Seni aerobraking yang halus: Kunci untuk menjelajahi Venus

Dekade Venus hampir tiba. Dengan tiga misi Venus yang akan datang direncanakan dari NASA dan Badan Antariksa Eropa (ESA), kita berada di titik puncak untuk belajar lebih banyak tentang planet tetangga kita daripada sebelumnya.

Tapi kita tidak hanya akan belajar tentang ilmu planet. Kali ini kita juga akan mempelajari cara mengendalikan pesawat ruang angkasa di atmosfer asing, berkat dua misi — misi ESA Membayangkan dan VERITAS NASA — yang akan menggunakan teknik baru yang disebut aerobraking untuk membawa pesawat ruang angkasa mereka ke orbit yang tepat bagi mereka untuk melakukan sains.

Kami berbicara dengan para insinyur dan ilmuwan dari misi EnVision untuk mempelajari bagaimana mereka berencana melakukannya — dan apa yang mungkin mereka pelajari darinya.

Memperlambat menggunakan atmosfer

Biasanya, Anda akan memperlambat pesawat ruang angkasa dengan cara yang sama seperti Anda mempercepatnya: dengan membakar bahan bakar. Propulsi kimia adalah cara yang bagus untuk menghasilkan banyak tenaga dengan sangat cepat, dan itulah yang Anda butuhkan untuk peluncuran dari tempat asal dan memasuki orbit di tempat tujuan.

Namun, bahan bakar juga sangat berat. Dan bobot adalah uang dalam hal peluncuran roket. Semakin banyak bahan bakar yang dibawa oleh pesawat ruang angkasa, semakin mahal biaya peluncurannya dan semakin sedikit tunjangan untuk instrumen ilmiah.

Jadi dalam beberapa dekade terakhir, insinyur ruang angkasa telah mengembangkan cara yang lebih efisien untuk memperlambat pesawat ruang angkasa. Alih-alih membakar bahan bakar, metode baru ini memanfaatkan atmosfer yang ada di sebagian besar lokasi yang ingin kami kunjungi. Pesawat ruang angkasa mendekati tepi atas atmosfer dan masuk, di mana gesekan akan memperlambatnya sedikit. Kemudian pesawat ruang angkasa menarik kembali sebelum mencelupkan lagi, secara bertahap melambat selama beberapa penurunan dan menurunkan orbitnya dari waktu ke waktu.

Metode ini, yang disebut aerobraking, telah digunakan oleh pesawat luar angkasa di Mars, dan bahkan telah diujicobakan untuk pesawat luar angkasa yang kembali ke Bumi. Tapi sekarang tim misi juga ingin menggunakan teknik ini untuk dua misi Venus yang akan datang.

Beberapa pesawat luar angkasa Venus sebelumnya seperti Magellan dan Venus Express telah menggunakan aerobraking pada akhirnya misi mereka, saat pekerjaan sains utama mereka selesai dan tim ingin bereksperimen dengannya teknik. Tapi EnVision dan VERITAS akan menjadi pesawat luar angkasa pertama yang menggunakan aerobraking di awal misi mereka untuk masuk ke orbit yang tepat.

Maraton 15 bulan 

Ketika EnVision tiba di Venus, ia akan mengorbit pada ketinggian 150.000 mil. Dan perlu turun hingga 300 mil di atas permukaan untuk mendapatkan pembacaan yang diinginkan tim. Untuk melakukan ini, ia akan menukik ke atmosfer ribuan kali selama periode antara 15 bulan hingga dua tahun, secara bertahap bergerak ke orbit yang benar.

Ini membutuhkan perencanaan yang cermat, tetapi juga membutuhkan pengetahuan terperinci tentang kondisi atmosfer untuk memprediksi bagaimana manuver akan memengaruhi pesawat ruang angkasa. Faktor terbesar yang mempengaruhi aerobraking adalah suhu, kerapatan, dan kecepatan angin, yang semuanya sangat bervariasi di berbagai bagian atmosfer Venus.

Itu membuat aerobraking di Venus jauh lebih rumit daripada aerobraking di Mars, misalnya. Venus memiliki gravitasi yang jauh lebih tinggi daripada Mars, yang berarti pesawat luar angkasa akan mengalami kecepatan yang jauh lebih tinggi saat melewati atmosfer. Itu sebabnya prosesnya akan memakan waktu lama.

Lingkungan keras Venus

Tantangan lain adalah bahwa Venus adalah a tempat yang sangat tidak ramah, dan itu meluas ke atmosfernya juga. Venus lebih dekat ke matahari daripada Bumi, sehingga menerima panas dan radiasi matahari yang cukup besar yang harus dapat ditahan oleh pesawat ruang angkasa. Dan saat pesawat ruang angkasa turun ke atmosfer untuk aerobraking, gesekan menyebabkannya melambat - tetapi itu juga menyebabkan pemanasan.

