Hassas hava freni sanatı: Venüs'ü keşfetmenin anahtarı

Venüs'ün on yılı neredeyse üzerimizde. İle yaklaşan üç Venüs görevi NASA ve Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından planlanan, komşu gezegenimiz hakkında her zamankinden daha fazla şey öğrenmenin eşiğindeyiz.

Ancak sadece gezegen bilimini öğreniyor olmayacağız. Bu kez, iki görev sayesinde uzay aracını uzaylı bir atmosferde nasıl kontrol edeceğimizi de öğreneceğiz - ESA'lar hayal gücü ve NASA'nın VERITAS'ı - uzay araçlarını bilimlerini yapmaları için doğru yörüngeye sokmak için aerobraking adı verilen yeni bir teknik kullanacak şekilde ayarlandı.

Bunu nasıl başarmayı planladıklarını ve bundan neler öğrenebileceklerini öğrenmek için EnVision misyonundaki mühendisler ve bilim insanlarıyla konuştuk.

Atmosferi kullanarak yavaşlama

Normalde, bir uzay gemisini hızlandırdığınız gibi yavaşlatırsınız: yakıt yakarak. Kimyasal itme, çok hızlı bir şekilde çok fazla güç üretmenin harika bir yoludur ve hem başlangıç ​​noktanızdan fırlatmak hem de hedefinizdeki yörüngeye girmek için ihtiyacınız olan şey budur.

Ancak yakıt da çok ağırdır. Ve roket fırlatma söz konusu olduğunda ağırlık paradır. Bir uzay aracı ne kadar çok yakıt taşıyorsa fırlatılması o kadar pahalı olacak ve bilimsel araçlar için o kadar az ödenek olacaktır.

Yani son birkaç on yılda, uzay mühendisleri bir uzay aracını yavaşlatmanın daha verimli bir yolunu geliştiriyorlar. Bu yeni yöntem, yakıt yakmak yerine ziyaret etmek isteyeceğimiz çoğu yerde bulunan atmosferden yararlanıyor. Uzay aracı, atmosferin üst kenarlarına yaklaşır ve sürtünmenin onu küçük bir miktar yavaşlatacağı yere dalar. Ardından, uzay aracı tekrar dalmadan önce geri çekilir, birden fazla düşüşte kademeli olarak yavaşlar ve zamanla yörüngesini alçaltır.

Aerobraking adı verilen bu yöntem, Mars'taki uzay araçları tarafından kullanılmış ve hatta Dünya'ya dönen uzay araçları için denenmiştir. Ancak şimdi görev ekipleri, tekniği yaklaşmakta olan iki Venüs görevi için de kullanmak istiyor.

Magellan ve Venus Express gibi önceki birkaç Venüs uzay aracı, sonunda aerobraking kullanmıştı. görevleri, ana bilim çalışmaları bittiğinde ve ekipler teknik. Ancak EnVision ve VERITAS, görevlerinin başlangıcında doğru yörüngeye girmek için aerobraking kullanan ilk uzay aracı olacak.

15 aylık maraton 

EnVision Venüs'e vardığında, 150.000 mil yükseklikte yörüngede olacak. Ve ekibin istediği okumaları elde etmek için yüzeyden 300 mil yukarıya kadar inmesi gerekiyor. Bunun için 15 ay ile 2 yıl arasında binlerce kez atmosfere dalacak ve yavaş yavaş doğru yörüngeye doğru hareket edecektir.

Bu, titiz bir planlama gerektirir, ancak manevraların uzay aracını nasıl etkileyeceğini tahmin etmek için atmosferik koşullar hakkında ayrıntılı bilgi gerektirir. Aerobraking'i etkileyen en büyük faktörler sıcaklık, yoğunluk ve rüzgar hızları olacak ve bunların tümü Venüs atmosferinin farklı bölümlerinde önemli ölçüde değişiklik gösteriyor.

Bu, örneğin, Venüs'te aerobraking'i Mars'ta aerobraking'den çok daha karmaşık hale getirir. Venüs, Mars'tan çok daha yüksek yerçekimine sahiptir, bu da uzay aracının atmosferden geçerken çok daha yüksek hızlara ulaşacağı anlamına gelir. Bu yüzden süreç çok uzun sürecek.

Venüs'ün zorlu ortamı

Diğer bir zorluk da, Venüs'ün bir son derece elverişsiz yerve bu onun atmosferine kadar uzanır. Venüs güneşe Dünya'dan daha yakındır, bu nedenle uzay aracının dayanabilmesi için gereken önemli miktarda ısı ve güneş radyasyonu alır. Ve uzay aracı hava freni yapmak için atmosfere düştüğünde, sürtünme yavaşlamasına neden olur - ama bu aynı zamanda ısınmaya da neden olur.

