Smalkā aerobremzēšanas māksla: Veneras izpētes atslēga

Venēras desmitgade ir gandrīz klāt. Ar trīs gaidāmās Venēras misijas NASA un Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA) plānotās, mēs esam gatavi uzzināt vairāk par mūsu kaimiņu planētu nekā jebkad agrāk.

Bet mēs ne tikai mācīsimies par planētu zinātni. Šoreiz mēs arī iemācīsimies vadīt kosmosa kuģi svešā atmosfērā, pateicoties divām misijām — ESA EnVision un NASA VERITAS, kas izmanto jaunu tehniku, ko sauc par aerobremzēšanu, lai kosmosa kuģis nonāktu pareizajā orbītā, lai viņi varētu veikt savu zinātni.

Mēs runājām ar inženieriem un zinātniekiem no EnVision misijas, lai uzzinātu, kā viņi plāno to īstenot un ko viņi no tā varētu mācīties.

Palēnināšanās, izmantojot atmosfēru

Parasti jūs palēnināt kosmosa kuģi tāpat kā to paātrina: sadedzinot degvielu. Ķīmiskā piedziņa ir lielisks veids, kā ļoti ātri radīt lielu spēku, un tas ir tas, kas jums nepieciešams gan palaišanai no sākuma, gan ieiešanai orbītā galamērķī.

Tomēr degviela ir arī ļoti smaga. Un svars ir nauda, ​​kad runa ir par raķešu palaišanu. Jo vairāk degvielas kosmosa kuģis pārvadā, jo dārgāka būs tā palaišana un mazāk līdzekļu būs zinātniskiem instrumentiem.

Tāpēc pēdējo desmitgažu laikā kosmosa inženieri ir izstrādājuši efektīvāku veidu, kā palēnināt kosmosa kuģa darbību. Tā vietā, lai dedzinātu degvielu, šī jaunā metode izmanto atmosfēru, kas valda lielākajā daļā vietu, kuras mēs vēlētos apmeklēt. Kosmosa kuģis tuvojas atmosfēras augšējām malām un iegrimst, kur berze to nedaudz palēninās. Pēc tam kosmosa kuģis paceļas atpakaļ, pirms atkal iegrimst, pakāpeniski palēninot vairāku kritienu laikā un laika gaitā pazeminot savu orbītu.

Šo metodi, ko sauc par aerobremzēšanu, ir izmantojuši kosmosa kuģi uz Marsa, un tā pat ir eksperimentēta ar kosmosa kuģiem, kas atgriežas uz Zemes. Taču tagad misiju komandas vēlas izmantot šo tehniku ​​arī divām gaidāmajām Venēras misijām.

Pāris iepriekšējie Venus kosmosa kuģi, piemēram, Magellan un Venus Express, gada beigās ir izmantojuši aerobremzēšanu viņu misijās, kad tika veikts galvenais zinātniskais darbs un komandas vēlējās eksperimentēt ar tehnika. Taču EnVision un VERITAS būs pirmie kosmosa kuģi, kas savu misiju sākumā izmantos aerobremzēšanu, lai nokļūtu pareizajā orbītā.

15 mēnešu maratons 

Kad EnVision ieradīsies Venērā, tā riņķos 150 000 jūdžu augstumā. Un tai ir jānokāpj līdz 300 jūdzēm virs virsmas, lai iegūtu komandas vēlamos rādījumus. Lai to izdarītu, tas tūkstošiem reižu iegremdēsies atmosfērā laika posmā no 15 mēnešiem līdz diviem gadiem, pakāpeniski virzoties uz pareizo orbītu.

Tas prasa rūpīgu plānošanu, bet arī detalizētas zināšanas par atmosfēras apstākļiem, lai prognozētu, kā manevri ietekmēs kosmosa kuģi. Lielākie faktori, kas ietekmē aerobremzēšanu, būs temperatūra, blīvums un vēja ātrums, kas visi ievērojami atšķiras dažādās Venēras atmosfēras daļās.

Tas padara aerobremzēšanu Venērā daudz sarežģītāku nekā, piemēram, aerobremzēšanu uz Marsa. Venērai ir daudz lielāka gravitācija nekā Marsam, kas nozīmē, ka kosmosa kuģis, šķērsojot atmosfēru, piedzīvos daudz lielāku ātrumu. Tāpēc process prasīs tik ilgu laiku.

Venēras skarbā vide

Vēl viens izaicinājums ir tas, ka Venera ir a dziļi neviesmīlīga vieta, un tas attiecas arī uz tās atmosfēru. Venera atrodas tuvāk Saulei nekā Zeme, tāpēc tā saņem ievērojamu siltumu un saules starojumu, kas kosmosa kuģim jāspēj izturēt. Un, kad kosmosa kuģis nokrīt atmosfērā, lai veiktu aerobremzēšanu, berze izraisa tā palēnināšanos, bet tas arī izraisa karsēšanu.

