Aerobromsningens känsliga konst: Nyckeln till att utforska Venus

Venus decennium är snart över. Med tre kommande Venus-uppdrag planerat från NASA och European Space Agency (ESA), är vi på väg att lära oss mer om vår grannplanet än någonsin tidigare.

Men vi kommer inte bara att lära oss om planetvetenskap. Den här gången kommer vi också att lära oss hur man styr en rymdfarkost i en främmande atmosfär, tack vare två uppdrag – ESA: s EnVision och NASA: s VERITAS - som är inställda på att använda en ny teknik som kallas flygbromsning för att få sina rymdskepp i rätt bana för att de ska kunna göra sin vetenskap.

Vi pratade med ingenjörer och forskare från EnVision-uppdraget för att lära sig hur de planerar att genomföra det – och vad de kan lära sig av det.

Sakta ner med hjälp av atmosfären

Normalt skulle du sakta ner en rymdfarkost på samma sätt som du snabbar upp den: genom att bränna bränsle. Kemisk framdrivning är ett utmärkt sätt att producera mycket kraft mycket snabbt, och det är vad du behöver för att både starta från ditt ursprung och komma in i omloppsbana vid din destination.

Men bränsle är också mycket tungt. Och vikt är pengar när det kommer till raketuppskjutningar. Ju mer bränsle en rymdfarkost bär, desto dyrare blir det att skjuta upp och desto mindre utrymme för vetenskapliga instrument.

Så under de senaste decennierna har rymdingenjörer utvecklat ett mer effektivt sätt att bromsa en rymdfarkost. Istället för att bränna bränsle utnyttjar den här nya metoden atmosfären som finns på de flesta platser vi skulle vilja besöka. Rymdfarkosten närmar sig atmosfärens övre kanter och faller in, där friktionen kommer att sakta ner den med en liten mängd. Sedan drar sig rymdskeppet upp igen innan det doppar in igen, saktar ner gradvis över flera dopp och sänker sin omloppsbana med tiden.

Denna metod, som kallas aerobraking, har använts av rymdfarkoster på Mars, och har till och med experimenterats med för rymdfarkoster som återvänder till jorden. Men nu vill uppdragsteamen använda tekniken för två av de kommande Venus-uppdragen också.

Ett par tidigare Venus-rymdfarkoster som Magellan och Venus Express har använt aerobromsning i slutet av deras uppdrag, när deras huvudsakliga vetenskapliga arbete var gjort och teamen ville experimentera med Metod. Men EnVision och VERITAS kommer att vara de första rymdfarkosterna som använder aerobromsning i början av sina uppdrag för att komma in i rätt omloppsbana.

Ett 15-månaders maraton 

När EnVision anländer till Venus kommer den att kretsa på en höjd av 150 000 miles. Och den behöver komma hela vägen ner till 300 miles över ytan för att få de avläsningar som laget vill ha. För att göra detta kommer den att doppa ner i atmosfären tusentals gånger under en period på mellan 15 månader och två år, och gradvis flytta in i rätt omloppsbana.

Detta kräver noggrann planering, men det kräver också detaljerad kunskap om atmosfäriska förhållanden för att förutsäga hur manövrarna kommer att påverka rymdfarkosten. De största faktorerna som påverkar flygbromsning kommer att vara temperaturen, densiteten och vindhastigheterna, som alla varierar avsevärt i olika delar av den venusiska atmosfären.

Det gör flygbromsning på Venus mycket mer komplicerad än flygbromsning på Mars, till exempel. Venus har mycket högre gravitation än Mars, vilket innebär att rymdfarkosten kommer att uppleva mycket högre hastigheter när den passerar genom atmosfären. Det är därför processen kommer att ta så lång tid.

Venus hårda miljö

En annan utmaning är att Venus är en djupt ogästvänlig plats, och det sträcker sig till dess atmosfär också. Venus är närmare solen än jorden, så den tar emot avsevärd värme och solstrålning som rymdfarkosten behöver för att kunna motstå. Och när rymdfarkosten faller ner i atmosfären för aerobromsning, gör friktionen att den saktar ner - men det orsakar också uppvärmning.