Temperatur pasti yang akan dialami pesawat ruang angkasa akan bergantung pada keputusan desain akhir, tetapi akan berada di wilayah "mungkin 200 atau 300 derajat celcius untuk suhu tertinggi," Adrian Tighe, ilmuwan material untuk EnVision, dikatakan. Ada juga radiasi ultraviolet dari matahari yang harus ditangani oleh pesawat ruang angkasa. “Ini lingkungan yang cukup keras untuk material.”

Namun, ancaman terbesar bagi pesawat ruang angkasa selama aerobraking bukanlah panas atau radiasi. Sebaliknya, itu adalah komponen atmosfer atas, atom oksigen. Tidak seperti kebanyakan molekul oksigen di Bumi, yang terbuat dari dua atom oksigen, atom oksigen telah dipecah oleh radiasi matahari sehingga hanya memiliki satu atom oksigen. Itu berarti sangat reaktif, sehingga bisa menggerogoti bahan dan menimbulkan korosi.

Itu berita buruk bagi pesawat ruang angkasa, yang harus bertahan dalam fase aerobraking selama berbulan-bulan dan kemudian dapat melanjutkan misi sainsnya. Dan pesawat ruang angkasa akan benar-benar dibombardir oleh partikel-partikel ini, karena akan bergerak dengan kecepatan tinggi sekitar lima mil per detik. "Ini adalah kombinasi dari reaksi kimia dan kecepatan tumbukan" yang akan menyebabkan masalah, Tighe menjelaskan, dengan partikel yang menghantam pesawat ruang angkasa "seperti peluru yang melaju kencang".

Menemukan bahan tahan Venus

Oksigen atom dapat mengoksidasi logam, tetapi lebih buruk lagi untuk polimer. Material mirip plastik ini, terbuat dari karbon, hidrogen, dan oksigen, bereaksi dengan atom oksigen untuk membentuk senyawa seperti karbon dioksida yang menguap, sehingga material tersebut hilang ke luar angkasa. Oksigen atom juga dapat bereaksi dengan cat, seperti cat putih yang diperlukan untuk memantulkan panas dan yang dapat berubah menjadi coklat dan menjadi kurang efektif, begitu pula dengan bahan isolasi yang disebut multilayer isolasi.

Kekhawatiran terbesar adalah panel surya pesawat ruang angkasa, karena sangat terbuka. Sel surya ditutupi kaca, yang tahan terhadap oksigen atom, tetapi ini diatur ke dalam substrat yang biasanya terbuat dari serat karbon, yang rentan terhadap erosi. Komponen sensitif lainnya adalah foil tipis yang digunakan sebagai insulasi antara sel dan panel, yang disebut kapton. Dan ada foil tipis yang menghubungkan sel-sel yang berbeda, yang terkadang terbuat dari perak — dan itu juga sensitif. Jadi para insinyur bekerja untuk memilih bahan yang berbeda, atau menemukan cara untuk melindungi bahan dari paparan oksigen atom.

Meskipun oksigen atom tidak banyak ditemukan di permukaan Bumi, kami memiliki pemahaman tentang cara menghadapinya seperti yang ditemukan di orbit Bumi. Satelit dirancang untuk menahan kepadatan atom oksigen tertentu, jadi para insinyur menggunakan prinsip serupa untuk merancang pesawat ruang angkasa EnVision agar tahan. Tetapi lingkungan Bumi tidak melibatkan suhu setinggi itu, jadi kombinasi atom oksigen dan suhu tinggi merupakan tantangan baru.

“Jadi kami harus menggunakan bahan yang paling kuat,” kata Tighe, yang kelompoknya sibuk menguji bahan seperti insulasi, cat, dan tenaga surya. komponen panel untuk menemukan yang mampu bertahan selama 15 bulan di lingkungan yang keras ini bahkan sebelum memulai misi utamanya.

Data sains gratis

Misi utama EnVision tidak akan dimulai sampai manuver aerobraking membawa pesawat ruang angkasa ke orbit terakhirnya antara 130 dan 340 mil. Tetapi para ilmuwan tidak pernah melewatkan kesempatan untuk belajar, jadi tim peneliti sedang mengerjakan apa yang mungkin dapat mereka pelajari tentang Venus selama fase aerobraking juga.

Ilmuwan atmosfer bersemangat tentang kemungkinan mendapatkan pandangan dari dekat atmosfer bagian atas planet, yang jarang dipelajari. Mempelajari atmosfer bagian atas itu sulit, menurut ilmuwan EnVision Gabriella Gilli dari Instituto de Astrofísica de Andalucía di Spanyol, karena sangat tipis dibandingkan dengan bagian bawah yang padat suasana. “Sulit diukur dengan instrumen penginderaan jauh. Kami tidak memiliki akurasi yang cukup untuk instrumen untuk mengukur kerapatan sekecil itu, ”jelas Gilli.