Precīza temperatūra, ko piedzīvos kosmosa kuģis, būs atkarīga no galīgajiem dizaina lēmumiem, taču tā būs Reģions “varbūt 200 vai 300 grādi pēc Celsija augstākajai temperatūrai,” EnVision materiālu zinātnieks Adrians Tighe. teica. Ir arī saules ultravioletais starojums, ar ko kosmosa kuģim būs jārīkojas. "Tā ir diezgan skarba vide materiāliem."

Tomēr lielākais drauds kosmosa kuģim aerobremzēšanas laikā nav karstums vai starojums. Drīzāk tā ir atmosfēras augšējo slāņu sastāvdaļa, atomu skābeklis. Atšķirībā no vairuma skābekļa molekulu uz Zemes, kas sastāv no diviem skābekļa atomiem, atomu skābeklis ir sadalīts saules starojuma ietekmē, un līdz ar to ir tikai viens skābekļa atoms. Tas nozīmē, ka tas ir ļoti reaģējošs, tāpēc tas var apēst materiālus un tos sarūsēt.

Tās ir sliktas ziņas kosmosa kuģim, kuram ir jāizdzīvo mēnešus ilgā aerobremzēšanas fāze un pēc tam jāspēj turpināt savu zinātnisko misiju. Un kosmosa kuģi burtiski bombardēs šīs daļiņas, jo tas pārvietosies ar lielu ātrumu aptuveni piecas jūdzes sekundē. "Tā ir ķīmiskas reakcijas un trieciena ātruma kombinācija", kas radīs problēmu, skaidroja Tīge, un daļiņas ietriecas kosmosa kuģī "kā ātruma lode".

Venēras necaurlaidīgu materiālu atrašana

Atomu skābeklis var oksidēt metālus, bet tas ir vēl sliktāk polimēriem. Šie plastmasai līdzīgie materiāli, kas izgatavoti no oglekļa, ūdeņraža un skābekļa, reaģē ar atomu skābekli, veidojot savienojumus, piemēram, oglekļa dioksīdu, kas iztvaiko un tādējādi materiāls tiek zaudēts kosmosā. Atomu skābeklis var reaģēt arī ar krāsām, piemēram, baltām krāsām, kas nepieciešamas, lai atstarotu siltumu un kas var kļūt brūni un kļūt mazāk efektīvi, kā arī ar izolācijas materiālu, ko sauc par daudzslāņu izolācija.

Lielākās bažas rada kosmosa kuģa saules paneļi, jo tie ir tik pakļauti. Saules baterijas ir pārklātas ar stiklu, kas ir izturīgs pret atomu skābekli, bet tie ir ievietoti substrātā, kas parasti izgatavots no oglekļa šķiedras, kas ir jutīgs pret eroziju. Vēl viena jutīga sastāvdaļa ir plānā folija, ko izmanto kā izolāciju starp elementu un paneli, ko sauc par kaptonu. Un dažādas šūnas savieno plāna folija, kas dažreiz ir izgatavota no sudraba — un arī tā ir jutīga. Tāpēc inženieri strādā pie dažādu materiālu izvēles vai meklē veidus, kā aizsargāt materiālus no atomu skābekļa iedarbības.

Lai gan atomu skābeklis uz Zemes virsmas nav atrodams daudz, mums ir zināma izpratne par to, kā ar to rīkoties, jo tas atrodas Zemes orbītā. Satelīti ir paredzēti, lai izturētu noteiktu atomu skābekļa blīvumu, tāpēc inženieri izmanto līdzīgus principus, lai izveidotu EnVision kosmosa kuģi, lai padarītu to izturīgu. Taču Zemes vide nav saistīta ar tik augstu temperatūru, tāpēc atomu skābekļa un augstas temperatūras kombinācija ir jauns izaicinājums.

"Tāpēc mums bija jāizmanto visizturīgākie materiāli," sacīja Tighe, kura grupa ir bijusi aizņemta, pārbaudot tādus materiālus kā izolācija, krāsa un saules enerģija. paneļa komponentus, lai atrastu tos, kas spēs izturēt 15 mēnešus šajā skarbajā vidē, pirms pat sāk savu galveno uzdevumu.

Zinātnes dati bez maksas

EnVision galvenā misija nesāksies, kamēr aerobremzēšanas manevri nebūs nolaiduši kosmosa kuģi tā galīgajā orbītā no 130 līdz 340 jūdzēm. Taču zinātnieki nekad nelaiž garām iespēju mācīties, tāpēc pētnieku grupa strādā pie tā, ko viņi varētu uzzināt par Venēru arī aerobremzēšanas fāzē.

