Subtilus aerostabdymo menas: raktas į Veneros tyrinėjimą

Beveik artėja Veneros dešimtmetis. Su trys artėjančios Veneros misijos NASA ir Europos kosmoso agentūros (ESA) planuota, dabar kaip niekada anksčiau sužinosime apie savo kaimyninę planetą.

Bet mes mokysimės ne tik apie planetų mokslą. Šį kartą taip pat išmoksime valdyti erdvėlaivį svetimoje atmosferoje dėl dviejų misijų – ESA. EnVision ir NASA VERITAS, kurie turi naudoti naują techniką, vadinamą aerostabdymu, kad jų erdvėlaiviai į tinkamą orbitą galėtų atlikti savo mokslą.

Kalbėjomės su „EnVision“ misijos inžinieriais ir mokslininkais, kad sužinotume, kaip jie planuoja tai įgyvendinti ir ko iš to galėtų pasimokyti.

Lėtinimas naudojant atmosferą

Paprastai jūs sulėtinate erdvėlaivį taip pat, kaip jį pagreitinate: degindami kurą. Cheminė varomoji jėga yra puikus būdas labai greitai sukurti daug jėgos, ir tai yra tai, ko jums reikia norint paleisti iš pradinės vietos ir patekti į orbitą paskirties vietoje.

Tačiau degalai taip pat labai sunkūs. Ir svoris yra pinigai, kai kalbama apie raketų paleidimą. Kuo daugiau degalų gabens erdvėlaivis, tuo brangiau jį paleisti ir tuo mažiau lėšų bus skirta moksliniams instrumentams.

Taigi per pastaruosius kelis dešimtmečius kosmoso inžinieriai kūrė efektyvesnį būdą sulėtinti erdvėlaivį. Užuot deginus kurą, šis naujas metodas pasinaudoja atmosfera, kuri egzistuoja daugelyje vietų, kurias norėtume aplankyti. Erdvėlaivis artėja prie viršutinių atmosferos kraštų ir panyra, kur trintis jį šiek tiek sulėtins. Tada erdvėlaivis vėl patraukia aukštyn, prieš vėl panirdamas, palaipsniui lėtėdamas per kelis kritimus ir laikui bėgant nuleisdamas savo orbitą.

Šį metodą, vadinamą aerostabdymu, naudojo erdvėlaiviai Marse ir netgi buvo eksperimentuojami į Žemę grįžtantiems erdvėlaiviams. Tačiau dabar misijų komandos nori naudoti šią techniką ir dviejose būsimose Veneros misijose.

Keletas ankstesnių „Venus“ erdvėlaivių, tokių kaip „Magellan“ ir „Venus Express“, pabaigoje naudojo aerostabdį savo misijas, kai buvo atliktas pagrindinis mokslinis darbas ir komandos norėjo eksperimentuoti su technika. Tačiau „EnVision“ ir „VERITAS“ bus pirmieji erdvėlaiviai, kurie savo misijų pradžioje naudos aerostabdį, kad patektų į tinkamą orbitą.

15 mėnesių maratonas 

Kai EnVision atvyks į Venerą, ji skris 150 000 mylių aukštyje. Ir jis turi nusileisti iki 300 mylių virš paviršiaus, kad gautų komandos norimus rodmenis. Norėdami tai padaryti, jis tūkstančius kartų panirs į atmosferą per laikotarpį nuo 15 mėnesių iki dvejų metų ir palaipsniui judės į teisingą orbitą.

Tam reikia kruopštaus planavimo, tačiau taip pat reikia išsamių žinių apie atmosferos sąlygas, kad būtų galima numatyti, kaip manevrai paveiks erdvėlaivį. Didžiausi veiksniai, darantys įtaką aerobiniam stabdymui, bus temperatūra, tankis ir vėjo greitis, kurie visi labai skiriasi įvairiose Veneros atmosferos dalyse.

Dėl to aerostabdymas Veneroje yra daug sudėtingesnis nei, pavyzdžiui, aerostabdymas Marse. Veneros gravitacija yra daug didesnė nei Marso, o tai reiškia, kad erdvėlaivis, skrisdamas per atmosferą, patirs daug didesnį greitį. Štai kodėl procesas užtruks taip ilgai.

Atšiauri Veneros aplinka

Kitas iššūkis yra tai, kad Venera yra a labai nesvetinga vieta, ir tai taip pat apima jo atmosferą. Venera yra arčiau saulės nei Žemė, todėl ji gauna nemažą šilumą ir saulės spinduliuotę, kurią erdvėlaivis turi atlaikyti. Erdvėlaiviui nukritus į atmosferą aerostabdymui, dėl trinties jis sulėtėja, tačiau dėl to jis taip pat įkaista.

