Prefinjena umetnost zračnega zaviranja: ključ do raziskovanja Venere

Dekada Venere je skoraj pred nami. z tri prihajajoče misije na Venero načrtujeta NASA in Evropska vesoljska agencija (ESA), smo tik pred tem, da bomo o našem sosednjem planetu izvedeli več kot kdaj koli prej.

Vendar se ne bomo učili samo o planetarni znanosti. Tokrat se bomo naučili tudi, kako upravljati vesoljsko plovilo v nezemeljski atmosferi, zahvaljujoč dvema misijama – ESA EnVision in Nasin VERITAS – ki naj bi uporabljala novo tehniko, imenovano aerobraking, da bi svoje vesoljsko plovilo spravila v pravo orbito, da bi lahko delala svojo znanost.

Pogovarjali smo se z inženirji in znanstveniki iz misije EnVision, da bi izvedeli, kako nameravajo to izpeljati – in kaj bi se lahko iz tega naučili.

Upočasnitev z uporabo atmosfere

Običajno bi vesoljsko plovilo upočasnili na enak način, kot bi ga pospešili: z izgorevanjem goriva. Kemični pogon je odličen način, da zelo hitro proizvedete veliko sile, in je tisto, kar potrebujete tako za izstrelitev iz svojega izvora kot za vstop v orbito na cilju.

Vendar pa je tudi gorivo zelo težko. In teža je denar, ko gre za izstrelitev raket. Več goriva kot ima vesoljsko plovilo, dražja bo izstrelitev in manj bo dovolj za znanstvene instrumente.

Tako so v zadnjih nekaj desetletjih vesoljski inženirji razvijali učinkovitejši način za upočasnitev vesoljskega plovila. Namesto kurjenja goriva ta nova metoda izkorišča atmosfero, ki obstaja na večini lokacij, ki bi jih radi obiskali. Vesoljsko plovilo se približa zgornjim robom atmosfere in se potopi, kjer ga bo trenje nekoliko upočasnilo. Nato se vesoljsko plovilo potegne nazaj, preden se ponovno potopi, postopoma upočasnjuje več padcev in sčasoma zniža svojo orbito.

To metodo, imenovano aerobraking, so uporabljala vesoljska plovila na Marsu in so jo celo preizkusili pri vesoljskih plovilih, ki so se vračala na Zemljo. Zdaj pa želijo ekipe misij uporabiti tehniko tudi za dve od prihajajočih misij Venere.

Nekaj ​​prejšnjih vesoljskih plovil Venus, kot sta Magellan in Venus Express, je na koncu uporabljalo zračno zaviranje svojih misij, ko je bilo njihovo glavno znanstveno delo opravljeno in so ekipe želele eksperimentirati z tehnika. Toda EnVision in VERITAS bosta prvi vesoljski ladji, ki bosta na začetku svojih misij uporabili zračno zaviranje, da bi prišli v pravo orbito.

15-mesečni maraton 

Ko bo EnVision prispel na Venero, bo krožil na višini 250.000 milj. In mora se spustiti vse do 300 milj nad površjem, da dobi odčitke, ki jih ekipa želi. Da bi to naredil, se bo v obdobju od 15 mesecev do dveh let tisočkrat potopil v atmosfero in se postopoma premikal v pravilno orbito.

To zahteva natančno načrtovanje, vendar zahteva tudi podrobno poznavanje atmosferskih pogojev za predvidevanje, kako bodo manevri vplivali na vesoljsko plovilo. Največji dejavniki, ki bodo vplivali na zračno zaviranje, bodo temperatura, gostota in hitrosti vetra, ki se vsi precej razlikujejo v različnih delih Venerinega ozračja.

Zaradi tega je zračno zaviranje na Veneri veliko bolj zapleteno kot na primer zračno zaviranje na Marsu. Venera ima veliko večjo gravitacijo kot Mars, kar pomeni, da bo vesoljsko plovilo dosegalo veliko višje hitrosti, ko bo šlo skozi atmosfero. Zato bo postopek trajal tako dolgo.

Surovo okolje Venere

Drug izziv je, da je Venera a skrajno negostoljubno mesto, kar velja tudi za njegovo atmosfero. Venera je bližje soncu kot Zemlja, zato prejme precej toplote in sončnega sevanja, ki ju mora vesoljsko plovilo prenesti. In ko vesoljsko plovilo pade v atmosfero zaradi zračnega zaviranja, se zaradi trenja upočasni - vendar to povzroči tudi segrevanje.

