Деликатна уметност кочења у ваздуху: кључ за истраживање Венере

Декада Венере је скоро пред нама. Витх три предстојеће мисије на Венеру Планирано од НАСА-е и Европске свемирске агенције (ЕСА), на корак смо да научимо више о нашој суседној планети него икада раније.

Али нећемо учити само о планетарној науци. Овог пута ћемо такође научити како да контролишемо свемирску летелицу у ванземаљској атмосфери, захваљујући две мисије - ЕСА ЕнВисион и НАСА-ин ВЕРИТАС - који су постављени да користе нову технику звану аерокочење како би довели своју летелицу у праву орбиту да би могли да се баве науком.

Разговарали смо са инжењерима и научницима из мисије ЕнВисион да бисмо сазнали како планирају да то изведу - и шта би могли да науче из тога.

Успоравање користећи атмосферу

Обично бисте успорили свемирски брод на исти начин на који га убрзавате: сагоревањем горива. Хемијски погон је одличан начин да се веома брзо произведе много силе, и то је оно што вам је потребно и за лансирање са свог порекла и за улазак у орбиту на свом одредишту.

Међутим, гориво је такође веома тешко. А тежина је новац када је у питању лансирање ракета. Што више горива носи свемирска летелица, то ће бити скупље за лансирање и мање ће бити дозвољено за научне инструменте.

Дакле, у последњих неколико деценија, свемирски инжењери су развијали ефикаснији начин успоравања летелице. Уместо сагоревања горива, овај нови метод користи предност атмосфере која постоји на већини локација које желимо да посетимо. Свемирска летелица се приближава горњим ивицама атмосфере и урања, где ће је трење успорити за малу количину. Затим се летелица повлачи назад пре него што се поново урони, постепено успоравајући током вишеструких падова и снижавајући своју орбиту током времена.

Ову методу, названу аерокочење, користиле су свемирске летелице на Марсу, а чак су и експериментисане за летелице које се враћају на Земљу. Али сада тимови мисије желе да користе технику и за две предстојеће мисије на Венери.

Неколико претходних летелица Венус као што су Магелан и Венус Експрес користиле су аерокочење на крају своје мисије, када је њихов главни научни рад завршен и тимови су желели да експериментишу са техника. Али ЕнВисион и ВЕРИТАС ће бити прве свемирске летелице које ће користити ваздушно кочење на почетку својих мисија да би ушле у праву орбиту.

15-месечни маратон 

Када ЕнВисион стигне на Венеру, кружиће на висини од 150.000 миља. И треба да се спусти све до 300 миља изнад површине да би добио очитавања која тим жели. Да би то урадио, он ће заронити у атмосферу хиљадама пута у периоду од 15 месеци до две године, постепено прелазећи у исправну орбиту.

Ово захтева пажљиво планирање, али такође захтева детаљно познавање атмосферских услова да би се предвидело како ће маневри утицати на летелицу. Највећи фактори који утичу на кочење у ваздуху биће температура, густина и брзина ветра, а сви они значајно варирају у различитим деловима атмосфере Венере.

То чини аерокочење на Венери много компликованијим од аерокочења на Марсу, на пример. Венера има много већу гравитацију од Марса, што значи да ће летелица искусити много веће брзине када пролази кроз атмосферу. Због тога ће процес толико дуго трајати.

Сурово окружење Венере

Други изазов је што је Венера а крајње негостољубиво место, а то се протеже и на његову атмосферу. Венера је ближа сунцу од Земље, тако да прима знатну топлоту и сунчево зрачење које свемирска летелица треба да издржи. И док свемирска летелица пада у атмосферу ради кочења у ваздуху, трење изазива њено успоравање - али то такође изазива загревање.

Тачне температуре које ће летелица искусити зависиће од коначних дизајнерских одлука, али ће бити у регион од „можда 200 или 300 степени Целзијуса за највишу температуру“, Адриан Тигхе, научник за материјале за ЕнВисион, рекао. Ту је и ултраљубичасто зрачење сунца са којим ће свемирска летелица морати да се носи. "То је прилично тешко окружење за материјале."

Највећа претња летелици током кочења, међутим, није топлота или зрачење. Уместо тога, то је компонента горње атмосфере, атомски кисеоник. За разлику од већине молекула кисеоника на Земљи, који су направљени од два атома кисеоника, атомски кисеоник је подељен зрачењем сунца и тако има само један атом кисеоника. То значи да је веома реактиван, тако да може да поједе материјале и да их кородира.

То је лоша вест за свемирски брод, који треба да преживи вишемесечну фазу аерокочења, а затим да може да настави са својом научном мисијом. А свемирска летелица ће буквално бити бомбардована овим честицама, јер ће се кретати великом брзином од око пет миља у секунди. "То је комбинација хемијске реакције и брзине удара" која ће изазвати проблем, објаснио је Тигхе, са честицама које ударају у свемирску летелицу "као брзи метак".

Проналажење материјала отпорних на Венеру

Атомски кисеоник може оксидирати метале, али је још горе за полимере. Ови пластични материјали, направљени од угљеника, водоника и кисеоника, реагују са атомским кисеоником и формирају једињења попут угљен-диоксида која испаравају и тако се тај материјал губи у свемир. Атомски кисеоник такође може да реагује са бојама, као што су беле боје које су потребне за одбијање топлоте и који могу постати смеђи и постати мање ефикасни, као и са изолационим материјалом који се назива вишеслојни изолација.