Tiksli temperatūra, kurią patirs erdvėlaivis, priklausys nuo galutinių projektavimo sprendimų, tačiau tai bus „Aukščiausia temperatūra gali būti 200 ar 300 laipsnių Celsijaus“, – „EnVision“ medžiagų mokslininkas Adrianas Tighe'as. sakė. Taip pat yra ultravioletinė saulės spinduliuotė, kurią erdvėlaivis turės valdyti. "Tai gana atšiauri aplinka medžiagoms."

Tačiau didžiausia grėsmė erdvėlaiviui aerostabdymo metu yra ne karštis ar radiacija. Atvirkščiai, tai yra viršutinės atmosferos dalis, atominis deguonis. Skirtingai nuo daugumos deguonies molekulių Žemėje, sudarytų iš dviejų deguonies atomų, atominis deguonis buvo suskaidytas saulės spinduliuotės, taigi ir tik vienas deguonies atomas. Tai reiškia, kad jis yra labai reaktyvus, todėl gali suėsti medžiagas ir jas korozuoti.

Tai bloga žinia erdvėlaiviui, kuris turi išgyventi mėnesius trunkantį aerostabdymo etapą ir tada galės tęsti savo mokslinę misiją. Erdvėlaivis tiesiogine prasme bus bombarduojamas šių dalelių, nes jis judės dideliu, maždaug penkių mylių per sekundę greičiu. „Tai cheminės reakcijos ir smūgio greičio derinys“, – paaiškino Tighe'as, o dalelės atsitrenks į erdvėlaivį „kaip greita kulka“.

Venerai atsparių medžiagų paieška

Atominis deguonis gali oksiduoti metalus, bet dar blogiau polimerams. Šios į plastiką panašios medžiagos, pagamintos iš anglies, vandenilio ir deguonies, reaguoja su atominiu deguonimi, sudarydamos junginius, tokius kaip anglies dioksidas, kurie išgaruoja, todėl medžiaga prarandama erdvėje. Atominis deguonis taip pat gali reaguoti su dažais, pavyzdžiui, baltais dažais, kurie reikalingi šilumai atspindėti kurie gali paruduoti ir tapti mažiau veiksmingi, taip pat naudojant izoliacinę medžiagą, vadinamą daugiasluoksne izoliacija.

Didžiausią susirūpinimą kelia erdvėlaivio saulės baterijos, nes jos yra labai atviros. Saulės elementai yra padengti stiklu, kuris yra atsparus atominiam deguoniui, tačiau jie yra įstatyti į substratą, paprastai pagamintą iš anglies pluošto, kuris yra jautrus erozijai. Kitas jautrus komponentas yra plona folija, naudojama kaip izoliacija tarp elemento ir plokštės, vadinama kaptonu. Skirtingas ląsteles jungia plona folija, kuri kartais yra pagaminta iš sidabro – ir tai taip pat yra jautri. Taigi inžinieriai dirba pasirinkdami skirtingas medžiagas arba ieškodami būdų, kaip apsaugoti medžiagas nuo atominio deguonies poveikio.

Nors atominio deguonies Žemės paviršiuje nėra daug, mes žinome, kaip su juo elgtis, nes jis randamas Žemės orbitoje. Palydovai sukurti taip, kad atlaikytų tam tikrą atominio deguonies tankį, todėl inžinieriai taiko panašius principus kurdami EnVision erdvėlaivį, kad jis būtų atsparus. Tačiau Žemės aplinkoje nėra tokios aukštos temperatūros, todėl atominio deguonies ir aukštos temperatūros derinys yra naujas iššūkis.

„Taigi turėjome naudoti pačias tvirtiausias medžiagas“, - sakė Tighe, kurio grupė buvo užsiėmusi medžiagų, tokių kaip izoliacija, dažai ir saulės energija, bandymais. skydo komponentus, kad surastumėte tuos, kurie atlaikys 15 mėnesių šioje atšiaurioje aplinkoje, net nepradėdami savo pagrindinės misijos.

Moksliniai duomenys nemokamai

Pagrindinė „EnVision“ misija prasidės tik tada, kai aerostabdymo manevrai nuves erdvėlaivį į galutinę 130–340 mylių orbitą. Tačiau mokslininkai niekada nepraleidžia progos mokytis, todėl tyrėjų komanda dirba ties tuo, ką jie galėtų sužinoti apie Venerą ir aerostabdymo fazės metu.

Atmosferos mokslininkai džiaugiasi galimybe iš arti pamatyti viršutinę planetos atmosferą, kuri retai tiriama. Pasak „EnVision“ mokslininkės Gabriellos Gilli, tyrinėti viršutines atmosferos dalis yra sudėtinga Instituto de Astrofísica de Andalucía Ispanijoje, nes jis yra toks plonas, palyginti su tankiu apatiniu atmosfera. „Sunku išmatuoti nuotolinio stebėjimo prietaisais. Mes neturime pakankamai tikslumo, kad prietaisai išmatuotų tokį mažą tankį“, - paaiškino Gilli.

