Jemné umenie aerobrakingu: Kľúč k objavovaniu Venuše

Desaťročie Venuše je takmer za nami. s tri nadchádzajúce misie Venuše Plánované od NASA a Európskej vesmírnej agentúry (ESA), sme na vrchole toho, že sa o našej susednej planéte dozvieme viac ako kedykoľvek predtým.

Ale nebudeme sa učiť len o planetárnej vede. Tentoraz sa tiež naučíme, ako ovládať vesmírnu loď v mimozemskej atmosfére, vďaka dvom misiám – ESA EnVision a VERITAS od NASA – ktoré sú nastavené na používanie novej techniky nazývanej aerobraking, aby dostali svoju kozmickú loď na správnu obežnú dráhu, aby mohli robiť svoju vedu.

Hovorili sme s inžiniermi a vedcami z misie EnVision, aby sme sa dozvedeli, ako to plánujú dosiahnuť – a čo by sa z toho mohli naučiť.

Spomalenie pomocou atmosféry

Normálne by ste vesmírnu loď spomalili rovnakým spôsobom, akým ju zrýchlite: spaľovaním paliva. Chemický pohon je skvelý spôsob, ako veľmi rýchlo vyprodukovať veľa sily a je to, čo potrebujete na štart z vášho východiskového bodu a vstup na obežnú dráhu vo vašom cieli.

Palivo je však tiež veľmi ťažké. A váha sú peniaze, pokiaľ ide o štarty rakiet. Čím viac paliva kozmická loď nesie, tým drahšie bude jej vypustenie a tým menej bude povolených vedeckých prístrojov.

Takže v posledných desaťročiach vesmírni inžinieri vyvíjali efektívnejší spôsob, ako spomaliť kozmickú loď. Namiesto spaľovania paliva táto nová metóda využíva atmosféru, ktorá existuje na väčšine miest, ktoré by sme chceli navštíviť. Kozmická loď sa priblíži k horným okrajom atmosféry a ponorí sa do nej, kde ju trenie spomalí o malé množstvo. Potom sa kozmická loď vytiahne späť a potom sa znova ponorí, postupne sa spomaľuje počas viacerých poklesov a časom znižuje svoju obežnú dráhu.

Túto metódu nazývanú aerobraking používali kozmické lode na Marse a dokonca sa s ňou experimentovalo aj pri návrate kozmických lodí na Zem. Teraz však tímy misií chcú túto techniku ​​použiť aj na dve z nadchádzajúcich misií Venus.

Niekoľko predchádzajúcich kozmických lodí Venus, ako sú Magellan a Venus Express, na konci použilo aerobraking ich misie, keď bola vykonaná ich hlavná vedecká práca a tímy chceli experimentovať s technika. EnVision a VERITAS však budú prvou kozmickou loďou, ktorá na začiatku svojich misií použije aerobraking, aby sa dostala na správnu obežnú dráhu.

15-mesačný maratón 

Keď EnVision dorazí k Venuši, bude obiehať vo výške 150 000 míľ. A musí sa dostať až do výšky 300 míľ nad povrch, aby získal údaje, ktoré tím chce. Za týmto účelom sa v priebehu 15 mesiacov až dvoch rokov tisíckrát ponorí do atmosféry a postupne sa dostane na správnu obežnú dráhu.

Vyžaduje si to starostlivé plánovanie, ale vyžaduje si to aj podrobné znalosti o atmosférických podmienkach, aby bolo možné predpovedať, ako manévre ovplyvnia kozmickú loď. Najväčšími faktormi ovplyvňujúcimi aerobrzdenie budú teplota, hustota a rýchlosť vetra, ktoré sa všetky značne líšia v rôznych častiach atmosféry Venuše.

To robí aerobraking na Venuši oveľa zložitejším ako aerobraking napríklad na Marse. Venuša má oveľa vyššiu gravitáciu ako Mars, čo znamená, že kozmická loď bude mať pri prechode atmosférou oveľa vyššiu rýchlosť. Preto bude proces trvať tak dlho.

Drsné prostredie Venuše

Ďalšou výzvou je, že Venuša je a hlboko nehostinné miestoa to sa vzťahuje aj na jeho atmosféru. Venuša je bližšie k Slnku ako Zem, takže dostáva značné množstvo tepla a slnečného žiarenia, ktorému musí vesmírna loď odolať. A keď kozmická loď klesá do atmosféry kvôli aerobrakingu, trenie spôsobuje jej spomalenie - ale to tiež spôsobuje zahrievanie.

