Delikatna sztuka hamowania aerodynamicznego: klucz do odkrywania Wenus

Dekada Wenus zbliża się wielkimi krokami. Z trzy nadchodzące misje Wenus planowanych przez NASA i Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), jesteśmy o krok od dowiedzenia się więcej o naszej sąsiedniej planecie niż kiedykolwiek wcześniej.

Ale nie tylko będziemy uczyć się o planetarności. Tym razem również nauczymy się sterować statkiem kosmicznym w obcej atmosferze dzięki dwóm misjom — ESA EnVision i VERITAS NASA – które mają wykorzystać nową technikę zwaną hamowaniem aerodynamicznym, aby umieścić swój statek kosmiczny na właściwej orbicie, aby mogli zająć się nauką.

Rozmawialiśmy z inżynierami i naukowcami z misji EnVision, aby dowiedzieć się, jak planują to zrobić — i czego mogą się z tego nauczyć.

Spowalnianie za pomocą atmosfery

Zwykle spowalniałbyś statek kosmiczny w taki sam sposób, w jaki go przyspieszasz: spalając paliwo. Napęd chemiczny to świetny sposób na bardzo szybkie wytworzenie dużej siły i jest potrzebny zarówno do startu z punktu początkowego, jak i wejścia na orbitę w miejscu docelowym.

Jednak paliwo jest również bardzo ciężkie. A waga to pieniądz, jeśli chodzi o starty rakiet. Im więcej paliwa przewozi statek kosmiczny, tym droższy będzie jego start i tym mniej będzie przydziału na instrumenty naukowe.

Tak więc w ciągu ostatnich kilku dekad inżynierowie kosmiczni opracowali bardziej skuteczny sposób spowolnienia statku kosmicznego. Zamiast spalania paliwa, ta nowa metoda wykorzystuje atmosferę panującą w większości miejsc, które chcielibyśmy odwiedzić. Sonda zbliża się do górnych krawędzi atmosfery i zanurza się, gdzie tarcie spowalnia ją nieznacznie. Następnie statek kosmiczny cofa się przed ponownym zanurzeniem, stopniowo zwalniając przez wiele spadków i obniżając swoją orbitę w czasie.

Ta metoda, zwana hamowaniem aerodynamicznym, była używana przez statki kosmiczne na Marsie, a nawet eksperymentowano z nią w przypadku statków kosmicznych powracających na Ziemię. Ale teraz zespoły misyjne chcą wykorzystać tę technikę również w dwóch nadchodzących misjach Wenus.

Kilka poprzednich statków kosmicznych Venus, takich jak Magellan i Venus Express, używało hamowania aerodynamicznego pod koniec 2017 roku ich misje, kiedy ich główna praca naukowa została wykonana i zespoły chciały eksperymentować z technika. Ale EnVision i VERITAS będą pierwszymi statkami kosmicznymi, które użyją hamowania aerodynamicznego na początku swoich misji, aby dostać się na właściwą orbitę.

15-miesięczny maraton 

Kiedy EnVision dotrze do Wenus, będzie krążyć na wysokości 150 000 mil. I musi zejść aż do 300 mil nad powierzchnię, aby uzyskać odczyty, których chce zespół. W tym celu zanurzy się w atmosferę tysiące razy w okresie od 15 miesięcy do dwóch lat, stopniowo przemieszczając się na właściwą orbitę.

Wymaga to skrupulatnego planowania, ale wymaga również szczegółowej wiedzy o warunkach atmosferycznych, aby przewidzieć, w jaki sposób manewry wpłyną na statek kosmiczny. Największymi czynnikami wpływającymi na hamowanie aerodynamiczne będą temperatura, gęstość i prędkość wiatru, z których wszystkie różnią się znacznie w różnych częściach atmosfery Wenus.

To sprawia, że ​​hamowanie aerodynamiczne na Wenus jest znacznie bardziej skomplikowane niż na przykład hamowanie aerodynamiczne na Marsie. Wenus ma znacznie większą grawitację niż Mars, co oznacza, że ​​statek kosmiczny będzie doświadczał znacznie większych prędkości podczas przechodzenia przez atmosferę. Dlatego ten proces potrwa tak długo.

Surowe środowisko Wenus

Kolejnym wyzwaniem jest to, że Wenus jest głęboko niegościnne miejsce, i dotyczy to również jego atmosfery. Wenus znajduje się bliżej Słońca niż Ziemia, więc otrzymuje znaczne ilości ciepła i promieniowania słonecznego, które statek kosmiczny musi wytrzymać. A gdy statek kosmiczny spada do atmosfery w celu hamowania aerodynamicznego, tarcie powoduje jego spowolnienie – ale to również powoduje nagrzewanie.

