Тонкое искусство аэродинамического торможения: ключ к исследованию Венеры

Десятилетие Венеры почти наступило. С три предстоящие миссии Венеры запланированный НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА), мы находимся на пороге того, чтобы узнать о нашей соседней планете больше, чем когда-либо прежде.

Но мы будем изучать не только планетарную науку. На этот раз мы также научимся управлять космическим кораблем в инопланетной атмосфере благодаря двум миссиям — ЕКА. EnVision и VERITAS НАСА, которые будут использовать новую технику, называемую аэродинамическим торможением, чтобы вывести свой космический корабль на правильную орбиту, чтобы они могли заниматься своей наукой.

Мы поговорили с инженерами и учеными из миссии EnVision, чтобы узнать, как они планируют осуществить это — и что они могут извлечь из этого.

Замедление с помощью атмосферы

Обычно вы замедляете космический корабль так же, как ускоряете его: сжигая топливо. Химическая двигательная установка — отличный способ очень быстро произвести много энергии, и это то, что вам нужно как для запуска из вашего источника, так и для выхода на орбиту в пункте назначения.

Однако топливо также очень тяжелое. А вес - деньги, когда дело доходит до запусков ракет. Чем больше топлива несет космический корабль, тем дороже будет его запуск и тем меньше будет резервов для научных инструментов.

Поэтому в последние несколько десятилетий космические инженеры разрабатывали более эффективный способ замедления космического корабля. Вместо сжигания топлива этот новый метод использует атмосферу, которая существует в большинстве мест, которые мы хотели бы посетить. Космический корабль приближается к верхним краям атмосферы и погружается внутрь, где трение немного замедляет его. Затем космический корабль поднимается, прежде чем снова погрузиться, постепенно замедляясь в течение нескольких погружений и со временем снижая свою орбиту.

Этот метод, называемый аэродинамическим торможением, использовался космическими кораблями на Марсе и даже подвергался экспериментам с космическими кораблями, возвращающимися на Землю. Но теперь команды миссии хотят использовать эту технику и для двух предстоящих миссий на Венеру.

Несколько предыдущих космических кораблей Венеры, таких как Magellan и Venus Express, использовали аэродинамическое торможение в конце полета. своих миссий, когда их основная научная работа была сделана, и команды хотели поэкспериментировать с техника. Но EnVision и VERITAS станут первыми космическими кораблями, которые будут использовать аэродинамическое торможение в начале своих миссий для выхода на правильную орбиту.

15-месячный марафон 

Когда EnVision прибудет к Венере, он будет вращаться на высоте 150 000 миль. И ему нужно опуститься на высоту 300 миль над поверхностью, чтобы получить показания, которые нужны команде. Для этого он будет погружаться в атмосферу тысячи раз в течение периода от 15 месяцев до двух лет, постепенно переходя на правильную орбиту.

Это требует тщательного планирования, но также требует подробного знания атмосферных условий, чтобы предсказать, как маневры повлияют на космический корабль. Самыми большими факторами, влияющими на аэродинамическое торможение, будут температура, плотность и скорость ветра, которые значительно различаются в разных частях венерианской атмосферы.

Это делает аэродинамическое торможение на Венере намного более сложным, чем, например, аэродинамическое торможение на Марсе. У Венеры гораздо более высокая гравитация, чем у Марса, а это означает, что космический корабль будет двигаться с гораздо большей скоростью при прохождении через атмосферу. Именно поэтому процесс будет длиться так долго.

Суровые условия Венеры

Другая проблема заключается в том, что Венера глубоко негостеприимное место, и это распространяется и на его атмосферу. Венера находится ближе к Солнцу, чем Земля, поэтому получает значительное количество тепла и солнечной радиации, которые должен выдерживать космический корабль. И когда космический корабль падает в атмосферу для аэродинамического торможения, трение заставляет его замедляться, но это также вызывает нагрев.

Точные температуры, которые испытает космический корабль, будут зависеть от окончательных проектных решений, но они будут в области «возможно, 200 или 300 градусов по Цельсию для самой высокой температуры», Адриан Тиг, материаловед для EnVision, сказал. Есть также ультрафиолетовое излучение солнца, с которым космический корабль должен будет справиться. «Это довольно суровая среда для материалов».

Однако самая большая угроза для космического корабля во время аэродинамического торможения — это не тепло или излучение. Скорее, это компонент верхних слоев атмосферы, атомарный кислород. В отличие от большинства молекул кислорода на Земле, состоящих из двух атомов кислорода, атомарный кислород был расщеплен солнечным излучением, поэтому у него всего один атом кислорода. Это означает, что он очень реактивен, поэтому он может разъедать материалы и разъедать их.

Это плохие новости для космического корабля, который должен пережить многомесячную фазу аэродинамического торможения, а затем продолжить свою научную миссию. И космический корабль будет буквально бомбардироваться этими частицами, поскольку он будет двигаться с высокой скоростью около пяти миль в секунду. «Это сочетание химической реакции и скорости удара», которая вызовет проблему, объяснил Тайге, когда частицы поражают космический корабль «как летящая пуля».

Поиск материалов, защищающих от Венеры

Атомарный кислород может окислять металлы, но еще хуже для полимеров. Эти похожие на пластик материалы, состоящие из углерода, водорода и кислорода, вступают в реакцию с атомарным кислородом, образуя такие соединения, как углекислый газ, которые испаряются, и этот материал теряется в космосе. Атомарный кислород также может вступать в реакцию с красками, такими как белые краски, которые необходимы для отражения тепла и которые могут побуреть и стать менее эффективными, а также с изоляционным материалом, называемым многослойным изоляция.