Uzay aracının karşılaşacağı kesin sıcaklıklar, nihai tasarım kararlarına bağlı olacaktır, ancak EnVision'ın malzeme bilimcisi Adrian Tighe, "en yüksek sıcaklık için belki 200 veya 300 santigrat derece" bölge, söz konusu. Ayrıca uzay aracının idare etmesi gereken güneşten gelen ultraviyole radyasyon da var. "Malzemeler için oldukça zorlu bir ortam."

Bununla birlikte, hava freni sırasında uzay aracına yönelik en büyük tehdit ısı veya radyasyon değildir. Aksine, üst atmosferin, atomik oksijenin bir bileşenidir. Dünya üzerindeki iki oksijen atomundan oluşan çoğu oksijen molekülünün aksine, atomik oksijen güneşten gelen radyasyonla parçalanmıştır ve bu nedenle yalnızca bir oksijen atomuna sahiptir. Bu, oldukça reaktif olduğu anlamına gelir, bu nedenle malzemeleri aşındırabilir ve aşındırabilir.

Aylar süren aerobraking aşamasından sağ çıkması ve ardından bilim görevine devam etmesi gereken uzay aracı için bu kötü bir haber. Ve uzay aracı, saniyede yaklaşık beş mil gibi yüksek bir hızla hareket edeceğinden, kelimenin tam anlamıyla bu parçacıklar tarafından bombalanacak. Tighe, parçacıkların uzay aracına "hızlanan bir mermi gibi" çarpmasıyla, "Bu, soruna neden olacak kimyasal reaksiyon ve çarpma hızının bir kombinasyonudur" dedi.

Venüs'e dayanıklı malzemeleri bulma

Atomik oksijen metalleri oksitleyebilir, ancak polimerler için daha da kötüdür. Karbon, hidrojen ve oksijenden oluşan bu plastik benzeri malzemeler, atomik oksijenle reaksiyona girerek karbondioksit gibi buharlaşan bileşikler oluşturur ve böylece bu malzeme uzayda kaybolur. Atomik oksijen, ısıyı uzaklaştırmak için gerekli olan beyaz boyalar gibi boyalarla da reaksiyona girebilir ve kahverengiye dönebilen ve daha az etkili hale gelebilen, ayrıca çok katmanlı olarak adlandırılan yalıtım malzemesi ile yalıtım.

En büyük endişe, uzay aracının güneş panelleri, çünkü çok açıktalar. Güneş pilleri, atomik oksijene dayanıklı camla kaplıdır, ancak bunlar tipik olarak erozyona duyarlı karbon fiberden yapılmış bir alt tabakaya yerleştirilmiştir. Bir diğer hassas bileşen ise hücre ile panel arasında yalıtım olarak kullanılan kapton adı verilen ince folyodur. Ve farklı hücreleri birbirine bağlayan, bazen gümüşten yapılmış ince bir folyo var ve bu da hassas. Bu nedenle mühendisler ya farklı malzemeler seçmeye ya da malzemeleri atomik oksijene maruz kalmaktan korumanın yollarını bulmaya çalışıyorlar.

Atomik oksijen Dünya'nın yüzeyinde pek bulunmasa da, Dünya yörüngesinde bulunduğu için onunla nasıl başa çıkacağımıza dair biraz anlayışımız var. Uydular, belirli bir atomik oksijen yoğunluğuna dayanacak şekilde tasarlanmıştır, bu nedenle mühendisler, dayanıklı hale getirmek için EnVision uzay aracını tasarlamak için benzer ilkeler kullanıyorlar. Ancak Dünya ortamı bu kadar yüksek sıcaklıklar içermez, bu nedenle atomik oksijen ve yüksek sıcaklıkların kombinasyonu yeni bir zorluktur.

Grubu yalıtım, boya ve güneş enerjisi gibi malzemeleri test etmekle meşgul olan Tighe, "Bu yüzden en sağlam malzemeleri kullanmak zorundaydık" dedi. ana görevine başlamadan önce bu zorlu ortama 15 ay dayanabilecek olanları bulmak için panel bileşenleri.

Bilim verileri ücretsiz

EnVision'ın ana görevi, aerobraking manevraları uzay aracını 130 ila 340 mil arasındaki son yörüngesine indirene kadar başlamayacak. Ancak bilim adamları, öğrenme fırsatının ellerinden geçmesine asla izin vermezler, bu nedenle bir araştırma ekibi, aerobraking aşamasında da Venüs hakkında neler öğrenebilecekleri üzerinde çalışıyor.

Atmosfer bilimcileri, nadiren incelenen gezegenin üst atmosferinin yakından bir görüntüsünü elde etme olasılığı konusunda heyecanlılar. EnVision bilim adamı Gabriella Gilli'ye göre üst atmosferi incelemek zor. İspanya'daki Instituto de Astrofísica de Andalucía, çünkü yoğun alt kısımla karşılaştırıldığında çok ince atmosfer. “Uzaktan algılama cihazlarıyla ölçüm yapmak zordur. Aletlerin bu kadar küçük bir yoğunluğu ölçmesi için yeterli doğruluğa sahip değiliz,” diye açıkladı Gilli.