Dokładne temperatury, jakich doświadczy statek kosmiczny, będą zależeć od ostatecznych decyzji projektowych, ale będzie to w region „może 200 lub 300 stopni Celsjusza dla najwyższej temperatury”, Adrian Tighe, materiałoznawca EnVision, powiedział. Istnieje również promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca, z którym statek kosmiczny będzie musiał sobie poradzić. „To dość surowe środowisko dla materiałów”.

Największym zagrożeniem dla statku kosmicznego podczas hamowania aerodynamicznego nie jest jednak ciepło ani promieniowanie. Jest raczej składnikiem górnej atmosfery, tlenem atomowym. W przeciwieństwie do większości cząsteczek tlenu na Ziemi, które składają się z dwóch atomów tlenu, tlen atomowy został rozszczepiony przez promieniowanie słoneczne i ma tylko jeden atom tlenu. Oznacza to, że jest wysoce reaktywny, więc może zjadać materiały i powodować ich korozję.

To zła wiadomość dla statku kosmicznego, który musi przetrwać wielomiesięczną fazę hamowania aerodynamicznego, a następnie móc kontynuować misję naukową. Statek kosmiczny będzie dosłownie bombardowany tymi cząstkami, ponieważ będzie poruszał się z dużą prędkością około pięciu mil na sekundę. „To połączenie reakcji chemicznej i prędkości uderzenia” spowoduje problem, wyjaśnił Tighe, z cząsteczkami uderzającymi w statek kosmiczny „jak pędząca kula”.

Znalezienie materiałów odpornych na Wenus

Tlen atomowy może utleniać metale, ale jest jeszcze gorzej w przypadku polimerów. Te tworzywa sztuczne, wykonane z węgla, wodoru i tlenu, reagują z tlenem atomowym, tworząc związki takie jak dwutlenek węgla, które odparowują, a materiał jest tracony w przestrzeni kosmicznej. Tlen atomowy może również reagować z farbami, takimi jak białe farby, które są potrzebne do odbijania ciepła i które mogą brązowieć i stać się mniej skuteczne, a także z materiałem izolacyjnym zwanym wielowarstwowym izolacja.

Największym problemem są panele słoneczne statku kosmicznego, ponieważ są one tak odsłonięte. Ogniwa słoneczne są pokryte szkłem odpornym na tlen atomowy, ale są one osadzone w podłożu zwykle wykonanym z włókna węglowego, które jest podatne na erozję. Kolejnym wrażliwym elementem jest cienka folia stosowana jako izolacja między ogniwem a panelem, zwana kaptonem. I jest cienka folia łącząca różne komórki, która czasami jest wykonana ze srebra – i to też jest wrażliwe. Tak więc inżynierowie pracują nad wyborem różnych materiałów lub znalezieniem sposobów ochrony materiałów przed narażeniem na tlen atomowy.

Chociaż tlenu atomowego nie ma zbyt wiele na powierzchni Ziemi, wiemy, jak sobie z nim radzić, ponieważ znajduje się na orbicie Ziemi. Satelity są zaprojektowane tak, aby wytrzymać określoną gęstość tlenu atomowego, więc inżynierowie stosują podobne zasady do zaprojektowania statku kosmicznego EnVision, aby był odporny. Ale środowisko Ziemi nie wiąże się z tak wysokimi temperaturami, więc połączenie atomowego tlenu i wysokich temperatur jest nowym wyzwaniem.

„Musieliśmy więc użyć najbardziej wytrzymałych materiałów”, powiedział Tighe, którego grupa była zajęta testowaniem materiałów takich jak izolacja, farba i energia słoneczna. komponenty panelu, aby znaleźć te, które będą w stanie wytrzymać 15 miesięcy w tym trudnym środowisku, jeszcze przed rozpoczęciem swojej głównej misji.

Dane naukowe za darmo

Główna misja EnVision nie rozpocznie się, dopóki manewry hamowania aerodynamicznego nie sprowadzą statku kosmicznego na ostateczną orbitę od 130 do 340 mil. Ale naukowcy nigdy nie przepuszczają okazji do nauki, więc zespół badawczy pracuje nad tym, czego mogliby się dowiedzieć o Wenus również podczas fazy hamowania aerodynamicznego.

Naukowcy zajmujący się atmosferą są podekscytowani możliwością uzyskania z bliska górnych warstw atmosfery planety, która jest rzadko badana. Według naukowca EnVision, Gabrielli Gilli, badanie górnych warstw atmosfery jest trudne Instituto de Astrofísica de Andalucía w Hiszpanii, ponieważ jest tak cienka w porównaniu do gęstej dolnej atmosfera. „Trudno to zmierzyć za pomocą przyrządów do teledetekcji. Nie mamy wystarczającej dokładności, aby instrumenty mogły mierzyć tak małą gęstość” – wyjaśnił Gilli.

