Aerobremsingens delikate kunst: Nøkkelen til å utforske Venus

Venus tiår er snart over oss. Med tre kommende Venus-oppdrag planlagt fra NASA og European Space Agency (ESA), er vi på vei til å lære mer om vår naboplanet enn noen gang før.

Men vi vil ikke bare lære om planetarisk vitenskap. Denne gangen skal vi også lære å kontrollere et romfartøy i en fremmed atmosfære, takket være to oppdrag – ESAs Se for meg og NASAs VERITAS - som er satt til å bruke en ny teknikk kalt aerobraking for å få romfartøyet deres inn i riktig bane for dem å gjøre vitenskapen sin.

Vi snakket med ingeniører og forskere fra EnVision-oppdraget for å lære hvordan de planlegger å gjennomføre det – og hva de kan lære av det.

Bremse farten ved hjelp av atmosfæren

Vanligvis vil du bremse et romfartøy på samme måte som du øker hastigheten: ved å brenne drivstoff. Kjemisk fremdrift er en fin måte å produsere mye kraft veldig raskt på, og det er det du trenger for både å starte fra opprinnelsen og komme inn i bane på destinasjonen.

Men drivstoff er også veldig tungt. Og vekt er penger når det kommer til rakettoppskytinger. Jo mer drivstoff et romfartøy bærer, desto dyrere blir det å skyte opp, og jo mindre plass vil det være for vitenskapelige instrumenter.

Så i løpet av de siste tiårene har romingeniører utviklet en mer effektiv måte å bremse et romfartøy på. I stedet for å brenne drivstoff, utnytter denne nye metoden atmosfæren som finnes på de fleste steder vi ønsker å besøke. Romfartøyet nærmer seg de øvre kantene av atmosfæren og dykker inn, hvor friksjon vil bremse den ned med en liten mengde. Deretter trekker romfartøyet seg opp igjen før det dykker ned igjen, sakter gradvis ned over flere fall og senker banen over tid.

Denne metoden, kalt aerobraking, har blitt brukt av romfartøy på Mars, og har til og med blitt eksperimentert med for romfartøy som returnerer til jorden. Men nå ønsker oppdragsteam å bruke teknikken til to av de kommende Venus-oppdragene også.

Et par tidligere Venus-romskip som Magellan og Venus Express har brukt aerobremsing på slutten av oppdragene deres, da deres viktigste vitenskapelige arbeid var utført og teamene ønsket å eksperimentere med teknikk. Men EnVision og VERITAS vil være de første romfartøyene som bruker aerobremsing i starten av oppdragene sine for å komme inn i riktig bane.

15 måneders maraton 

Når EnVision ankommer Venus, vil den gå i bane i en høyde av 150 000 miles. Og den må helt ned til 300 miles over overflaten for å få de målingene teamet ønsker. For å gjøre dette vil den dykke ned i atmosfæren tusenvis av ganger over en periode på mellom 15 måneder og to år, og gradvis bevege seg inn i riktig bane.

Dette krever grundig planlegging, men det krever også detaljert kunnskap om atmosfæriske forhold for å forutsi hvordan manøvrene vil påvirke romfartøyet. De største faktorene som påvirker flybremsing vil være temperatur, tetthet og vindhastigheter, som alle varierer betydelig i forskjellige deler av den venusiske atmosfæren.

Det gjør aerobremsing på Venus mye mer komplisert enn aerobremsing på Mars, for eksempel. Venus har mye høyere gravitasjon enn Mars, noe som betyr at romfartøyet vil oppleve mye høyere hastigheter når det passerer gjennom atmosfæren. Det er derfor prosessen kommer til å ta så lang tid.

Det tøffe miljøet til Venus

En annen utfordring er at Venus er en dypt ugjestmilde sted, og det strekker seg til atmosfæren også. Venus er nærmere solen enn Jorden, så den mottar betydelig varme og solstråling som romfartøyet trenger for å kunne tåle. Og når romfartøyet faller ned i atmosfæren for aerobremsing, får friksjonen det til å bremse ned - men det forårsaker også oppvarming.