Štai kodėl aerostabdymo manevras suteikia tokią unikalią mokslinę galimybę. Manevrų metu matuodami tokius veiksnius kaip tankis ir temperatūra, mokslininkai gali susidaryti išsamesnį viršutinės atmosferos srities vaizdą.

"Mes tikrai norime sužinoti, kokia atmosferos būklė yra kiekvienoje planetos dalyje", - sakė Gilli. Tačiau šiuo metu riboti duomenys, kuriuos turime iš Veneros, apsiriboja labai lokalizuotais stebėjimais. Taip pat yra didžiulių skirtumų tarp to, kaip atmosfera elgiasi dieną ir naktį, kurią mes tik pradedame suprasti.

Jei mokslininkai gali gauti duomenų apie viršutinius atmosferos sluoksnius per šį etapą, jie gali juos palyginti su kitų misijų duomenimis kaip DaVinci, bandydamas sujungti tai, kas vyksta atmosferoje kaip visumą, o ne tik vienoje vieta.

Prisitaikymas prie sąlygų

Vis dėlto aerostabdymo fazės metu surinkti stebėjimai bus ne tik moksliniai svarbūs. Jie taip pat bus grąžinti erdvėlaivio komandai, kuri gali pakoreguoti manevrus planuojama, jei, tarkime, paaiškėja, kad tankis vienoje atmosferos dalyje skiriasi nuo buvusio tikimasi.

„Veneros atmosfera yra labai kintama“, - paaiškino Gilli, turėdamas omenyje, kad jos temperatūra ir tankis keičiasi sudėtingais būdais. "Ir kintamumas yra dar didesnis viršutinėje atmosferos dalyje."

Tai reiškia, kad ribotas prognozes apie tai, ko tikėtis, erdvėlaiviui atvykus į Venerą, gali reikėti gerokai pakoreguoti. Pasak Thomas Voirin, EnVision Study vadovo, sąlygų, su kuriomis susidurs erdvėlaivis, modeliavimas bus „nuolatinis darbas iki paleidimo“.

Ir net po paleidimo aerostabdymo manevrų reguliavimas yra kartotinis procesas. Misijos komanda turi modelius, ką jie gali tikėtis rasti, bet „tikrai, tikrovė bus kitokia“, - sakė Voirinas. Visas procesas suprojektuotas su plačiomis paraštėmis, kad būtų galima įvairiai nukrypti nuo prognozių.

Subtilus etapas

Pradėti bet kokią tarpplanetinę misiją sunku, tačiau aerostabdymas Veneroje yra ypatingas iššūkis. Nuo greito atmosferos dalių sukimosi iki saulės aktyvumo padarinių, pučiant greitai ir didelis kintamumas, yra daug veiksnių, su kuriais turės susidoroti tokie erdvėlaiviai kaip „EnVision“. su.

„Tai labai sudėtingas etapas. Labai subtilus etapas“, – sakė Gilli.

Bet jei tai veikia, tai gali parodyti naują ir įperkamesnį būdą į savo orbitą nukreipti erdvėlaivius - ir tai reiškia, kad misijos gali būti ambicingesnės savo mokslo tikslams, tačiau jų nėra daugiau brangus.

Procesas yra ilgas ir pareikalaus kantrybės iš tyrėjų ir visuomenės, tačiau jis gali pakeisti tai, kaip mes atliekame planetos mokslą Veneroje.

„Atrodo gana sudėtingas dalykas. Pagalvoji, kodėl tu tai darai? Kodėl turėtumėte praleisti dvejus metus laukdami gana rizikingo manevro? Taip yra todėl, kad tai tikrai įgalina misiją“, – sakė Tighe. Ir jame yra kažkas iš prigimties pasitenkinimo. „Tai tiesiog tvarkinga, naudojant pačią atmosferą, kad galėtumėte patekti į orbitą. Tai puikus būdas tai padaryti“.

Redaktorių rekomendacijos

• Štai kodėl mokslininkai mano, kad gyvybė galėjo klestėti „pragaro planetoje“ Veneroje
• Pamatykite, kaip mėnulis ir Jupiteris jaučiasi jaukiai įsitaisę gegužės mėn. dangaus stebėjimo akimirkose
• Kaip NASA astronautų klasė 1978 metais pakeitė kosmoso tyrinėjimų veidą
• Veneros vulkaninis aktyvumas paliko jai suglebusį išorinį apvalkalą
• Du erdvėlaiviai dirbo kartu, kad sužinotų apie Veneros magnetinį lauką