két évet egy meglehetősen kockázatos manőverre várva? Ez azért van, mert valóban lehetővé teszi a küldetést” – mondta Tighe. És van benne valami eredendően kielégítő is. „Egyszerűen szép, magát a légkört használja fel arra, hogy a pályára kerüljön. Ez egy ügyes módja ennek."

Szerkesztői ajánlások

• Ezért gondolják a tudósok, hogy az élet virágozhatott a „pokolbolygó” Vénuszon
• Tekintse meg a Hold és a Jupiter hangulatát a májusi égbolt fénypontjaiban
• Hogyan változtatta meg a NASA 1978-as űrhajósosztálya az űrkutatás arculatát
• A Vénusz vulkáni tevékenysége nyomos külső héjat hagyott maga után
• Két űrszonda dolgozott együtt, hogy megismerjék a Vénusz mágneses terét