Natančne temperature, ki jih bo doživelo vesoljsko plovilo, bodo odvisne od končnih oblikovalskih odločitev, vendar bo v območje "morda 200 ali 300 stopinj Celzija za najvišjo temperaturo," Adrian Tighe, znanstvenik za materiale za EnVision, rekel. Obstaja tudi ultravijolično sevanje sonca, ki ga bo moralo obvladati vesoljsko plovilo. "To je precej ostro okolje za materiale."

Največja grožnja za vesoljsko plovilo med zračnim zaviranjem pa ni vročina ali sevanje. Namesto tega je sestavni del zgornje atmosfere, atomski kisik. Za razliko od večine molekul kisika na Zemlji, ki so sestavljene iz dveh atomov kisika, je bil atomski kisik razcepljen s sončnim sevanjem in tako ima samo en atom kisika. To pomeni, da je zelo reaktiven, zato lahko razjeda materiale in jih razjeda.

To je slaba novica za vesoljsko plovilo, ki mora preživeti večmesečno fazo zračnega zaviranja in nato lahko nadaljuje s svojo znanstveno misijo. In vesoljsko plovilo bo dobesedno bombardirano s temi delci, saj se bo gibalo z visoko hitrostjo okoli pet milj na sekundo. "To je kombinacija kemične reakcije in hitrosti udarca", ki bo povzročila težavo, je pojasnil Tighe, pri čemer delci zadenejo vesoljsko plovilo "kot hitra krogla."

Iskanje Venus-proof materialov

Atomski kisik lahko oksidira kovine, še slabše pa je za polimere. Ti plastiki podobni materiali, narejeni iz ogljika, vodika in kisika, reagirajo z atomskim kisikom in tvorijo spojine, kot je ogljikov dioksid, ki izhlapi, tako da se material izgubi v vesolju. Atomski kisik lahko reagira tudi z barvami, kot so bele barve, ki so potrebne za odbijanje toplote in ki lahko porjavijo in postanejo manj učinkoviti, kot tudi z izolacijskim materialom, imenovanim večplastnost izolacija.

Največja skrb so sončni paneli vesoljskega plovila, ker so tako izpostavljeni. Sončne celice so prekrite s steklom, ki je odporno na atomski kisik, vendar so te vstavljene v substrat, ki je običajno narejen iz ogljikovih vlaken, ki je občutljiv na erozijo. Druga občutljiva komponenta je tanka folija, ki se uporablja kot izolacija med celico in ploščo, imenovana kapton. Različne celice povezuje tanka folija, ki je včasih narejena iz srebra - in tudi to je občutljivo. Inženirji torej delajo na izbiri različnih materialov ali iskanju načinov za zaščito materialov pred izpostavljenostjo atomskemu kisiku.

Čeprav atomarnega kisika na površju Zemlje ni veliko, vemo, kako z njim ravnati, saj ga najdemo v Zemljini orbiti. Sateliti so zasnovani tako, da prenesejo določeno gostoto atomskega kisika, zato inženirji uporabljajo podobna načela za načrtovanje vesoljskega plovila EnVision, da postane odporno. Toda zemeljsko okolje ne vključuje tako visokih temperatur, zato je kombinacija atomskega kisika in visokih temperatur nov izziv.

»Zato smo morali uporabiti najbolj robustne materiale,« je dejal Tighe, čigar skupina je bila zaposlena s preizkušanjem materialov, kot so izolacija, barve in sončna energija. komponente plošče, da poišče tiste, ki bodo zdržale 15 mesecev tega težkega okolja, preden sploh začne svojo glavno nalogo.

Znanstveni podatki brezplačno

Glavna misija EnVision se ne bo začela, dokler vesoljsko plovilo z manevri zračnega zaviranja ne bo pripeljalo do končne orbite med 130 in 340 miljami. Toda znanstveniki nikoli ne pustijo mimo priložnosti za učenje, zato raziskovalna skupina dela na tem, kaj bi lahko izvedeli o Veneri tudi med fazo zračnega zaviranja.