De nøyaktige temperaturene som romfartøyet vil oppleve vil avhenge av endelige designbeslutninger, men det vil være i område med "kanskje 200 eller 300 grader celsius for den høyeste temperaturen," Adrian Tighe, materialforsker for EnVision, sa. Det er også den ultrafiolette strålingen fra solen som romfartøyet må håndtere. "Det er et ganske tøft miljø for materialene."

Den største trusselen mot romfartøyet under aerobremsing er imidlertid ikke varmen eller strålingen. Snarere er det en komponent av den øvre atmosfæren, atomært oksygen. I motsetning til de fleste oksygenmolekyler på jorden, som er laget av to oksygenatomer, har atomært oksygen blitt splittet av stråling fra solen, og det har bare ett oksygenatom. Det betyr at den er svært reaktiv, så den kan spise bort materialer og korrodere dem.

Det er dårlige nyheter for romfartøyet, som må overleve den måneder lange aerobremsingsfasen og deretter kunne fortsette til sitt vitenskapelige oppdrag. Og romfartøyet vil bokstavelig talt bli bombardert av disse partiklene, da det vil bevege seg med en høy hastighet på rundt fem miles per sekund. "Det er en kombinasjon av en kjemisk reaksjon og slaghastigheten" som vil forårsake problemet, forklarte Tighe, med partikler som treffer romfartøyet "som en fartskule."

Finne Venus-sikre materialer

Atomoksygenet kan oksidere metaller, men det er enda verre for polymerer. Disse plastlignende materialene, laget av karbon, hydrogen og oksygen, reagerer med det atomære oksygenet for å danne forbindelser som karbondioksid som fordamper bort, og slik at materialet går tapt ut i rommet. Atomisk oksygen kan også reagere med maling, for eksempel hvit maling som trengs for å reflektere varme bort og som kan bli brune og bli mindre effektive, samt med isolasjonsmateriale kalt flerlags isolasjon.

Den største bekymringen er romfartøyets solcellepaneler, fordi de er så utsatt. Solcellene er dekket av glass, som er motstandsdyktig mot atomært oksygen, men disse er satt inn i et underlag som typisk er laget av karbonfiber, som er utsatt for erosjon. En annen følsom komponent er den tynne folien som brukes som isolasjon mellom cellen og panelet, kalt kapton. Og det er en tynn folie som forbinder de forskjellige cellene, som noen ganger er laget av sølv - og det er også følsomt. Så ingeniørene jobber med enten å velge forskjellige materialer, eller å finne måter å beskytte materialene mot eksponering for det atomære oksygenet.

Selv om atomært oksygen ikke finnes mye på jordoverflaten, har vi en viss forståelse av hvordan vi skal håndtere det slik det finnes i jordens bane. Satellitter er designet for å tåle en viss tetthet av atomært oksygen, så ingeniører bruker lignende prinsipper for å designe EnVision-romfartøyet for å gjøre det motstandsdyktig. Men jordmiljøet involverer ikke så høye temperaturer, så kombinasjonen av atomært oksygen og høye temperaturer er en ny utfordring.

"Så vi måtte bruke de mest robuste materialene," sa Tighe, hvis gruppe har vært opptatt med å teste ut materialer som isolasjon, maling og solenergi. panelkomponenter for å finne de som vil være i stand til å tåle 15 måneder av dette tøffe miljøet før de begynner på hovedoppdraget.

Vitenskapsdata gratis

EnVisions hovedoppdrag vil ikke begynne før flybremsemanøvrene har brakt romfartøyet ned til sin endelige bane på mellom 130 og 340 miles. Men forskere lar aldri en mulighet til å lære gå fra seg, så et forskerteam jobber med hva de kanskje kan lære om Venus også under aerobremsingsfasen.

Atmosfæriske forskere er begeistret for muligheten for å få et nærbilde av planetens øvre atmosfære, som sjelden studeres. Det er vanskelig å studere den øvre atmosfæren, ifølge EnVision-forsker Gabriella Gilli fra The Instituto de Astrofísica de Andalucía i Spania, fordi den er så tynn sammenlignet med den tette nedre atmosfære. «Det er vanskelig å måle med fjernmålingsinstrumenter. Vi har ikke nok nøyaktighet til at instrumenter kan måle en så liten tetthet," forklarte Gilli.