Atmosfēras zinātnieki ir sajūsmā par iespēju iegūt tuvplānu uz planētas augšējo atmosfēru, kas tiek reti pētīta. Atmosfēras augšējo daļu pētīšana ir sarežģīta, uzskata EnVision zinātniece Gabriella Gilli no Instituto de Astrofísica de Andalucía Spānijā, jo tas ir tik plāns salīdzinājumā ar blīvo apakšējo atmosfēra. "To ir grūti izmērīt ar attālās izpētes instrumentiem. Mums nav pietiekamas precizitātes instrumentiem, lai izmērītu tik mazu blīvumu, ”skaidroja Džili.

Tāpēc aerobremzēšanas manevrs piedāvā tik unikālu zinātnisku iespēju. Veicot tādu faktoru mērījumus kā blīvums un temperatūra manevru laikā, zinātnieki var izveidot visaptverošāku priekšstatu par atmosfēras augšējo reģionu.

"Mēs patiešām vēlamies zināt, kāds ir atmosfēras stāvoklis katrā planētas daļā," sacīja Džili. Taču pašlaik ierobežotie dati, kas mums ir no Venēras, aprobežojas ar ļoti lokalizētiem novērojumiem. Pastāv arī lielas atšķirības starp to, kā atmosfēra uzvedas dienas laikā un nakts laikā, ko mēs tikai sākam saprast.

Ja zinātnieki šajā fāzē var iegūt datus par atmosfēras augšējo daļu, viņi var tos salīdzināt ar datiem no citām misijām piemēram, DaVinci mēģināt apvienot to, kas notiek atmosfērā kopumā, nevis tikai vienā atrašanās vieta.

Pielāgošanās apstākļiem

Tomēr aerobremzēšanas fāzē savāktie novērojumi radīs ne tikai zinātnisku interesi. Viņi arī tiks nosūtīti atpakaļ kosmosa kuģu komandai, kas var pielāgot manevru norisi plānots, ja, teiksim, izrādīsies, ka blīvums vienā atmosfēras daļā atšķiras no tā, kas bija gaidāms.

"Venēras atmosfēra ir ārkārtīgi mainīga," skaidroja Džili, kas nozīmē, ka tās temperatūra un blīvums mainās sarežģītos veidos. "Un mainīgums ir vēl lielāks atmosfēras augšējā daļā."

Tas nozīmē, ka ierobežotajām prognozēm par to, ko mēs varam sagaidīt, var būt nepieciešama ievērojama korekcija, kad kosmosa kuģis ieradīsies Venērā. Kā norāda Tomass Voirins, EnVision Study vadītājs, to apstākļu modelēšana, ar kuriem saskarsies kosmosa kuģis, būs "nepārtraukts darbs līdz palaišanai".

Un pat pēc palaišanas aerobremzēšanas manevru pielāgošana ir iteratīvs process. Misijas komandai ir modeļi par to, ko viņi var sagaidīt, bet "protams, realitāte būs citāda," sacīja Voirins. Viss process ir izstrādāts ar plašām robežām, lai pieļautu dažādas iespējamās novirzes no prognozēm.

Delikāts posms

Jebkuras starpplanētu misijas uzsākšana ir sarežģīta, taču aerobremzēšana Venērā ir īpašs izaicinājums. No atmosfēras daļu straujas rotācijas līdz saules aktivitātes ietekmei ar straujiem vējiem un liela mainīgums, ir daudz faktoru, ar kuriem kosmosa kuģiem, piemēram, EnVision, būs jācīnās ar.

"Šis ir ļoti izaicinošs posms. Ļoti delikāts posms, ”sacīja Džili.

Bet, ja tas darbojas, tas varētu demonstrēt jaunu un pieejamāku veidu, kā nokļūt kosmosa kuģos savās orbītās — un tas nozīmē, ka misijas var būt vērienīgākas savos zinātniskajos mērķos, taču to nav vairāk dārgi.

Process ir ilgs un prasīs pacietību no pētniekiem un sabiedrības, taču tas var mainīt veidu, kā mēs veicam planētu zinātni Venērā.

"Tā izskatās diezgan sarežģīta lieta. Jūs domājat, kāpēc jūs to darītu? Kāpēc jums būtu jāpavada divi gadi, gaidot diezgan riskantu manevru? Tas ir tāpēc, ka tas patiešām ļauj veikt misiju, ”sacīja Tighe. Un tajā ir arī kaut kas pēc būtības apmierinošs. "Tas ir vienkārši glīts, izmantojot pašu atmosfēru, lai jūs varētu nokļūt orbītā. Tas ir glīts veids, kā to izdarīt. ”

Redaktoru ieteikumi

• Lūk, kāpēc zinātnieki domā, ka dzīvība varētu būt uzplaukusi uz “elles planētas” Veneras
• Redziet, kā Mēness un Jupiters kļūst mājīgi maija debesu vērošanas notikumos
• Kā NASA astronautu klase 1978. gadā mainīja kosmosa izpētes seju
• Venēras vulkāniskā darbība ir atstājusi to ar slaidu ārējo apvalku
• Divi kosmosa kuģi strādāja kopā, lai uzzinātu par Veneras magnētisko lauku