Itu sebabnya manuver aerobraking menawarkan peluang ilmiah yang unik. Dengan mengukur faktor-faktor seperti kerapatan dan suhu selama manuver, para ilmuwan dapat membangun gambaran yang lebih komprehensif tentang bagian atas atmosfer.

“Kami benar-benar ingin mengetahui keadaan atmosfer di setiap bagian planet ini,” kata Gilli. Namun saat ini, data terbatas yang kami miliki dari Venus terbatas pada pengamatan yang sangat terlokalisasi. Ada juga perbedaan besar antara bagaimana atmosfer berperilaku di siang hari versus di malam hari, yang baru mulai kita pahami.

Jika para ilmuwan bisa mendapatkan data atmosfer atas selama fase ini, mereka bisa membandingkannya dengan data dari misi lain seperti DaVinci untuk mencoba menyatukan apa yang terjadi di atmosfer secara keseluruhan, bukan hanya satu lokasi.

Menyesuaikan dengan kondisi

Pengamatan yang dikumpulkan selama fase aerobraking tidak hanya untuk kepentingan ilmiah. Mereka juga akan diberi makan kembali ke tim pesawat ruang angkasa, yang dapat menyesuaikan cara manuvernya direncanakan jika, katakanlah, ternyata kepadatan di satu bagian atmosfer berbeda dengan sebelumnya mengharapkan.

“Atmosfer Venus sangat bervariasi,” jelas Gilli, yang berarti suhu dan kerapatannya berubah dengan cara yang rumit. "Dan variabilitasnya bahkan lebih tinggi di bagian atas atmosfer."

Itu berarti prediksi terbatas yang kita miliki tentang apa yang diharapkan mungkin memerlukan penyesuaian yang cukup besar setelah pesawat ruang angkasa tiba di Venus. Memodelkan kondisi yang akan dihadapi pesawat ruang angkasa akan menjadi "pekerjaan berkelanjutan hingga peluncuran," menurut Thomas Voirin, manajer Studi EnVision.

Dan bahkan setelah diluncurkan, menyesuaikan manuver aerobraking merupakan proses yang berulang. Tim misi memiliki model dari apa yang dapat mereka temukan, tetapi “yang pasti, kenyataannya akan berbeda,” kata Voirin. Seluruh proses dirancang dengan margin lebar, untuk memungkinkan berbagai kemungkinan penyimpangan dari prediksi.

Fase yang rumit

Meluncurkan misi antarplanet apa pun itu sulit, tetapi aerobraking di Venus merupakan tantangan khusus. Dari perputaran cepat bagian atmosfer hingga efek aktivitas matahari, dengan angin kencang dan variabilitas yang tinggi, ada banyak faktor yang harus diperdebatkan oleh pesawat ruang angkasa seperti EnVision dengan.

“Ini fase yang sangat menantang. Fase yang sangat rumit, ”kata Gilli.

Tapi jika berhasil, itu bisa menunjukkan cara baru dan lebih terjangkau untuk memasukkan pesawat ruang angkasa ke orbitnya — dan itu berarti bahwa misi bisa lebih berambisi dalam tujuan sains mereka tanpa menjadi lebih mahal.

Prosesnya panjang, dan akan membutuhkan kesabaran dari para peneliti dan publik, namun berpotensi mengubah cara kita melakukan ilmu planet di Venus.

“Kelihatannya hal yang cukup rumit. Anda berpikir, mengapa Anda melakukan itu? Mengapa Anda menghabiskan dua tahun menunggu manuver yang cukup berisiko? Itu karena itu benar-benar memungkinkan misi tersebut, ”kata Tighe. Dan ada sesuatu yang secara inheren memuaskan tentang itu juga. “Bagus sekali, menggunakan atmosfer itu sendiri untuk memungkinkan Anda masuk ke orbit. Ini cara yang rapi untuk melakukannya.

Rekomendasi Editor

• Inilah mengapa para ilmuwan berpikir bahwa kehidupan mungkin berkembang pesat di 'planet neraka' Venus
• Lihat bulan dan Jupiter merasa nyaman dalam sorotan pengamatan langit bulan Mei
• Bagaimana kelas astronot NASA tahun 1978 mengubah wajah eksplorasi ruang angkasa
• Aktivitas vulkanik Venus telah meninggalkannya dengan kulit terluar yang licin
• Dua pesawat ruang angkasa bekerja sama untuk mempelajari medan magnet Venus