Gør rumfartøj klar til at surfe på Venus-atmosfære

ESA's EnVision-mission til Venus vil udføre optisk, spektral- og radarkortlægning af Jordens søsterplanet. Men før det går i gang med arbejdet, skal rumfartøjet på størrelse med varevognen "luftbremse" - sænke dets kredsløb med tusindvis af passager gennem planetens varme, tykke atmosfære i op til to år. En unik ESA-facilitet tester i øjeblikket kandidatmaterialer til rumfartøjer for at kontrollere, at de sikkert kan modstå denne udfordrende proces med atmosfærisk surfing.

"EnVision, som det i øjeblikket er udtænkt, kan ikke finde sted uden denne langvarige fase af aerobremsning," forklarer ESA's EnVision-studieleder Thomas Voirin.

"Rumfartøjet vil blive sprøjtet ind i Venus-kredsløbet i meget stor højde, i cirka 250.000 km, så skal vi ned til en 500 km højde polarbane for videnskabelige operationer. Når vi flyver på en Ariane 62, har vi ikke råd til alt det ekstra drivmiddel. det ville tage at sænke vores kredsløb. I stedet vil vi bremse os selv gennem gentagne passager gennem Venus' øvre atmosfære, der kommer så lavt som 130 km fra overfladen."

EnVisions forgænger rumfartøj, Venus Express, udførte eksperimentel aerobremsning i løbet af de sidste måneder af sin mission i 2014 og indsamlede værdifulde data om teknikken. Aerobremsning blev brugt operationelt for første gang i 2017 af ESA's ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) til at sænke sin bane omkring den røde planet over en 11 måneders periode.

Thomas bemærker:"Aerobremsning omkring Venus bliver meget mere udfordrende end for TGO. Til at begynde med er Venus' tyngdekraft omkring 10 gange højere end Mars. Det betyder, at hastigheder omkring dobbelt så høje som for TGO vil blive oplevet af rumfartøjet, når det passerer gennem atmosfæren – og varme genereres som en terning af hastighed. Derfor er EnVision nødt til at målrette et lavere aerobremsningsregime, hvilket resulterer i en aerobremsningsfase dobbelt så lang.

"Oven i det kommer vi også til at være meget tættere på Solen og opleve omkring dobbelt så stor solintensitet som Jordens, med de tykke hvide skyer i atmosfæren, der reflekterer en masse sollys direkte tilbage til rummet, hvilket desuden skal taget i betragtning. Oven i alt det indså vi, at vi var nødt til at regne med en anden faktor over de tusindvis af baner, vi forestiller os, tidligere kun oplevet i lav kredsløb om Jorden:stærkt erosiv atomær oxygen."

Dette er et fænomen, der forblev ukendt i de første årtier af rumalderen. Det var først, da de tidlige rumfærgeflyvninger vendte tilbage fra lav kredsløb i begyndelsen af ​​1980'erne, at ingeniørerne fik et chok:rumfartøjets termiske tæpper var blevet alvorligt eroderet.

Synderen viste sig at være meget reaktivt atomært oxygen - individuelle oxygenatomer i udkanten af ​​atmosfæren, resultatet af standardiltmolekyler af den slags, der findes lige over jorden, blev brudt fra hinanden af ​​kraftig ultraviolet stråling fra Solen. I dag skal alle missioner under omkring 1.000 km designes til at modstå atomart oxygen, såsom Europas jordobservative Copernnicus Sentinels eller andet hardware bygget til den internationale rumstation.

Spektralobservationer fra tidligere Venus-kredsløb af luftglød over planeten bekræfter, at atomær oxygen også er udbredt i toppen af ​​Venus-atmosfæren, som er mere end 90 gange tykkere end Jordens omgivende luft.

Thomas siger:"Koncentrationen er ret høj, med en gang betyder det ikke så meget, men over tusindvis af gange begynder det at akkumulere og ender med et niveau af atomær oxygenfluens, vi skal tage højde for, svarende til det, vi erfaring i lav kredsløb om Jorden, men ved højere temperaturer."

EnVision-holdet henvendte sig til en unik europæisk facilitet, der er bygget specifikt af ESA til at simulere atomart oxygen i kredsløb. Low Earth Orbit Facility, LEOX, er en del af agenturets laboratorium for materialer og elektriske komponenter, der er baseret på ESA's tekniske center ESTEC i Holland.

ESAs materialeingeniør Adrian Tighe forklarer:"LEOX genererer atomær oxygen ved energiniveauer, der svarer til orbitalhastighed. Renset molekylært oxygen injiceres i et vakuumkammer med en pulserende laserstråle fokuseret på det. Dette omdanner oxygenet til et varmt plasma, hvis hurtige ekspansion kanaliseres langs en konisk dyse. Den dissocierer derefter og danner en meget energisk stråle af atomær oxygen.

"For at fungere pålideligt skal lasertimingen forblive præcis i millisekunders skala og rettet til en nøjagtighed målt i tusindedele af en millimeter i hele den fire måneder lange varighed af denne aktuelle testkampagne.

"Det er ikke første gang, at anlægget er blevet brugt til at simulere et udenjordisk kredsløbsmiljø - vi har tidligere udført atomart ilttest på kandidatsolarray-materialer til ESA's Juice-mission, fordi teleskopiske observationer tyder på, at atomær oxygen vil blive fundet i atmosfæren af Europa og Ganymede. Men for EnVision udgør den forhøjede temperatur under aerobremsning en yderligere udfordring, så anlægget er blevet tilpasset til at simulere dette mere ekstreme venusiske miljø."

En række materialer og belægninger fra forskellige dele af EnVision-rumfartøjet, herunder flerlagsisolering, antennedele og stjernesporingselementer, er placeret i en plade for at blive udsat for den lilla glødende LEOX-stråle. Samtidig opvarmes denne plade for at efterligne den forventede termiske flux, op til 350°C.

Thomas tilføjer:"Vi ønsker at kontrollere, at disse dele er modstandsdygtige over for at blive eroderet, og også bevare deres optiske egenskaber - hvilket betyder, at de ikke nedbrydes eller bliver mørkere, hvilket kan have en afsmittende effekt i forhold til deres termiske adfærd, fordi vi har sarte videnskabelige instrumenter, der skal holde en indstillet temperatur. Vi skal også undgå afskalning eller udgasning, som fører til forurening."

Denne aktuelle testkampagne er en del af et større panel, der undersøger EnVision aerobremsning, herunder brugen af ​​en Venus-klimadatabase udviklet fra tidligere missionsresultater til at estimere den lokale variabilitet af planetens atmosfære for at sætte sikre marginer for rumfartøjet.

Resultaterne af denne testkampagne forventes i slutningen af ​​dette år. + Udforsk yderligere

Ny automatisk kontrolteknik bruger rumfartøjers solpaneler til at nå den ønskede bane ved Mars