欧空局EnVision任务计划让航天器在金星炎热、厚重的大气层中“冲浪”

2022年08月03日 08:22 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

欧空局(ESA)的一个项目--EnVision,是一项前往金星的任务,将对地球的姐妹行星进行光学、光谱和雷达测绘。然而,在开始工作之前,这个面包车大小的航天器需要“空气制动”--降低其轨道,在长达两年的时间里通过该星球的高温厚重的大气层进行数千次飞行。一个独特的欧空局设施目前正在测试候选的航天器材料,以验证它们是否能够安全地承受这种具有挑战性的大气“冲浪”过程。

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欧空局EnVision研究经理Thomas Voirin解释说:“如果没有这个漫长的空气制动阶段,目前设想的EnVision就无法进行。”

“航天器将在非常高的高度进入金星轨道,大约25万公里(约15万英里),然后我们需要下降到500公里(约300英里)高度的极地轨道进行科学操作。搭乘阿丽亚娜62号火箭飞行,我们无法承担降低轨道所需的所有额外推进剂。相反,我们将通过反复穿越金星的上层大气,使自己的速度减慢,低至离表面130公里(80英里)。”

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EnVision的前身航天器,“金星快车”号,在2014年任务的最后几个月进行了实验性的空气制动,收集了关于该技术的宝贵数据。2017年,欧空局的ExoMars Trace Gas Orbiter(TGO)首次在操作上使用空气制动,在11个月的时间里降低其围绕红色星球的轨道。

Thomas指出:“围绕金星的空气制动将比TGO的挑战大得多。首先,金星的重力比火星的重力高10倍左右。这意味着航天器在通过大气层时的速度将是TGO的两倍。因此,EnVision必须以较低的空气制动制度为目标,从而使空气制动阶段的时间增加一倍。”

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“除此之外,我们还将更接近太阳,经历大约两倍于地球的太阳强度,大气层中厚厚的白云将大量的阳光直接反射到太空中,这一点也需要考虑到。然后在所有这些之上,我们意识到我们必须在我们设想的数千个轨道上计算另一个因素,以前只在低地球轨道上经历过:高侵蚀性原子氧。”

在太空时代的头几十年里,这一特殊现象仍然不为人知。直到20世纪80年代初,早期航天飞机飞行从低轨道返回时,工程师们才受到了冲击:航天器的隔热罩已经被严重侵蚀了。

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罪魁祸首原来是高活性的原子氧--在大气层边缘的单个氧原子,是在地面上发现的那种标准氧分子被来自太阳的强大紫外线辐射分解的结果。今天,所有低于约1000公里(约620英里)的任务都需要设计成能够抵御原子氧,例如欧洲观察地球的哥白尼哨兵或为国际空间站建造的任何硬件。

过去的金星轨道飞行器对该行星上方的气光进行的光谱观测证实,原子氧在金星大气层的顶部也很普遍,它比地球周围的空气厚90多倍。

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Thomas说:“浓度相当高,一次通过并不重要,但经过数千次,它开始积累,最终达到我们必须考虑的原子氧通量水平,相当于我们在低地球轨道上经历的,但温度更高。”

EnVision团队求助于欧空局专门为模拟轨道上的原子氧而建造的一个独特的欧洲设施。低地球轨道设施,LEOX,是欧空局材料和电气元件实验室的一部分,位于荷兰的欧空局ESTEC技术中心。

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欧空局材料工程师 Adrian Tighe 解释说:“LEOX以相当于轨道速度的能量水平产生原子氧。净化的分子氧被注入一个真空室,并有一束脉冲激光聚焦到它上面。这将氧气转化为热等离子体,其快速膨胀沿着一个锥形喷嘴被引导。然后它解离,形成一束高能量的原子氧。”

“为了可靠地工作,激光计时必须保持精确到毫秒级,并且在当前测试活动的四个月时间里,定向精度达到千分之一毫米。”

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“这不是该设施第一次被用来模拟地外轨道环境--我们以前曾为欧空局的Juice任务对候选太阳能电池阵列材料进行过原子氧测试,因为望远镜观测表明在欧罗巴和木卫二的大气中会发现原子氧。然而,对于EnVision来说,空气制动过程中的高温度带来了额外的挑战,因此该设施已被调整为模拟这种更极端的金星环境。”

来自EnVision航天器不同部分的一系列材料和涂层,包括多层绝缘材料、天线部件和星际跟踪器元件,被放置在一个板子里,暴露在紫色发光的LEOX光束下。同时,这个板子被加热以模拟预期的热通量,最高可达350°C。

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Thomas补充说:“我们要检查这些部件是否能抵抗被侵蚀,同时保持它们的光学特性--这意味着它们不会退化或变暗,这可能会对它们的热行为产生连锁反应,因为我们有精致的科学仪器,必须保持一个设定的温度。我们还需要避免剥落或放气,这导致了污染。”

目前的这个测试活动是研究EnVision空气制动的一个更大的小组的一部分,包括使用从以前的任务结果中开发的金星气候数据库来估计该星球大气的局部变化,以便为航天器设定安全余量。

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这一测试活动的结果预计将在今年年底公布。

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