De exakta temperaturerna som rymdfarkosten kommer att uppleva kommer att bero på slutliga designbeslut, men det kommer att vara i region med "kanske 200 eller 300 grader Celsius för den högsta temperaturen," Adrian Tighe, materialforskare för EnVision, sa. Det finns också den ultravioletta strålningen från solen som rymdfarkosten kommer att behöva hantera. "Det är en ganska hård miljö för materialen."

Det största hotet mot rymdfarkosten under flygbromsning är dock inte värmen eller strålningen. Snarare är det en komponent i den övre atmosfären, atomärt syre. Till skillnad från de flesta syremolekyler på jorden, som är gjorda av två syreatomer, har atomärt syre delats av strålning från solen och så har bara en syreatom. Det betyder att det är mycket reaktivt, så det kan äta bort material och korrodera dem.

Det är dåliga nyheter för rymdfarkosten, som måste överleva den månader långa flygbromsningsfasen och sedan kunna gå vidare till sitt vetenskapsuppdrag. Och rymdfarkosten kommer bokstavligen att bombarderas av dessa partiklar, eftersom den kommer att röra sig med en hög hastighet på cirka fem miles per sekund. "Det är en kombination av en kemisk reaktion och slaghastigheten" som kommer att orsaka problemet, förklarade Tighe, med partiklar som träffar rymdfarkosten "som en fartkula."

Hitta Venus-säkra material

Det atomära syret kan oxidera metaller, men det är ännu värre för polymerer. Dessa plastliknande material, gjorda av kol, väte och syre, reagerar med det atomära syret för att bilda föreningar som koldioxid som avdunstar, och så att material förloras i rymden. Atomsyre kan också reagera med färger, såsom vita färger som behövs för att reflektera bort värme och som kan bli bruna och bli mindre effektiva, liksom med isoleringsmaterial som kallas flerskikt isolering.

Det största problemet är rymdfarkostens solpaneler, eftersom de är så exponerade. Solcellerna är täckta av glas, som är resistent mot atomärt syre, men dessa är placerade i ett substrat som vanligtvis är tillverkat av kolfiber, som är känsligt för erosion. En annan känslig komponent är den tunna folien som används som isolering mellan cellen och panelen, kallad kapton. Och det finns en tunn folie som förbinder de olika cellerna, som ibland är gjord av silver - och det är också känsligt. Så ingenjörerna arbetar med att antingen välja olika material eller hitta sätt att skydda materialen från exponering för atomärt syre.

Även om atomärt syre inte finns mycket på jordens yta, har vi viss förståelse för hur vi ska hantera det eftersom det finns i jordens omloppsbana. Satelliter är designade för att motstå en viss densitet av atomärt syre, så ingenjörer använder liknande principer för att designa rymdfarkosten EnVision för att göra den resistent. Men jordens miljö involverar inte så höga temperaturer, så kombinationen av atomärt syre och höga temperaturer är en ny utmaning.

"Så vi var tvungna att använda de mest robusta materialen," sa Tighe, vars grupp har varit upptagen med att testa material som isolering, färg och solenergi. panelkomponenter för att hitta de som kommer att klara 15 månader av denna tuffa miljö innan ens påbörjar sitt huvuduppdrag.

Vetenskapsdata gratis

EnVisions huvuduppdrag kommer inte att börja förrän flygbromsningsmanövrarna har fört ner rymdfarkosten till sin slutliga omloppsbana på mellan 130 och 340 miles. Men forskare låter aldrig en möjlighet att lära gå förbi dem, så ett forskarlag arbetar med vad de kan lära sig om Venus också under flygbromsfasen.

Atmosfärsforskare är entusiastiska över möjligheten att få en nära bild av planetens övre atmosfär, som sällan studeras. Att studera den övre atmosfären är svårt, enligt EnVision-forskaren Gabriella Gilli från The Instituto de Astrofísica de Andalucía i Spanien, eftersom den är så tunn jämfört med den täta lägre atmosfär. "Det är svårt att mäta med fjärranalysinstrument. Vi har inte tillräckligt med noggrannhet för att instrument ska kunna mäta en så liten densitet”, förklarade Gilli.

