Делікатне мистецтво аерогальмування: ключ до дослідження Венери

Декада Венери майже на порозі. с три майбутні місії на Венеру за планами NASA та Європейського космічного агентства (ESA), ми на порозі того, щоб дізнатися більше про нашу сусідню планету, ніж будь-коли раніше.

Але ми будемо вивчати не лише планетологію. Цього разу ми також навчимося керувати космічним кораблем у чужій атмосфері завдяки двом місіям — ESA EnVision і NASA VERITAS — які збираються використовувати нову техніку під назвою аерогальмування, щоб вивести свій космічний корабель на потрібну орбіту, щоб вони могли займатися своєю наукою.

Ми поспілкувалися з інженерами та вченими з місії EnVision, щоб дізнатися, як вони планують це здійснити — і що вони можуть з цього навчитися.

Уповільнення за допомогою атмосфери

Зазвичай ви сповільнюєте космічний корабель так само, як і прискорюєте його: спалюючи паливо. Хімічна тяга — це чудовий спосіб дуже швидко створити велику силу, і це те, що вам потрібно як для запуску з місця відправлення, так і для виходу на орбіту в пункті призначення.

Однак паливо теж дуже важке. А вага – це гроші, коли мова йде про запуски ракет. Чим більше палива перевозить космічний корабель, тим дорожчим буде його запуск і тим менше буде витрат на наукові прилади.

Тож за останні кілька десятиліть космічні інженери розробляли ефективніший спосіб сповільнити космічний корабель. Замість спалювання палива цей новий метод використовує атмосферу, яка існує в більшості місць, які ми хотіли б відвідати. Космічний корабель наближається до верхніх шарів атмосфери і занурюється всередину, де тертя трохи сповільнює його. Потім космічний корабель повертається вгору, перш ніж знову занурюватися, поступово сповільнюючи хід під час кількох занурень і знижуючи свою орбіту з часом.

Цей метод, який називається аерогальмуванням, використовувався космічними кораблями на Марсі, і навіть експериментували з космічними кораблями, які поверталися на Землю. Але тепер команди місії хочуть використовувати цю техніку також для двох майбутніх місій на Венері.

Кілька попередніх космічних кораблів Венери, наприклад Магеллан і Венера Експрес, використовували аерогальмування в кінці своїх місій, коли їх основна наукова робота була виконана, і команди хотіли експериментувати з техніка. Але EnVision і VERITAS будуть першими космічними апаратами, які використовуватимуть аерогальмування на початку своїх місій, щоб вийти на правильну орбіту.

15-місячний марафон 

Коли EnVision прибуде до Венери, він буде обертатися на висоті 150 000 миль. І йому потрібно опуститися на висоту 300 миль над поверхнею, щоб отримати показання, яких хоче команда. Для цього він занурюватиметься в атмосферу тисячі разів протягом періоду від 15 місяців до двох років, поступово переходячи на правильну орбіту.

Це вимагає ретельного планування, але також вимагає детального знання атмосферних умов, щоб передбачити, як маневри вплинуть на космічний корабель. Найбільшими факторами, що впливатимуть на аерогальмування, будуть температура, щільність і швидкість вітру, які значно відрізняються в різних частинах атмосфери Венери.

Це робить аерогальмування на Венері набагато складнішим, ніж, наприклад, аерогальмування на Марсі. Венера має набагато вищу гравітацію, ніж Марс, а це означає, що космічний корабель буде мати набагато більшу швидкість, коли проходитиме через атмосферу. Тому процес триватиме так довго.

Суворе середовище Венери

Інша проблема полягає в тому, що Венера є a глибоко непривітне місце, і це також поширюється на його атмосферу. Венера знаходиться ближче до Сонця, ніж Земля, тому вона отримує значну кількість тепла та сонячного випромінювання, які космічний корабель повинен мати можливість витримати. І коли космічний корабель падає в атмосферу для аерогальмування, тертя сповільнює його, але це також спричиняє нагрівання.