Presné teploty, ktoré kozmická loď zažije, budú závisieť od konečných rozhodnutí o dizajne, ale budú v oblasť „možno 200 alebo 300 stupňov Celzia pre najvyššiu teplotu,“ Adrian Tighe, materiálový vedec pre EnVision, povedal. Existuje aj ultrafialové žiarenie zo slnka, ktoré bude musieť vesmírna loď zvládnuť. "Je to dosť drsné prostredie pre materiály."

Najväčšou hrozbou pre kozmickú loď počas aerobrakingu však nie je teplo ani žiarenie. Je to skôr súčasť hornej atmosféry, atómový kyslík. Na rozdiel od väčšiny molekúl kyslíka na Zemi, ktoré sa skladajú z dvoch atómov kyslíka, atómový kyslík bol rozdelený žiarením zo Slnka, a teda iba jeden atóm kyslíka. To znamená, že je vysoko reaktívny, takže môže rozožierať materiály a korodovať ich.

To je zlá správa pre kozmickú loď, ktorá musí prežiť niekoľkomesačnú fázu aerobrzdenia a potom byť schopná pokračovať vo svojej vedeckej misii. A vesmírna loď bude doslova bombardovaná týmito časticami, pretože sa bude pohybovať vysokou rýchlosťou približne päť míľ za sekundu. "Je to kombinácia chemickej reakcie a rýchlosti nárazu", ktorá spôsobí problém, vysvetlil Tighe, pričom častice zasiahnu kozmickú loď "ako rýchla guľka."

Nájdenie materiálov odolných voči Venuši

Atómový kyslík môže oxidovať kovy, ale pre polyméry je to ešte horšie. Tieto materiály podobné plastom, vyrobené z uhlíka, vodíka a kyslíka, reagujú s atómovým kyslíkom za vzniku zlúčenín, ako je oxid uhličitý, ktoré sa odparujú, a tak sa materiál stráca vo vesmíre. Atómový kyslík môže tiež reagovať s farbami, ako sú biele farby, ktoré sú potrebné na odrážanie tepla a ktoré môžu zhnednúť a stať sa menej účinnými, ako aj s izolačným materiálom nazývaným viacvrstvový izolácia.

Najväčším problémom sú solárne panely kozmickej lode, pretože sú tak odkryté. Solárne články sú pokryté sklom, ktoré je odolné voči atómovému kyslíku, ale tieto sú vsadené do substrátu zvyčajne vyrobeného z uhlíkových vlákien, ktoré sú náchylné na eróziu. Ďalším citlivým komponentom je tenká fólia používaná ako izolácia medzi bunkou a panelom, nazývaná kapton. A je tu tenká fólia spájajúca rôzne články, ktorá je niekedy vyrobená zo striebra - a to je tiež citlivé. Takže inžinieri pracujú buď na výbere rôznych materiálov, alebo na hľadaní spôsobov, ako chrániť materiály pred vystavením atómovému kyslíku.

Aj keď sa atómový kyslík na zemskom povrchu veľa nenachádza, máme určité znalosti o tom, ako s ním zaobchádzať, pretože sa nachádza na obežnej dráhe Zeme. Satelity sú navrhnuté tak, aby odolali určitej hustote atómového kyslíka, takže inžinieri používajú podobné princípy pri navrhovaní kozmickej lode EnVision, aby bola odolná. Ale prostredie Zeme nezahŕňa také vysoké teploty, takže kombinácia atómového kyslíka a vysokých teplôt je novou výzvou.

"Takže sme museli použiť tie najodolnejšie materiály," povedal Tighe, ktorého skupina bola zaneprázdnená testovaním materiálov, ako sú izolácie, farby a solárne panely. panelové komponenty, aby ste našli tie, ktoré budú schopné vydržať 15 mesiacov tohto drsného prostredia, kým vôbec nezačne svoje hlavné poslanie.

Vedecké údaje zadarmo

Hlavná misia EnVision sa nezačne, kým manévre aerobrzdenia neprivedú kozmickú loď na jej konečnú obežnú dráhu medzi 130 a 340 míľami. Vedci si však nikdy nenechali ujsť príležitosť učiť sa, takže výskumný tím pracuje na tom, čo by sa mohli dozvedieť o Venuši aj počas fázy aerobrzdenia.

