ESA:s EnVision-uppdrag till Venus kommer att utföra optisk, spektral och radarkartering av jordens systerplanet. Men innan du börjar arbeta måste rymdfarkosten av skåpbilsstorlek "aerobromsa" - sänka sin omloppsbana med tusentals passager genom planetens heta, tjocka atmosfär i upp till två år. En unik ESA-anläggning testar för närvarande kandidatmaterial för rymdfarkoster för att kontrollera att de säkert tål denna utmanande process av atmosfärisk surfing.

"EnVision som den för närvarande är tänkt kan inte ske utan denna långa fas av flygbromsning", förklarar ESA:s EnVision studieledare Thomas Voirin.

"Rymdfarkosten kommer att injiceras i Venus omloppsbana på mycket hög höjd, på cirka 250 000 km, sedan måste vi komma ner till en 500 km höjd polarbana för vetenskapliga operationer. När vi flyger på en Ariane 62 har vi inte råd med allt extra drivmedel det skulle ta att sänka vår omloppsbana. Istället kommer vi att sakta ner oss genom upprepade pass genom Venus övre atmosfär, som kommer så lågt som 130 km från ytan."

EnVisions föregångare, Venus Express, utförde experimentell aerobromsning under de sista månaderna av sitt uppdrag 2014 och samlade in värdefull data om tekniken. Aerobromsning användes operativt för första gången 2017 av ESA:s ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) för att sänka sin omloppsbana runt den röda planeten under en 11 månaders period.

Thomas noterar:"Aerobromsning runt Venus kommer att bli mycket mer utmanande än för TGO. Till att börja med är Venus gravitation cirka 10 gånger högre än Mars. Detta innebär att hastigheter som är ungefär dubbelt så höga som för TGO kommer att upplevas av rymdfarkosten när den passerar genom atmosfären – och värme alstras som en hastighetskub. Följaktligen måste EnVision inrikta sig på en lägre flygbromsning, vilket resulterar i en flygbromsningsfas som är dubbelt så lång.

"Utöver det kommer vi också att vara mycket närmare solen och uppleva ungefär dubbelt så mycket solintensitet som jordens, med de tjocka vita molnen i atmosfären som reflekterar mycket solljus direkt tillbaka till rymden, vilket dessutom måste vara Utöver allt detta insåg vi att vi var tvungna att räkna med en annan faktor över de tusentals banor vi föreställer oss, som tidigare bara upplevts i låg omloppsbana om jorden:mycket erosivt atomärt syre."

Detta är ett fenomen som förblev okänt under de första decennierna av rymdåldern. Det var först när tidiga rymdfärjor återvände från låg omloppsbana i början av 1980-talet som ingenjörer fick en chock:rymdfarkostens termiska filtar hade eroderats allvarligt.

Boven visade sig vara mycket reaktivt atomärt syre - individuella syreatomer i utkanten av atmosfären, resultatet av att standardsyremolekyler av det slag som finns precis ovanför marken bryts isär av kraftfull ultraviolett strålning från solen. Idag måste alla uppdrag under cirka 1 000 km utformas för att motstå atomärt syre, såsom Europas jordbevakande Copernnicus Sentinels eller annan hårdvara byggd för den internationella rymdstationen.

Spektralobservationer från tidigare Venus-omloppsbanor av luftglöd ovanför planeten bekräftar att atomärt syre också är utbrett på toppen av Venus-atmosfären, som är mer än 90 gånger tjockare än jordens omgivande luft.

Thomas säger:"Koncentrationen är ganska hög, med ett pass spelar det inte så stor roll men över tusentals gånger börjar det ackumuleras och slutar med en nivå av atomär syrefluens vi måste ta hänsyn till, motsvarande vad vi erfarenhet i låg omloppsbana om jorden, men vid högre temperaturer."

EnVision-teamet vände sig till en unik europeisk anläggning speciellt byggd av ESA för att simulera atomärt syre i omloppsbana. Low Earth Orbit Facility, LEOX, är en del av byråns laboratorium för material och elektriska komponenter, baserat på ESA:s tekniska center ESTEC i Nederländerna.

ESA:s materialingenjör Adrian Tighe förklarar:"LEOX genererar atomärt syre vid energinivåer som motsvarar omloppshastigheten. Renat molekylärt syre injiceras i en vakuumkammare med en pulserande laserstråle fokuserad på den. Detta omvandlar syret till en varm plasma vars snabba expansionen kanaliseras längs ett koniskt munstycke. Det dissocierar sedan för att bilda en mycket energisk stråle av atomärt syre.

"För att fungera tillförlitligt måste lasertimingen vara exakt i millisekundsskala och riktad till en noggrannhet mätt i tusendelar av en millimeter, under hela den fyra månader långa varaktigheten av denna pågående testkampanj.

"Det här är inte första gången som anläggningen har använts för att simulera en utomjordisk omloppsmiljö – vi har tidigare utfört atomärt syretest på kandidatmaterial från solpaneler för ESA:s Juice-uppdrag, eftersom teleskopiska observationer tyder på att atomärt syre kommer att finnas i atmosfären. av Europa och Ganymede. Men för EnVision utgör den förhöjda temperaturen under aerobromsning en ytterligare utmaning, så anläggningen har anpassats för att simulera denna mer extrema venusiska miljö."

En rad material och beläggningar från olika delar av rymdfarkosten EnVision, inklusive flerskiktsisolering, antenndelar och stjärnspårningselement, placeras i en platta för att exponeras för den lila-glödande LEOX-strålen. Samtidigt värms plattan upp för att efterlikna det förväntade termiska flödet, upp till 350°C.

Thomas tillägger:"Vi vill kontrollera att dessa delar är motståndskraftiga mot att eroderas, och även bibehålla sina optiska egenskaper - vilket innebär att de inte försämras eller mörknar, vilket kan ha en negativ effekt på deras termiska beteende, eftersom vi har känsliga vetenskapliga instrument som måste hålla en inställd temperatur. Vi måste också undvika flagning eller utgasning, vilket leder till kontaminering."

Den här aktuella testkampanjen är en del av en större panel som undersöker EnVision aerobromsning, inklusive användningen av en Venus klimatdatabas som utvecklats från tidigare uppdragsresultat för att uppskatta den lokala variationen i planetens atmosfär för att sätta säkra marginaler för rymdfarkosten.

Resultaten av denna testkampanj väntas i slutet av detta år. + Utforska vidare

Ny automatisk kontrollteknik använder rymdfarkostsolpaneler för att nå önskad omloppsbana vid Mars