Atmosferski znanstveniki so navdušeni nad možnostjo natančnega pogleda na zgornjo atmosfero planeta, ki se redko preučuje. Preučevanje zgornje atmosfere je težko, pravi znanstvenica EnVision Gabriella Gilli iz Instituto de Astrofísica de Andalucía v Španiji, ker je tako tanek v primerjavi z gostim spodnjim vzdušje. »Težko je meriti z instrumenti za daljinsko zaznavanje. Nimamo dovolj natančnosti, da bi instrumenti izmerili tako majhno gostoto,« je pojasnil Gilli.

Zato manever zračnega zaviranja ponuja tako edinstveno znanstveno priložnost. Z meritvami dejavnikov, kot sta gostota in temperatura med manevri, lahko znanstveniki ustvarijo celovitejšo sliko zgornjega dela ozračja.

"Resnično želimo vedeti, kakšno je stanje ozračja v vsakem delu planeta," je dejal Gilli. Toda trenutno so omejeni podatki, ki jih imamo z Venere, omejeni na zelo lokalizirana opazovanja. Obstajajo tudi velike razlike med tem, kako se ozračje obnaša podnevi in ​​ponoči, kar šele začenjamo razumeti.

Če lahko znanstveniki med to fazo pridobijo podatke o zgornji atmosferi, jih lahko primerjajo s podatki iz drugih misij kot DaVinci, da bi poskušali sestaviti, kaj se dogaja v atmosferi kot celoti, in ne le v enem lokacijo.

Prilagajanje razmeram

Opazovanja, zbrana med fazo zračnega zaviranja, pa ne bodo le znanstveno zanimiva. Prav tako bodo poslani nazaj ekipi vesoljskega plovila, ki lahko prilagodi način izvajanja manevrov načrtovano, če se recimo izkaže, da je gostota v enem delu atmosfere drugačna od tiste, ki je bila pričakovano.

"Venerina atmosfera je izjemno spremenljiva," je pojasnil Gilli, kar pomeni, da se njena temperatura in gostota spreminjata na zapletene načine. "V zgornjem delu ozračja je spremenljivost še večja."

To pomeni, da bo treba omejene napovedi, ki jih imamo o tem, kaj lahko pričakujemo, precej prilagoditi, ko vesoljsko plovilo prispe na Venero. Modeliranje pogojev, s katerimi se bo srečalo vesoljsko plovilo, bo po besedah ​​Thomasa Voirina, vodje študije EnVision, "stalno delo v teku do izstrelitve".

In tudi po izstrelitvi je prilagajanje manevrov zračnega zaviranja ponavljajoč se proces. Ekipa misije ima modele, kaj lahko pričakujejo, da bodo našli, toda "zagotovo bo resničnost drugačna," je dejal Voirin. Celoten proces je zasnovan s širokimi mejami, ki omogočajo različna možna odstopanja od napovedi.

Občutljiva faza

Izstrelitev kakršne koli medplanetarne misije je težka, a aerozaviranje na Veneri je poseben izziv. Od hitrega vrtenja delov ozračja do učinkov sončne aktivnosti s hitrimi vetrovi in velike variabilnosti, obstaja veliko dejavnikov, s katerimi se bodo morala soočiti vesoljska plovila, kot je EnVision z.

»To je zelo zahtevna faza. Zelo občutljiva faza,« je dejal Gilli.

Če pa deluje, bi lahko prikazal nov in cenovno ugodnejši način za spravljanje vesoljskih plovil v njihove orbite — in to pomeni, da so lahko misije bolj ambiciozne v svojih znanstvenih ciljih, ne da bi bile več drago.

Proces je dolg in bo zahteval potrpežljivost raziskovalcev in javnosti, vendar lahko spremeni način, kako izvajamo planetarno znanost na Veneri.

»Videti je precej zapletena stvar. Misliš, no, zakaj bi to naredil? Zakaj bi dve leti čakali na precej tvegan manever? To je zato, ker resnično omogoča misijo,« je dejal Tighe. In na tem je tudi nekaj zadovoljujočega. »Čisto lepo je, da uporabiš samo atmosfero, da ti omogoči vstop v orbito. To je lep način za to."

Priporočila urednikov

• Zato znanstveniki menijo, da je na "peklenskem planetu" Veneri morda uspevalo življenje
• Oglejte si, kako se luna in Jupiter počutita udobno v majskih vrhuncih opazovanja neba
• Kako je Nasin razred astronavtov leta 1978 spremenil podobo raziskovanja vesolja
• Vulkanska aktivnost Venere je pustila mehak zunanji ovoj
• Dve vesoljski plovili sta sodelovali, da bi spoznali Venerino magnetno polje