Точні температури, які буде відчувати космічний корабель, залежатимуть від остаточних проектних рішень, але це буде в межах область «можливо, 200 або 300 градусів за Цельсієм для найвищої температури», Адріан Тіґе, науковець з матеріалів EnVision, сказав. Існує також ультрафіолетове випромінювання від сонця, з яким космічний корабель повинен буде працювати. «Це досить суворе середовище для матеріалів».

Однак найбільшою загрозою для космічного корабля під час аерогальмування є не тепло чи радіація. Швидше, це компонент верхніх шарів атмосфери, атомарний кисень. На відміну від більшості молекул кисню на Землі, які складаються з двох атомів кисню, атомарний кисень розщеплюється сонячним випромінюванням, тому має лише один атом кисню. Це означає, що він має високу реакційну здатність, тому може роз’їдати матеріали та роз’їдати їх.

Це погана новина для космічного корабля, якому потрібно пережити багатомісячну фазу аерогальмування, а потім мати можливість продовжити свою наукову місію. І космічний корабель буде буквально бомбардований цими частинками, оскільки він рухатиметься з високою швидкістю близько п’яти миль на секунду. «Це поєднання хімічної реакції та швидкості удару», що спричинить проблему, пояснив Тіге, коли частинки вражають космічний корабель «як куля, що мчить».

Пошук Венеростійких матеріалів

Атомарний кисень може окислювати метали, але ще гірше для полімерів. Ці пластикові матеріали, що складаються з вуглецю, водню та кисню, реагують з атомарним киснем, утворюючи такі сполуки, як вуглекислий газ, який випаровується, і таким чином цей матеріал втрачається у космос. Атомарний кисень також може реагувати з фарбами, такими як білі фарби, які необхідні для відбивання тепла які можуть побуріти і стати менш ефективними, а також з ізоляційним матеріалом, який називається багатошаровим ізоляція.

Найбільше занепокоєння викликають сонячні батареї космічного корабля, оскільки вони дуже відкриті. Сонячні батареї покриті склом, яке є стійким до атомарного кисню, але вони встановлюються в підкладку, яка зазвичай виготовляється з вуглецевого волокна, яке чутливе до ерозії. Іншим чутливим компонентом є тонка фольга, яка використовується як ізоляція між елементом і панеллю, називається каптон. І є тонка фольга, яка з’єднує різні комірки, іноді зроблена зі срібла — і це теж чутливо. Тому інженери працюють або над вибором різних матеріалів, або над пошуком способів захисту матеріалів від впливу атомарного кисню.

Хоча атомарного кисню не так багато на поверхні Землі, ми маємо певне розуміння того, як з ним поводитись, оскільки він знаходиться на орбіті Землі. Супутники розроблені таким чином, щоб витримувати певну щільність атомарного кисню, тому інженери використовують схожі принципи для розробки космічного корабля EnVision, щоб зробити його стійким. Але земне середовище не передбачає таких високих температур, тому поєднання атомарного кисню та високих температур є новим викликом.

«Тож нам довелося використовувати найміцніші матеріали», — сказав Тіге, чия група була зайнята тестуванням таких матеріалів, як ізоляція, фарба та сонячна батарея. компоненти панелі, щоб знайти ті, які зможуть витримати 15 місяців у цьому суворому середовищі ще до початку виконання основної місії.

Наукові дані безкоштовно

Основна місія EnVision не почнеться, доки космічний корабель не опуститься на кінцеву орбіту від 130 до 340 миль. Але вчені ніколи не пропускають можливості дізнатися, тому дослідницька група працює над тим, що вони також зможуть дізнатися про Венеру під час фази аерогальмування.