Det er grunnen til at aerobremsmanøveren tilbyr en så unik vitenskapelig mulighet. Ved å ta målinger av faktorer som tetthet og temperatur under manøvrene, kan forskerne bygge opp et mer omfattende bilde av den øvre delen av atmosfæren.

"Vi ønsker virkelig å vite hvordan tilstanden til atmosfæren er i alle deler av planeten," sa Gilli. Men for øyeblikket er de begrensede dataene vi har fra Venus begrenset til svært lokaliserte observasjoner. Det er også store forskjeller mellom hvordan atmosfæren oppfører seg om dagen versus om natten, som vi bare så vidt begynner å forstå.

Hvis forskere kan få data om den øvre atmosfæren i denne fasen, kan de sammenligne det med data fra andre oppdrag som DaVinci for å prøve å sette sammen det som skjer i atmosfæren som helhet, i stedet for i bare én plassering.

Tilpasning til forholdene

Observasjonene samlet under aerobremsfasen vil imidlertid ikke bare være av vitenskapelig interesse. De vil også bli matet tilbake til romfartøyteamet, som kan justere måten manøvrene blir utført på planlagt hvis det for eksempel viser seg at tettheten i en del av atmosfæren er forskjellig fra det som var forventet.

"Venus-atmosfæren er ekstremt variabel," forklarte Gilli, noe som betyr at temperaturen og tettheten endres på komplekse måter. "Og variasjonen er enda høyere i den øvre delen av atmosfæren."

Det betyr at de begrensede spådommene vi har om hva vi kan forvente kan trenge betydelig justering når romfartøyet ankommer Venus. Modellering av forholdene som romfartøyet vil møte vil være "et kontinuerlig arbeid som pågår frem til lansering," ifølge Thomas Voirin, EnVision Study-sjef.

Og selv etter lansering er justering av aerobremsmanøvrene en iterativ prosess. Oppdragsteamet har modeller for hva de kan forvente å finne, men "sikkert vil virkeligheten være annerledes," sa Voirin. Hele prosessen er designet med brede marginer, for å tillate ulike mulige avvik fra spådommer.

En delikat fase

Å sette i gang et hvilket som helst interplanetarisk oppdrag er vanskelig, men aerobremsing på Venus er en spesiell utfordring. Fra den raske rotasjonen av deler av atmosfæren til effekten av solaktivitet, med rask vind og høy variasjon, det er mange faktorer som romfartøy som EnVision vil måtte kjempe med.

– Dette er en veldig utfordrende fase. En veldig delikat fase, sa Gilli.

Men hvis det fungerer, kan det demonstrere en ny og rimeligere måte å få romfartøyer inn i banene sine — og det betyr at oppdrag kan være mer ambisiøse i sine vitenskapelige mål uten å være mer dyrt.

Prosessen er lang, og vil kreve tålmodighet fra forskerne og publikum, men den har potensial til å endre måten vi driver med planetarisk vitenskap på Venus.

«Det ser ganske komplisert ut. Du tenker vel, hvorfor skulle du gjøre det? Hvorfor vil du bruke to år på å vente på en ganske risikabel manøver? Det er fordi det virkelig muliggjør oppdraget, sa Tighe. Og det er noe iboende tilfredsstillende med det også. "Det er bare pent, å bruke atmosfæren i seg selv for å gjøre det mulig for deg å komme inn i banen. Det er en fin måte å gjøre det på.»

Redaktørenes anbefalinger

• Her er grunnen til at forskere tror at livet kan ha trivdes på "helvetesplaneten" Venus
• Se månen og Jupiter bli koselige i mais høydepunkter
• Hvordan NASAs astronautklasse fra 1978 endret romutforskningens ansikt
• Venus’ vulkanske aktivitet har etterlatt den med et squishy ytre skall
• To romfartøyer jobbet sammen for å lære om Venus’ magnetfelt