Atmosférickí vedci sú nadšení z možnosti získať detailný pohľad na hornú atmosféru planéty, ktorá sa len zriedka študuje. Štúdium hornej atmosféry je podľa vedkyne EnVision Gabrielly Gilliovej z The EnVision ťažké Instituto de Astrofísica de Andalucía v Španielsku, pretože je taký tenký v porovnaní s hustou spodnou časťou atmosféru. „Je ťažké merať prístrojmi na diaľkové snímanie. Nemáme dostatočnú presnosť, aby prístroje zmerali takú malú hustotu,“ vysvetlil Gilli.

Preto manéver aerobrzdenia ponúka takú jedinečnú vedeckú príležitosť. Meraním faktorov, ako je hustota a teplota počas manévrov, môžu vedci vytvoriť komplexnejší obraz o hornej oblasti atmosféry.

"Naozaj chceme vedieť, aký je stav atmosféry v každej časti planéty," povedal Gilli. V súčasnosti sa však obmedzené údaje, ktoré máme z Venuše, obmedzujú na vysoko lokalizované pozorovania. Existujú tiež obrovské rozdiely medzi tým, ako sa atmosféra správa počas dňa a v noci, čo ešte len začíname chápať.

Ak vedci dokážu počas tejto fázy získať údaje o hornej atmosfére, môžu ich porovnať s údajmi z iných misií ako DaVinci, aby sa pokúsili poskladať to, čo sa deje v atmosfére ako celku, a nie len v jednej umiestnenie.

Prispôsobovanie sa podmienkam

Pozorovania zhromaždené počas fázy aerobrzdenia však nebudú mať len vedecký záujem. Budú tiež vrátené tímu kozmickej lode, ktorý môže upraviť spôsob vykonávania manévrov plánované, ak sa povedzme ukáže, že hustota v jednej časti atmosféry je iná ako bola očakávané.

"Atmosféra Venuše je extrémne premenlivá," vysvetlil Gilli, čo znamená, že jej teplota a hustota sa menia zložitým spôsobom. "A variabilita je ešte vyššia v hornej časti atmosféry."

To znamená, že obmedzené predpovede, ktoré máme o tom, čo môžeme očakávať, môžu vyžadovať značné úpravy, keď kozmická loď dorazí k Venuši. Modelovanie podmienok, s ktorými sa kozmická loď stretne, bude podľa Thomasa Voirina, manažéra EnVision Study, „nepretržitá práca až do štartu“.

A dokonca aj po štarte je úprava manévrov aerobrzdenia iteratívnym procesom. Tím misie má modely toho, čo môžu očakávať, že nájdu, ale „realita bude určite iná,“ povedal Voirin. Celý proces je navrhnutý so širokými rezervami, aby sa umožnili rôzne možné odchýlky od predpovedí.

Delikátna fáza

Spustenie akejkoľvek medziplanetárnej misie je ťažké, ale aerobrzdenie na Venuši je osobitnou výzvou. Od rýchlej rotácie častí atmosféry až po účinky slnečnej aktivity, s rýchlym vetrom a vysoká variabilita, existuje veľa faktorov, ktorým budú musieť kozmické lode ako EnVision čeliť s

"Toto je veľmi náročná fáza. Veľmi chúlostivá fáza,“ povedala Gilli.

Ak to však bude fungovať, mohlo by to ukázať nový a cenovo dostupnejší spôsob, ako dostať kozmické lode na obežnú dráhu - a to znamená, že misie môžu byť ambicióznejšie vo svojich vedeckých cieľoch bez toho, aby boli viac drahé.

Tento proces je dlhý a bude si vyžadovať trpezlivosť od výskumníkov a verejnosti, ale má potenciál zmeniť spôsob, akým robíme planetárnu vedu na Venuši.

„Vyzerá to dosť komplikovane. Myslíš si, prečo by si to robil? Prečo by ste dva roky čakali na dosť riskantný manéver? Je to preto, že skutočne umožňuje misiu,“ povedal Tighe. A je na tom aj niečo neodmysliteľne uspokojivé. „Je to jednoducho pekné, využíva samotnú atmosféru, aby ste sa dostali na obežnú dráhu. Je to skvelý spôsob, ako to urobiť."

Odporúčania redaktorov

• Tu je dôvod, prečo si vedci myslia, že život mohol prosperovať na „pekelnej planéte“ Venuši
• Pozrite sa, ako sa mesiac a Jupiter cítia príjemne pri pozorovaní oblohy v máji
• Ako trieda astronautov NASA z roku 1978 zmenila tvár vesmírneho prieskumu
• Vulkanická aktivita Venuše jej zanechala stlačený vonkajší obal
• Dve kozmické lode spolupracovali, aby sa dozvedeli o magnetickom poli Venuše