Атмосферологи в захваті від можливості оглянути верхні шари атмосфери планети зблизька, які рідко досліджуються. За словами вченого EnVision Габріелли Гіллі, досліджувати верхні шари атмосфери важко Instituto de Astrofísica de Andalucía в Іспанії, тому що він такий тонкий порівняно з щільним нижнім атмосфера. «Важко вимірювати за допомогою приладів дистанційного зондування. У нас немає достатньої точності для приладів, щоб виміряти таку малу щільність», – пояснив Гіллі.

Ось чому маневр аерогальмування пропонує таку унікальну наукову можливість. Вимірюючи такі фактори, як щільність і температура під час маневрів, вчені можуть створити більш повну картину верхніх шарів атмосфери.

«Ми дійсно хочемо знати, який стан атмосфери в кожній частині планети», — сказав Гіллі. Але наразі обмежені дані, які ми маємо з Венери, обмежуються дуже локалізованими спостереженнями. Існують також значні відмінності між поведінкою атмосфери вдень і вночі, які ми тільки починаємо розуміти.

Якщо вчені зможуть отримати дані про верхні шари атмосфери на цьому етапі, вони зможуть порівняти їх з даними інших місій як Да Вінчі, щоб спробувати зібрати воєдино те, що відбувається в атмосфері в цілому, а не лише в одному Місцезнаходження.

Пристосування до умов

Спостереження, зібрані під час фази аерогальмування, будуть не лише науковими. Вони також будуть передані команді космічного корабля, яка зможе скоригувати маневри планується, якщо, скажімо, виявиться, що щільність в одній частині атмосфери відрізняється від тієї, що була очікуваний.

«Атмосфера Венери надзвичайно мінлива», — пояснив Гіллі, тобто її температура та щільність змінюються складними способами. «І мінливість ще вища у верхній частині атмосфери».

Це означає, що обмежені прогнози, які ми маємо щодо того, чого очікувати, можуть потребувати значного коригування, коли космічний корабель прибуде на Венеру. За словами Томаса Вуарена, керівника дослідження EnVision, моделювання умов, з якими зіткнеться космічний корабель, буде «безперервною роботою до моменту запуску».

І навіть після запуску коригування маневрів аерогальмування є повторюваним процесом. Команда місії має моделі того, що вони можуть очікувати знайти, але «напевно, реальність буде іншою», сказав Вуарен. Весь процес розроблено з широкими запасами, щоб врахувати різноманітні можливі відхилення від прогнозів.

Делікатна фаза

Запуск будь-якої міжпланетної місії складний, але аерогальмування на Венері є особливою проблемою. Від швидкого обертання частин атмосфери до впливу сонячної активності з швидкими вітрами і висока мінливість, існує багато факторів, з якими космічні апарати, такі як EnVision, повинні боротися з.

«Це дуже складний етап. Дуже делікатна фаза", - сказала Гіллі.

Але якщо це спрацює, це може продемонструвати новий і більш доступний спосіб виведення космічних кораблів на їхні орбіти — і це означає, що місії можуть бути більш амбітними у своїх наукових цілях, але не бути більшими дорогий.

Процес тривалий і потребуватиме терпіння від дослідників і громадськості, але він може змінити те, як ми займаємося планетологією на Венері.

«Це виглядає досить складною річчю. Ви думаєте, навіщо вам це робити? Навіщо вам два роки чекати цього досить ризикованого маневру? Це тому, що це справді сприяє місії», — сказав Тіге. І в цьому є щось справжнє задоволення. «Це просто гарно, використання самої атмосфери, щоб ви могли вийти на орбіту. Це гарний спосіб зробити це».

Рекомендації редакції

• Ось чому вчені вважають, що життя могло процвітати на «пекельній планеті» Венері
• Подивіться, як Місяць і Юпітер почуваються затишно під час спостереження за небом у травні
• Як клас астронавтів НАСА 1978 року змінив обличчя дослідження космосу
• Вулканічна активність Венери залишила на ній м’яку зовнішню оболонку
• Два космічні кораблі працювали разом, щоб дізнатися про магнітне поле Венери