Наибольшую озабоченность вызывают солнечные панели космического корабля, потому что они очень уязвимы. Солнечные элементы покрыты стеклом, устойчивым к атомарному кислороду, но они встроены в подложку, обычно изготовленную из углеродного волокна, подверженного эрозии. Еще одним чувствительным компонентом является тонкая фольга, используемая в качестве изоляции между ячейкой и панелью, называемая каптоном. И есть тонкая фольга, соединяющая разные клетки, иногда сделанная из серебра — и она тоже чувствительна. Поэтому инженеры работают либо над выбором различных материалов, либо над поиском способов защиты материалов от воздействия атомарного кислорода.

Хотя атомарного кислорода не так много на поверхности Земли, у нас есть некоторое представление о том, как с ним обращаться, поскольку он находится на околоземной орбите. Спутники рассчитаны на то, чтобы выдерживать определенную плотность атомарного кислорода, поэтому инженеры используют аналогичные принципы для разработки космического корабля EnVision, чтобы сделать его устойчивым. Но земная среда не предполагает таких высоких температур, поэтому сочетание атомарного кислорода и высоких температур является новым вызовом.

«Поэтому нам пришлось использовать самые прочные материалы», — сказал Тайге, чья группа была занята тестированием таких материалов, как изоляция, краска и солнечные панели. компоненты панели, чтобы найти те, которые смогут выдержать 15 месяцев в этих суровых условиях, прежде чем даже приступить к своей основной миссии.

Научные данные бесплатно

Основная миссия EnVision не начнется до тех пор, пока маневры аэродинамического торможения не выведут космический корабль на его конечную орбиту на высоте от 130 до 340 миль. Но ученые никогда не упускают возможности узнать что-то новое, поэтому исследовательская группа работает над тем, что они могли бы узнать о Венере и во время фазы аэродинамического торможения.

Атмосферные ученые взволнованы возможностью получить близкое представление о верхних слоях атмосферы планеты, которые редко изучаются. По словам ученого EnVision Габриэллы Джилли, изучать верхние слои атмосферы сложно. Instituto de Astrofísica de Andalucía в Испании, потому что он такой тонкий по сравнению с плотным нижним атмосфера. «Это трудно измерить с помощью инструментов дистанционного зондирования. У нас недостаточно точных инструментов для измерения такой малой плотности», — объяснил Гилли.

Вот почему маневр аэродинамического торможения предлагает такую ​​уникальную научную возможность. Проводя измерения таких факторов, как плотность и температура во время маневров, ученые могут составить более полную картину верхних слоев атмосферы.

«Мы действительно хотим знать, каково состояние атмосферы в каждой части планеты», — сказал Гилли. Но в настоящее время ограниченные данные, которые у нас есть с Венеры, ограничены строго локализованными наблюдениями. Существуют также огромные различия между поведением атмосферы днем ​​и ночью, которые мы только начинаем понимать.

Если ученые смогут получить данные о верхних слоях атмосферы на этом этапе, они смогут сравнить их с данными других миссий. как Да Винчи, попытаться собрать воедино то, что происходит в атмосфере в целом, а не только в одном расположение.

Адаптация к условиям

Однако наблюдения, собранные на этапе аэродинамического торможения, будут представлять не только научный интерес. Они также будут переданы команде космического корабля, которая сможет корректировать маневры. планируется, если, скажем, выяснится, что плотность в одной части атмосферы отличается от того, что было ожидал.

«Атмосфера Венеры чрезвычайно изменчива, — объяснил Гилли, имея в виду, что ее температура и плотность меняются сложным образом. «А изменчивость еще выше в верхней части атмосферы».

Это означает, что наши ограниченные прогнозы относительно того, чего ожидать, могут потребовать значительной корректировки после того, как космический корабль прибудет к Венере. По словам Томаса Войрена, руководителя EnVision Study, моделирование условий, с которыми столкнется космический корабль, будет «непрерывной работой до запуска».

И даже после запуска корректировка маневров аэродинамического торможения — повторяющийся процесс. У команды миссии есть модели того, что они могут найти, но «наверняка реальность будет другой», — сказал Вуарин. Весь процесс разработан с большими запасами, чтобы учесть различные возможные отклонения от прогнозов.

Деликатный этап

Запуск любой межпланетной миссии сложен, но аэродинамическое торможение на Венере — особая проблема. От быстрого вращения частей атмосферы до эффектов солнечной активности, при быстрых ветрах и высокая изменчивость, есть много факторов, с которыми космическим кораблям, таким как EnVision, придется бороться. с.

«Это очень сложный этап. Очень деликатный этап, — сказал Гилли.

Но если это сработает, это может продемонстрировать новый и более доступный способ вывода космических аппаратов на их орбиты. — и это означает, что миссии могут быть более амбициозными в своих научных целях, не будучи более дорогой.

Процесс долгий и потребует терпения от исследователей и общественности, но он может изменить то, как мы занимаемся планетарной наукой на Венере.

«Выглядит довольно сложной вещью. Думаешь, ну зачем тебе это? Зачем тратить два года на ожидание довольно рискованного маневра? Это потому, что это действительно позволяет выполнить миссию», — сказал Тайге. И в этом тоже есть что-то приятное. «Это просто здорово, использовать саму атмосферу, чтобы позволить вам выйти на орбиту. Это аккуратный способ сделать это».

Рекомендации редакции

• Вот почему ученые считают, что жизнь могла процветать на «адской планете» Венере
• Посмотрите, как Луна и Юпитер становятся уютными в майских майских обзорах неба.
• Как класс астронавтов НАСА 1978 года изменил лицо освоения космоса
• Вулканическая активность Венеры оставила ее мягкую внешнюю оболочку
• Два космических корабля работали вместе, чтобы изучить магнитное поле Венеры