Највећа брига су соларни панели свемирске летелице, јер су тако изложени. Соларне ћелије су прекривене стаклом које је отпорно на атомски кисеоник, али су постављене у подлогу обично направљену од угљеничних влакана, која је подложна ерозији. Још једна осетљива компонента је танка фолија која се користи као изолација између ћелије и панела, названа каптон. А ту је и танка фолија која повезује различите ћелије, која је понекад направљена од сребра - и то је такође осетљиво. Дакле, инжењери раде на одабиру различитих материјала или на проналажењу начина да заштите материјале од излагања атомском кисеонику.

Иако се атомски кисеоник не налази много на Земљиној површини, ми имамо извесно разумевање како да се носимо са њим јер се налази у Земљиној орбити. Сателити су дизајнирани да издрже одређену густину атомског кисеоника, тако да инжењери користе сличне принципе да дизајнирају свемирску летелицу ЕнВисион како би је учинили отпорном. Али окружење Земље не укључује тако високе температуре, тако да је комбинација атомског кисеоника и високих температура нови изазов.

„Тако да смо морали да користимо најробусније материјале“, рекао је Тигхе, чија је група била заузета тестирањем материјала попут изолације, боје и соларне енергије компоненте панела да пронађе оне које ће моћи да издрже 15 месеци овог суровог окружења пре него што уопште започну своју главну мисију.

Научни подаци бесплатно

Главна мисија ЕнВисион-а неће почети све док маневри аерокочења не спусте летелицу у коначну орбиту од 130 до 340 миља. Али научници никада не дозвољавају да их прође прилика за учење, тако да истраживачки тим ради на томе шта би могли да науче о Венери и током фазе кочења.

Научници из атмосфере су узбуђени због могућности да изблиза виде горњу атмосферу планете, која се ретко проучава. Проучавање горњег слоја атмосфере је тешко, каже научница компаније ЕнВисион Габриелла Гилли из Институто де Астрофисица де Андалуциа у Шпанији, јер је тако танак у поређењу са густим нижим атмосфера. „Тешко је измерити инструментима за даљинско детектовање. Немамо довољно тачности за инструменте за мерење тако мале густине“, објаснио је Гилли.

Зато маневар аерокочења нуди тако јединствену научну прилику. Мерењем фактора као што су густина и температура током маневара, научници могу да изграде свеобухватнију слику горњег региона атмосфере.

„Заиста желимо да знамо какво је стање атмосфере у сваком делу планете“, рекао је Гили. Али тренутно, ограничени подаци које имамо са Венере су ограничени на високо локализована посматрања. Такође постоје велике разлике између понашања атмосфере током дана и током ноћи, што тек почињемо да схватамо.

Ако научници могу да добију податке о горњим слојевима атмосфере током ове фазе, могу да их упореде са подацима из других мисија као Да Винчи да покуша да састави шта се дешава у атмосфери у целини, а не само у једном локација.

Прилагођавање условима

Међутим, запажања прикупљена током фазе кочења неће бити само од научног интереса. Они ће такође бити враћени тиму свемирских летелица, који може да прилагоди начин на који се маневри одвијају планирано ако се, рецимо, покаже да је густина у једном делу атмосфере другачија од онога што је било очекиван.

„Атмосфера Венере је изузетно променљива“, објаснио је Гилли, што значи да се њена температура и густина мењају на сложен начин. "А варијабилност је још већа у горњем делу атмосфере."

То значи да би ограничена предвиђања која имамо о томе шта можемо очекивати можда требати значајно прилагођавање када свемирска летелица стигне на Венеру. Моделирање услова на које ће летелица наићи биће „непрекидан рад у току до лансирања“, каже Тхомас Воирин, менаџер ЕнВисион Студи.

Чак и након лансирања, прилагођавање маневара аерокочења је итеративни процес. Тим мисије има моделе онога што могу очекивати да ће пронаћи, али „сигурно ће стварност бити другачија“, рекао је Воирин. Цео процес је дизајниран са широким маргинама, како би се омогућила разна могућа одступања од предвиђања.

Деликатна фаза

Покретање било које међупланетарне мисије је тешко, али аерокочење на Венери је посебан изазов. Од брзе ротације делова атмосфере до ефеката сунчеве активности, уз брзе ветрове и велике варијабилности, постоји много фактора са којима ће свемирске летелице као што је ЕнВисион морати да се боре са.

„Ово је веома изазовна фаза. Веома деликатна фаза“, рекао је Гилли.

Али ако успе, могао би да покаже нови и приступачнији начин да се свемирске летелице доведу у њихове орбите — а то значи да мисије могу бити амбициозније у својим научним циљевима, а да не буду више скупо.

Процес је дуг и захтеваће стрпљење истраживача и јавности, али има потенцијал да промени начин на који радимо планетарну науку на Венери.

„Изгледа прилично компликована ствар. Мислиш, па, зашто би то урадио? Зашто бисте провели две године чекајући нешто што је прилично ризичан маневар? То је зато што то заиста омогућава мисију“, рекао је Тигхе. И у томе има нечег што је само по себи задовољавајуће. „Само је уредно, користећи саму атмосферу да вам омогући да уђете у орбиту. То је згодан начин да се то уради."

Препоруке уредника

• Ево зашто научници мисле да је живот могао напредовати на „пакленој планети“ Венери
• Погледајте како се месец и Јупитер осећају пријатно у мајским светлима посматрања неба
• Како је НАСА-ина класа астронаута из 1978. променила лице истраживања свемира
• Венерина вулканска активност оставила је на њој мекану спољашњу љуску
• Две свемирске летелице радиле су заједно како би научиле о Венерином магнетном пољу