Космічний корабель готується до польотів у атмосфері Венери

Місія Європейської космічної агенції EnVision до Венери виконає оптичне, спектральне та радіолокаційне картографування планети-сестри Землі. Але перед тим, як розпочати роботу, космічному кораблю необхідно буде знизити свою орбіту, здійснивши тисячі проходів через гарячу щільну атмосферу планети терміном до двох років. Унікальний об’єкт ЄКА зараз тестує матеріали для космічних кораблів, щоб перевірити, чи можуть вони безпечно витримати цей складний процес атмосферного серфінгу.

EnVision

Аеродинамічне гальмування

“EnVision у його нинішньому вигляді неможливий без цієї тривалої фази аеродинамічного гальмування”, – пояснює керівник дослідження ESA EnVision Томас Вуарін.

Космічний апарат буде виведений на орбіту Венери на дуже велику висоту приблизно на 250 000 км, потім нам потрібно буде спуститися на полярну орбіту висотою 500 км для наукових операцій.

Готують космічний корабель до польотів у атмосфері Венери

“Літаючи на Ariane 62, ми не можемо дозволити собі все додаткове паливо, необхідне для зниження нашої орбіти. Натомість ми сповільнюватимемося за рахунок повторних проходів через верхні шари атмосфери Венери, опускаючись на глибину до 130 км від поверхні», – каже Вуарін.

Космічний корабель-попередник EnVision, Venus Express, виконав експериментальне аеродинамічне гальмування в останні місяці своєї місії в 2014 році, зібравши цінні дані про цю техніку. Aerobraking вперше був оперативно використаний у 2017 році орбітальним апаратом ЄКА ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) для зниження своєї орбіти навколо Червоної планети протягом 11 місяців.

«Аеробрейк навколо Венери буде набагато складнішим, ніж для TGO. Почнемо з того, що гравітація Венери приблизно в 10 разів вища, ніж у Марса. Це означає, що при проходженні через атмосферу космічний корабель буде випробовувати швидкості приблизно вдвічі вище, ніж для TGO, а тепло, що виділяється, пропорційне швидкості в кубі. Відповідно, EnVision має орієнтуватися на нижчий режим аеродинамічного гальмування, що призводить до подвоєння фази аеродинамічного гальмування, – зазначає дослідник.

Протидія атомарного кисню

На додачу, апарат буде набагато ближче до Сонця, відчуваючи приблизно вдвічі більшу сонячну інтенсивність, ніж на Землі, з густими білими хмарами атмосфери, що відбивають багато сонячного світла прямо назад у космос, що додатково має бути взято до уваги. Також потрібно враховувати ще один фактор: атомарний кисень з високою ерозійною активністю.

Це залишалося невідомим у перші десятиліття космічної ери. Тільки коли на початку 1980-х “Шаттл” повертався з низької орбіти, інженери були шоковані: теплове покриття космічного корабля було сильно зруйнованим.

Шаттл світиться атомарним киснем

Винуватцем виявився високореактивний атомарний кисень — окремі атоми кисню на околицях атмосфери внаслідок того, що стандартні молекули кисню, виявлені над землею, були зруйновані потужним ультрафіолетовим випромінюванням Сонця. Сьогодні всі місії на висоті менше 1000 км повинні бути розраховані на стійкість до атомарного кисню, наприклад, європейські космічні апарати Copernnicus Sentinels, які спостерігають за Землею, або будь-яке обладнання, створене для Міжнародної космічної станції.

Спектральні спостереження світіння атмосфери над планетою, проведені минулими орбітальними апаратами Венери, підтверджують, що атомарний кисень широко поширений і у верхній частині венеріанської атмосфери, яка більш ніж у 90 разів товща за нашу атмосферу.

Генератор атомарного кисню

Томас каже: «Концентрація досить висока, за один прохід це не так важливо, але за тисячі разів вона починає накопичуватися і в кінцевому підсумку досягає рівня флюенсу атомарного кисню, який ми повинні враховувати, еквівалентного тому, що ми маємо досвід роботи на низькій навколоземній орбіті. але за вищих температур».

Низькоорбітальний комплекс LEOX

Команда EnVision звернулася до унікального європейського об’єкта, спеціально збудованого ЕКА для імітації атомарного кисню на орбіті. Низькоорбітальний комплекс LEOX є частиною Лабораторії матеріалів та електричних компонентів Агентства, що базується у технічному центрі ЄКА ESTEC у Нідерландах.

Зразки, що зазнали впливу атомарного кисню

Інженер-матеріалознавець ЕКА Адріан Тіге пояснює: «LEOX генерує атомарний кисень на рівні енергії, еквівалентному орбітальній швидкості. Очищений молекулярний кисень впорскується у вакуумну камеру, на яку сфокусований пульсуючий лазерний промінь. Це перетворює кисень на гарячу плазму, швидке розширення якої прямує вздовж конічного сопла. Потім він дисоціює, утворюючи високоенергетичний пучок атомарного кисню”.

Щоб працювати надійно, синхронізація лазера повинна залишатися точною з точністю до мілісекунд і спрямованою на точність, що вимірюється тисячними частками міліметра протягом чотирьох місяців поточної тестової кампанії.

Імітація позаземного орбітального середовищ

Це не перший випадок, коли об’єкт використовується для імітації позаземного орбітального середовища. Раніше проводились випробування атомарного кисню на матеріалах сонячної батареї для місії ЄКА Juice, тому що телескопічні спостереження припускають, що атомарний кисень буде виявлений в атмосферах Європи та Ганімеда. Однак для EnVision підвищена температура під час аеродинамічного гальмування є додатковою проблемою, тому об’єкт був адаптований для імітації екстремальніших венеріанських умов.

Ряд матеріалів і покриттів з різних частин космічного корабля EnVision, у тому числі багатошарова ізоляція, деталі антени та елементи зоряного стеження, поміщаються в пластину, яка піддається впливу LEOX, що світиться пурпуровим променем. У той же час, ця пластина нагрівається для імітації очікуваного теплового потоку до 350°C.

Томас додає: «Ми хочемо переконатися, що ці деталі стійкі до ерозії, а також зберігають свої оптичні властивості, тобто вони не розкладаються і не темніють, що може мати непрямі наслідки з погляду їхньої теплової поведінки, тому що у нас тонкі наукові прилади, що мають підтримувати задану температуру. Нам також необхідно уникати розшаровування чи виділення газів, що призводять до забруднення».

Ця поточна тестова кампанія є частиною більшої групи, що вивчає аеродинамічне гальмування EnVision, включаючи використання кліматичної бази даних Венери, розробленої на основі результатів попередніх місій, для оцінки локальної мінливості атмосфери планети для встановлення безпечних меж для космічного корабля.

Результати цієї тестової кампанії очікуються наприкінці цього року.

EnVision: зрозуміти, чому найближчий сусід Землі так відрізняється

Про EnVision

EnVision – це місія під керівництвом ЄКА у партнерстві з НАСА, яка забезпечує підтримку радара із синтезованою апертурою, VenSAR та Deep Space Network на критичних етапах місії. Місія використовуватиме безліч інструментів для цілісних спостережень за Венерою від її внутрішнього ядра до верхніх шарів атмосфери, щоб краще зрозуміти, як найближчий сусід Землі в Сонячній системі розвивався так по-різному.

EnVision був обраний Комітетом з наукової програми ЄКА як п’ята місія середнього класу в плані агентства Cosmic Vision, запуск якого намічений на початок 2030-х років.

Дивіться огляди:

-->