에어로 브레이킹의 섬세한 기술: 금성을 탐험하는 열쇠

금성의 10년이 거의 다가왔습니다. 와 함께 다가오는 세 가지 금성 임무 NASA와 유럽 우주국(ESA)에서 계획한 대로 우리는 그 어느 때보다 이웃 행성에 대해 더 많이 배우는 시점에 있습니다.

그러나 우리는 행성 과학에 대해서만 배우는 것이 아닙니다. 이번에는 ESA의 두 가지 임무 덕분에 외계 대기에서 우주선을 제어하는 ​​방법도 배울 것입니다. 엔비전 그리고 NASA의 VERITAS는 에어로 브레이킹이라는 새로운 기술을 사용하여 우주선을 올바른 궤도에 진입시켜 과학을 수행할 예정입니다.

우리는 EnVision 미션의 엔지니어 및 과학자들과 이야기를 나누며 그들이 계획을 실행하는 방법과 이를 통해 무엇을 배울 수 있는지 알아보았습니다.

대기를 이용하여 감속하기

일반적으로 우주선의 속도를 높이는 것과 같은 방식으로 연료를 태워 속도를 줄입니다. 화학적 추진은 많은 힘을 매우 빠르게 생성하는 좋은 방법이며 출발지에서 발사하고 목적지에서 궤도에 진입하는 데 모두 필요합니다.

그러나 연료도 매우 무겁습니다. 그리고 로켓 발사에 있어 무게는 곧 돈입니다. 우주선이 운반하는 연료가 많을수록 발사 비용이 더 많이 들고 과학 장비에 대한 허용량이 줄어듭니다.

따라서 지난 수십 년 동안 우주 공학자들은 우주선의 속도를 늦추는 보다 효율적인 방법을 개발해 왔습니다. 연료를 태우는 대신 이 새로운 방법은 우리가 방문하고 싶은 대부분의 장소에 존재하는 분위기를 활용합니다. 우주선은 대기의 위쪽 가장자리에 접근하고 잠수하며 마찰로 인해 속도가 약간 느려집니다. 그런 다음 우주선은 다시 물속으로 들어가기 전에 위로 당겨지며 여러 번의 물 속으로 점차 속도가 느려지고 시간이 지남에 따라 궤도가 낮아집니다.

에어로 브레이킹(aerobraking)이라고 불리는 이 방법은 화성의 우주선에서 사용되었으며 지구로 귀환하는 우주선에서도 실험되었습니다. 그러나 이제 임무 팀은 다가오는 금성 임무 중 두 가지에도 이 기술을 사용하기를 원합니다.

Magellan 및 Venus Express와 같은 이전의 몇 가지 금성 우주선은 마지막에 에어로 브레이킹을 사용했습니다. 그들의 임무, 주요 과학 작업이 완료되고 팀이 실험을 원할 때 기술. 그러나 EnVision과 VERITAS는 올바른 궤도에 진입하기 위해 임무를 시작할 때 에어로 브레이킹을 사용하는 최초의 우주선이 될 것입니다.

15개월 마라톤 

EnVision이 금성에 도착하면 150,000마일의 고도에서 궤도를 돌게 됩니다. 그리고 팀이 원하는 수치를 얻으려면 표면 위 300마일까지 내려가야 합니다. 이를 위해 15개월에서 2년 사이에 대기권에 수천 번 잠수하면서 점차 올바른 궤도로 이동하게 된다.

이를 위해서는 세심한 계획이 필요하지만 기동이 우주선에 어떤 영향을 미칠지 예측하기 위해 대기 조건에 대한 자세한 지식이 필요합니다. 에어로 브레이킹에 영향을 미치는 가장 큰 요인은 온도, 밀도 및 풍속이며, 모두 금성 대기의 다른 부분에서 상당히 다릅니다.

예를 들어 금성에서의 에어로브레이크는 화성에서의 에어로브레이크보다 훨씬 더 복잡합니다. 금성은 화성보다 중력이 훨씬 높기 때문에 우주선이 대기를 통과할 때 훨씬 더 빠른 속도를 경험하게 됩니다. 그렇기 때문에 프로세스가 너무 오래 걸릴 것입니다.