Det är därför flygbromsningsmanövern erbjuder en så unik vetenskaplig möjlighet. Genom att ta mätningar av faktorer som densitet och temperatur under manövrarna kan forskare bygga upp en mer heltäckande bild av den övre delen av atmosfären.

"Vi vill verkligen veta hur tillståndet i atmosfären är i alla delar av planeten," sa Gilli. Men för närvarande är de begränsade data vi har från Venus begränsade till mycket lokaliserade observationer. Det finns också stora skillnader mellan hur atmosfären beter sig under dagen kontra under natten, vilket vi bara har börjat förstå.

Om forskare kan få data om den övre atmosfären under denna fas kan de jämföra det med data från andra uppdrag som DaVinci för att försöka få ihop det som händer i atmosfären som helhet, snarare än i bara en plats.

Anpassa sig till förhållandena

Observationerna som samlas in under flygbromsningsfasen kommer dock inte bara att vara av vetenskapligt intresse. De kommer också att återkopplas till rymdfarkostteamet, som kan justera hur manövrarna utförs planeras om, säg, det visar sig att densiteten i en del av atmosfären är annorlunda än vad som var förväntas.

"Venus atmosfär är extremt varierande," förklarade Gilli, vilket betyder att dess temperatur och densitet förändras på komplexa sätt. "Och variationen är ännu högre i den övre delen av atmosfären."

Det betyder att de begränsade förutsägelser vi har om vad vi kan förvänta oss kan behöva avsevärd justering när rymdfarkosten anländer till Venus. Att modellera förhållandena som rymdfarkosten kommer att möta kommer att vara "ett kontinuerligt arbete som pågår fram till lanseringen", enligt Thomas Voirin, EnVision Study manager.

Och även efter lanseringen är justering av flygbromsningsmanövrarna en iterativ process. Uppdragsteamet har modeller för vad de kan förvänta sig att hitta, men "förvisso kommer verkligheten att vara annorlunda", sa Voirin. Hela processen är utformad med breda marginaler, för att möjliggöra olika möjliga avvikelser från förutsägelser.

En känslig fas

Att starta ett interplanetärt uppdrag är svårt, men flygbromsning på Venus är en speciell utmaning. Från den snabba rotationen av delar av atmosfären till effekterna av solaktivitet, med snabba vindar och hög variation, det finns många faktorer som rymdfarkoster som EnVision kommer att behöva utkämpa med.

"Det här är en mycket utmanande fas. En mycket känslig fas”, sa Gilli.

Men om det fungerar kan det visa ett nytt och mer prisvärt sätt att få in rymdfarkoster i sina banor — och det betyder att uppdrag kan vara mer ambitiösa i sina vetenskapsmål utan att vara fler dyr.

Processen är lång och kommer att kräva tålamod från forskarna och allmänheten, men den har potential att förändra hur vi gör planetarisk vetenskap på Venus.

– Det ser ganska komplicerat ut. Du tänker, ja, varför skulle du göra det? Varför skulle du ägna två år åt att vänta på vad som är en ganska riskabel manöver? Det är för att det verkligen möjliggör uppdraget, sa Tighe. Och det finns något i sig tillfredsställande med det också. "Det är bara snyggt att använda själva atmosfären för att göra det möjligt för dig att komma in i omloppsbanan. Det är ett snyggt sätt att göra det på."

Redaktörens rekommendationer

• Här är anledningen till att forskare tror att livet kan ha frodats på "helvetesplaneten" Venus
• Se månen och Jupiter bli mysiga i majs himmelskådarhöjdpunkter
• Hur NASA: s astronautklass från 1978 förändrade rymdutforskningens ansikte
• Venus vulkaniska aktivitet har lämnat den med ett squishy yttre skal
• Två rymdskepp arbetade tillsammans för att lära sig om Venus magnetfält