Właśnie dlatego manewr hamowania aerodynamicznego oferuje tak wyjątkową okazję naukową. Dokonując pomiarów takich czynników, jak gęstość i temperatura podczas manewrów, naukowcy mogą zbudować pełniejszy obraz górnej części atmosfery.

„Naprawdę chcemy wiedzieć, jaki jest stan atmosfery w każdej części planety” – powiedział Gilli. Ale obecnie ograniczone dane, które mamy z Wenus, ograniczają się do wysoce zlokalizowanych obserwacji. Istnieją również ogromne różnice między tym, jak atmosfera zachowuje się w dzień iw nocy, co dopiero zaczynamy rozumieć.

Jeśli naukowcom uda się w tej fazie uzyskać dane dotyczące górnych warstw atmosfery, będą mogli porównać je z danymi z innych misji jak DaVinci, aby spróbować poskładać to, co dzieje się w atmosferze jako całości, a nie tylko w jednej Lokalizacja.

Dostosowanie do warunków

Obserwacje zebrane podczas fazy hamowania aerodynamicznego będą jednak miały znaczenie nie tylko naukowe. Zostaną również przekazane zespołowi statku kosmicznego, który może dostosować sposób wykonywania manewrów zaplanowane, jeśli, powiedzmy, okaże się, że gęstość w jednej części atmosfery jest inna niż była oczekiwany.

„Atmosfera Wenus jest niezwykle zmienna” — wyjaśnił Gilli, co oznacza, że ​​jej temperatura i gęstość zmieniają się w złożony sposób. „A zmienność jest jeszcze większa w górnej części atmosfery”.

Oznacza to, że nasze ograniczone przewidywania dotyczące tego, czego możemy się spodziewać, mogą wymagać znacznej korekty, gdy statek kosmiczny dotrze do Wenus. Według Thomasa Voirina, kierownika badania EnVision, modelowanie warunków, jakie napotka statek kosmiczny, będzie „ciągłą pracą w toku aż do startu”.

Nawet po starcie dostosowywanie manewrów hamowania aerodynamicznego jest procesem iteracyjnym. Zespół misji ma modele tego, czego mogą się spodziewać, ale „na pewno rzeczywistość będzie inna” – powiedział Voirin. Cały proces jest zaprojektowany z szerokimi marginesami, aby uwzględnić różne możliwe odchylenia od przewidywań.

Delikatna faza

Rozpoczęcie jakiejkolwiek misji międzyplanetarnej jest trudne, ale hamowanie aerodynamiczne na Wenus jest szczególnym wyzwaniem. Od szybkiej rotacji części atmosfery po skutki aktywności słonecznej z szybkimi wiatrami i dużą zmienność, istnieje wiele czynników, z którymi statki kosmiczne, takie jak EnVision, będą musiały się zmierzyć z.

„To bardzo wymagająca faza. Bardzo delikatna faza” – powiedział Gilli.

Ale jeśli to zadziała, może zademonstrować nowy i tańszy sposób na umieszczenie statku kosmicznego na ich orbitach — a to oznacza, że ​​misje mogą być bardziej ambitne pod względem celów naukowych, nie będąc czymś więcej drogi.

Proces jest długi i będzie wymagał cierpliwości od badaczy i opinii publicznej, ale ma potencjał, aby zmienić sposób, w jaki prowadzimy planetologię na Wenus.

„Wygląda to na dość skomplikowaną rzecz. Myślisz, cóż, dlaczego miałbyś to zrobić? Dlaczego miałbyś spędzić dwa lata czekając na dość ryzykowny manewr? To dlatego, że naprawdę umożliwia misję” – powiedział Tighe. I jest w tym też coś z natury satysfakcjonującego. „To po prostu schludne, wykorzystując samą atmosferę, aby umożliwić ci wejście na orbitę. To dobry sposób na zrobienie tego”.

Zalecenia redaktorów

• Oto dlaczego naukowcy uważają, że życie mogło kwitnąć na „piekielnej planecie” Wenus
• Zobacz, jak księżyc i Jowisz rozgrzewają się podczas majowych atrakcji związanych z obserwacją nieba
• Jak klasa astronautów NASA z 1978 roku zmieniła oblicze eksploracji kosmosu
• Aktywność wulkaniczna Wenus pozostawiła ją z gąbczastą powłoką zewnętrzną
• Dwa statki kosmiczne pracowały razem, aby dowiedzieć się o polu magnetycznym Wenus