금성의 혹독한 환경

또 다른 도전은 금성이 매우 열악한 곳, 그것은 대기권까지 확장됩니다. 금성은 지구보다 태양에 더 가깝기 때문에 우주선이 견딜 수 있어야 하는 상당한 열과 태양 복사를 받습니다. 그리고 우주선이 에어로브레이킹을 위해 대기권으로 떨어질 때 마찰로 인해 속도가 느려지지만 열도 발생합니다.

우주선이 경험하게 될 정확한 온도는 최종 설계 결정에 따라 다르지만 EnVision의 재료 과학자인 Adrian Tighe는 말했다. 우주선이 처리해야 할 태양의 자외선도 있습니다. "재료에 대한 상당히 가혹한 환경입니다."

그러나 에어로 브레이킹 중 우주선에 대한 가장 큰 위협은 열이나 방사선이 아닙니다. 오히려 그것은 상층 대기의 구성 요소인 원자 산소입니다. 두 개의 산소 원자로 구성된 지구상의 대부분의 산소 분자와 달리 원자 산소는 태양 복사에 의해 분리되어 단 하나의 산소 원자만 가지고 있습니다. 즉, 반응성이 높기 때문에 재료를 먹어 치우고 부식시킬 수 있습니다.

그것은 몇 달 간의 에어로브레이킹 단계에서 살아남아 과학 임무를 수행할 수 있어야 하는 우주선에 나쁜 소식입니다. 그리고 우주선은 초당 약 5마일의 빠른 속도로 움직이기 때문에 말 그대로 이 입자들에 의해 폭격을 받을 것입니다. "화학 반응과 충격 속도의 조합"이 문제를 일으킬 것이라고 Tighe는 설명했습니다. 입자가 "속도를 내는 총알처럼" 우주선을 때렸습니다.

금성 방지 재료 찾기

원자 산소는 금속을 산화시킬 수 있지만 폴리머의 경우 더 나쁩니다. 탄소, 수소 및 산소로 만들어진 이 플라스틱 같은 물질은 원자 산소와 반응하여 증발하는 이산화탄소와 같은 화합물을 형성하므로 물질은 우주로 유실됩니다. 원자 산소는 또한 열을 반사하고 열을 반사하는 데 필요한 흰색 페인트와 같은 페인트와 반응할 수 있습니다. 갈색으로 변하고 덜 효과적이 될 수 있으며 다층이라는 단열재와 함께 단열재.

가장 큰 우려는 우주선의 태양 전지판이 너무 노출되어 있기 때문입니다. 태양 전지는 원자 산소에 내성이 있는 유리로 덮여 있지만 일반적으로 부식되기 쉬운 탄소 섬유로 만들어진 기판에 설치됩니다. 또 다른 민감한 구성 요소는 셀과 패널 사이의 절연체로 사용되는 캡톤(kapton)이라고 하는 얇은 호일입니다. 그리고 때때로 은으로 만들어지는 서로 다른 셀을 연결하는 얇은 포일이 있습니다. 이 포일 역시 민감합니다. 따라서 엔지니어들은 다른 재료를 선택하거나 원자 산소에 대한 노출로부터 재료를 보호하는 방법을 찾기 위해 노력하고 있습니다.

원자 산소는 지구 표면에서 많이 발견되지 않지만 지구 궤도에서 발견되는 산소 원자를 처리하는 방법에 대해 어느 정도 이해하고 있습니다. 인공위성은 특정 밀도의 원자 산소를 견디도록 설계되었으므로 엔지니어들은 비슷한 원리를 사용하여 EnVision 우주선을 설계하여 내성을 갖게 합니다. 그러나 지구 환경은 그러한 고온을 포함하지 않으므로 원자 산소와 고온의 조합은 새로운 도전입니다.

"그래서 우리는 가장 견고한 재료를 사용해야 했습니다."라고 Tighe는 말했습니다. 주요 임무를 시작하기도 전에 이 혹독한 환경을 15개월 동안 견딜 수 있는 패널 구성 요소를 찾습니다.

무료 과학 데이터

EnVision의 주요 임무는 에어로 브레이크 기동으로 우주선이 130~340마일의 최종 궤도에 도달할 때까지 시작되지 않습니다. 그러나 과학자들은 배울 수 있는 기회를 결코 놓치지 않았기 때문에 연구팀은 에어로브레이킹 단계에서도 금성에 대해 배울 수 있는 것에 대해 연구하고 있습니다.