Aerobraking manevrasının bu kadar eşsiz bir bilimsel fırsat sunmasının nedeni budur. Bilim adamları, manevralar sırasında yoğunluk ve sıcaklık gibi faktörlerin ölçümlerini alarak atmosferin üst bölgesinin daha kapsamlı bir resmini oluşturabilirler.

Gilli, "Gezegenin her yerinde atmosferin durumunu gerçekten bilmek istiyoruz" dedi. Ancak şu anda, Venüs'ten edindiğimiz sınırlı veriler, oldukça yerelleştirilmiş gözlemlerle sınırlıdır. Ayrıca atmosferin gündüz ve gece davranışları arasında henüz yeni yeni anlamaya başladığımız büyük farklılıklar var.

Bilim adamları bu aşamada üst atmosfer hakkında veri elde edebilirlerse, bunu diğer görevlerden gelen verilerle karşılaştırabilirler. DaVinci'nin atmosferde olup bitenleri tek bir parça yerine bir bütün olarak bir araya getirmeye çalışması gibi konum.

Koşullara uyum

Aerobraking aşamasında toplanan gözlemler, yalnızca bilimsel açıdan ilgi çekici olmayacak. Ayrıca, manevraların yapılma şeklini ayarlayabilen uzay aracı ekibine de geri gönderilecekler. Diyelim ki atmosferin bir kısmındaki yoğunluğun öncekinden farklı olduğu ortaya çıkarsa planlanır. beklenen.

Gilli, sıcaklığının ve yoğunluğunun karmaşık şekillerde değiştiğini kastederek, "Venüs atmosferi son derece değişkendir," diye açıkladı. "Atmosferin üst kısmında değişkenlik daha da yüksek."

Bu, uzay aracı Venüs'e vardığında ne bekleyeceğimiz konusunda sahip olduğumuz sınırlı tahminlerin önemli ölçüde ayarlanması gerekebileceği anlamına gelir. EnVision Study yöneticisi Thomas Voirin'e göre, uzay aracının karşılaşacağı koşulların modellenmesi "fırlatılana kadar devam eden sürekli bir çalışma" olacak.

Fırlatmadan sonra bile, aerobraking manevralarını ayarlamak yinelemeli bir süreçtir. Voirin, görev ekibinin bulmayı bekleyebilecekleri modellere sahip olduğunu ancak "kesinlikle gerçeğin farklı olacağını" söyledi. Tüm süreç, tahminlerden çeşitli olası sapmalara izin vermek için geniş marjlarla tasarlanmıştır.

Hassas bir aşama

Herhangi bir gezegenler arası görevi başlatmak zordur, ancak Venüs'te hava freni yapmak özel bir zorluktur. Atmosferin bölümlerinin hızlı dönüşünden hızlı rüzgarlarla güneş aktivitesinin etkilerine kadar ve yüksek değişkenlik, EnVision gibi uzay aracının mücadele etmesi gereken birçok faktör vardır. ile.

"Bu çok zorlu bir aşama. Çok hassas bir aşama," dedi Gilli.

Ancak işe yararsa, uzay aracını yörüngelerine sokmanın yeni ve daha uygun fiyatlı bir yolunu gösterebilir. - ve bu, görevlerin bilim hedeflerinde daha iddialı olabileceği anlamına gelir. masraflı.

Süreç uzun ve araştırmacılardan ve halktan sabır gerektirecek, ancak Venüs'te gezegen bilimi yapma şeklimizi değiştirme potansiyeline sahip.

"Oldukça karmaşık bir şeye benziyor. Peki, bunu neden yapasın ki? Oldukça riskli bir manevra için neden iki yıl bekleyesiniz ki? Bunun nedeni, misyonu gerçekten mümkün kılmasıdır," dedi Tighe. Ve bunda da doğası gereği tatmin edici bir şey var. "Yörüngeye girmenizi sağlamak için atmosferin kendisini kullanmak çok hoş. Bunu yapmanın zarif bir yolu.

Editörlerin Önerileri

• İşte bilim adamlarının hayatın 'cehennem gezegeni' Venüs'te gelişmiş olabileceğini düşünmesinin nedeni bu.
• Ayın ve Jüpiter'in Mayıs'ın gökyüzü gözlemi olaylarında rahatladığını görün
• NASA'nın 1978'deki astronot sınıfı, uzay araştırmalarının çehresini nasıl değiştirdi?
• Venüs'ün volkanik aktivitesi onu yumuşacık bir dış kabukla bıraktı.
• Venüs'ün manyetik alanını öğrenmek için iki uzay aracı birlikte çalıştı