대기 과학자들은 거의 연구되지 않은 행성의 상층 대기를 가까이서 볼 수 있는 가능성에 흥분하고 있습니다. EnVision 과학자인 Gabriella Gilli에 따르면 상층 대기를 연구하는 것은 어렵다고 합니다. Instituto de Astrofísica de Andalucía(스페인)는 밀도가 높은 하부에 비해 너무 얇기 때문입니다. 대기. “원격 감지 장비로는 측정하기 어렵습니다. 기기가 이렇게 작은 밀도를 측정할 만큼 정확도가 충분하지 않습니다.”라고 Gilli가 설명했습니다.

그렇기 때문에 에어로 브레이킹 기동이 그토록 독특한 과학적 기회를 제공합니다. 기동 중에 밀도 및 온도와 같은 요인을 측정함으로써 과학자들은 대기의 상부 영역에 대한 보다 포괄적인 그림을 구축할 수 있습니다.

Gilli는 "우리는 지구의 모든 부분에서 대기 상태가 어떤지 정말로 알고 싶습니다."라고 말했습니다. 그러나 현재 우리가 금성에서 얻은 제한된 데이터는 고도로 국지적인 관측에 국한되어 있습니다. 또한 대기가 낮과 밤에 어떻게 작용하는지 간에는 엄청난 차이가 있습니다. 우리는 이제 막 이해하기 시작했습니다.

과학자들이 이 단계에서 상층 대기에 대한 데이터를 얻을 수 있다면 다른 미션의 데이터와 비교할 수 있습니다. DaVinci처럼 대기에서 일어나는 일을 하나가 아닌 전체적으로 종합하려고 합니다. 위치.

조건에 적응

에어로 브레이킹 단계에서 수집된 관찰 결과는 과학적인 관심사만 있는 것은 아닙니다. 그들은 또한 기동이 진행되는 방식을 조정할 수 있는 우주선 팀에 피드백될 것입니다. 예를 들어 대기의 한 부분의 밀도가 이전과 다른 것으로 밝혀지면 계획됩니다. 예상되는.

"금성의 대기는 매우 다양합니다." Gilli는 온도와 밀도가 복잡한 방식으로 변한다는 것을 의미한다고 설명했습니다. "그리고 변동성은 대기의 상부에서 훨씬 더 높습니다."

그것은 우주선이 금성에 도착하면 예상할 수 있는 것에 대해 우리가 가지고 있는 제한된 예측이 상당한 조정이 필요할 수 있음을 의미합니다. EnVision 연구 관리자인 Thomas Voirin에 따르면 우주선이 직면하게 될 조건을 모델링하는 것은 "발사까지 계속 진행되는 작업"이 될 것입니다.

그리고 발사 후에도 에어로 브레이킹 조작을 조정하는 것은 반복적인 프로세스입니다. 미션 팀은 그들이 찾을 것으로 기대할 수 있는 모델을 가지고 있지만 "확실히 현실은 다를 것"이라고 Voirin은 말했습니다. 전체 프로세스는 예측에서 다양한 가능한 편차를 허용하기 위해 넓은 마진으로 설계되었습니다.

섬세한 단계

행성 간 임무를 시작하는 것은 어렵지만 금성에서의 에어로 브레이킹은 특별한 도전입니다. 대기 일부의 빠른 회전에서 빠른 바람과 함께 태양 활동의 영향까지 그리고 높은 가변성, EnVision과 같은 우주선이 싸워야 할 많은 요소가 있습니다. 와 함께.

“지금은 매우 도전적인 단계입니다. 매우 섬세한 단계입니다.”라고 Gilli가 말했습니다.

그러나 그것이 작동한다면 우주선을 궤도에 진입시키는 새롭고 더 저렴한 방법을 보여줄 수 있습니다. — 그리고 그것은 임무가 더 이상 과학 목표를 달성하지 않고도 더 야심적일 수 있음을 의미합니다. 값비싼.

그 과정은 길고 연구원과 대중의 인내가 필요하지만 금성에서 행성 과학을 수행하는 방식을 바꿀 가능성이 있습니다.

“상당히 복잡해 보입니다. 왜 그렇게 하시겠습니까? 꽤 위험한 작전을 위해 왜 2년을 기다려야 합니까? 그것이 실제로 임무를 가능하게 하기 때문입니다.”라고 Tighe는 말했습니다. 그리고 본질적으로 만족스러운 것이 있습니다. “대기 자체를 사용하여 궤도에 진입할 수 있도록 하는 것은 깔끔합니다. 깔끔한 방법입니다.”

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