Préparer un vaisseau spatial pour surfer dans l’atmosphère de Vénus

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28/07/2022
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La mission EnVision de l’ESA vers Vénus transportera des images optiques, spectrales et radar de la planète sœur de la Terre. Mais avant qu’il ne se mette au travail, le vaisseau spatial doit avoir la taille d’un “aérofrein” de camionnette – abaissant son orbite de milliers de passages à travers l’atmosphère chaude et épaisse de la planète pendant jusqu’à deux ans. Une installation unique de l’ESA teste actuellement des matériaux candidats pour les engins spatiaux afin de vérifier qu’ils peuvent résister en toute sécurité à ce processus difficile de surf atmosphérique.

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« EnVision tel qu’il est actuellement conçu ne peut se faire sans cette longue phase d’aérofreinage », explique Thomas Voirin, responsable de recherche EnVision à l’ESA.

“L’engin spatial va être injecté sur l’orbite de Vénus à très haute altitude, environ 250 000 km, puis il faut se rendre sur une orbite polaire de 500 km pour des opérations scientifiques. Si on vole sur une Ariane 62, on ne peut pas déjà imaginez vous permettre le propulseur supplémentaire nécessaire pour abaisser notre orbite, au lieu de cela, nous ralentirons par des passages répétés à travers la haute atmosphère de Vénus, qui descendent jusqu’à 80 miles (80 km) de la surface.

EnVision sera « aérocassé » à travers l’atmosphère de Vénus

Le prédécesseur d’EnVision, Venus Express, a mené un aérofreinage expérimental au cours des derniers mois de sa mission en 2014 et a recueilli des données précieuses sur la technique. L’aérofreinage a été utilisé pour la première fois en 2017 par l’ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) de l’ESA pour abaisser son orbite autour de la planète rouge sur une période de 11 mois.

Thomas note : « L’aérofreinage autour de Vénus sera beaucoup plus difficile que pour TGO. Pour commencer, la gravité de Vénus est environ 10 fois supérieure à celle de Mars. Cela signifie que le vaisseau spatial connaîtra des vitesses environ deux fois plus élevées que pour TGO lors de son passage dans l’atmosphère – et la chaleur est générée sous forme de cube de vitesse. En conséquence, EnVision devrait se concentrer sur un régime d’aérofreinage inférieur, ce qui entraînerait une phase d’aérofreinage deux fois plus longue.

Échantillons pour aérofreinage simulé

“De plus, nous serons également beaucoup plus proches du soleil, à environ le double de l’intensité solaire de celle de la Terre, les épais nuages ​​​​blancs de l’atmosphère reflétant beaucoup de lumière solaire directement dans l’espace, ce qui doit également être. De plus, nous réalisé que nous devions prendre en compte un autre facteur à travers les milliers d’orbites que nous envisageons, auparavant uniquement expérimenté en orbite terrestre basse : l’oxygène atomique hautement érosif.

C’est un phénomène resté inconnu dans les premières décennies de l’ère spatiale. Ce n’est que lorsque les premiers vols de la navette spatiale sont revenus de l’orbite terrestre basse au début des années 1980 que les ingénieurs ont reçu un choc : les couvertures thermiques du vaisseau spatial ont été gravement dégradées.

Navette incandescente d’oxygène atomique

Le coupable s’est avéré être l’oxygène atomique hautement réactif – des atomes d’oxygène individuels au bord de l’atmosphère, le résultat de molécules d’oxygène standard du type trouvées juste au-dessus du sol et brisées par un puissant rayonnement ultraviolet du soleil. Aujourd’hui, toutes les missions en dessous d’environ 1000 km doivent être conçues pour résister à l’oxygène atomique, comme les Sentinelles Copernicus d’observation de la Terre en Europe ou d’autres matériels construits pour la Station spatiale internationale.

Les observations spectrales par les anciens orbiteurs vénusiens de la lueur de l’air au-dessus de la planète confirment que l’oxygène atomique est également répandu au sommet de l’atmosphère vénusienne, qui est plus de 90 fois plus épaisse que l’air ambiant de la Terre.

Générateur d’oxygène atomique

Thomas dit : “La concentration est assez élevée, avec un seul passage, cela n’a pas beaucoup d’importance, mais après des milliers de fois, cela commence à s’accumuler et se termine par un niveau de débit d’oxygène atomique que nous devons prendre en compte, égal à ce que nous vivons sur une orbite terrestre basse, mais à des températures plus élevées.

L’équipe EnVision s’est tournée vers une installation européenne unique construite spécifiquement par l’ESA pour simuler l’oxygène atomique en orbite. L’installation en orbite terrestre basse, LEOX, fait partie du Laboratoire des matériaux et des composants électriques de l’Agence, situé dans le centre technique de l’ESA, l’ESTEC aux Pays-Bas.

Échantillons exposés à l’oxygène atomique

Adrian Tighe, ingénieur en matériaux à l’ESA, explique : « LEOX génère de l’oxygène atomique à des niveaux d’énergie égaux à sa vitesse orbitale. De l’oxygène moléculaire purifié est injecté dans une chambre à vide surmontée d’un faisceau laser pulsé. Celui-ci convertit l’oxygène en un plasma chaud dont l’expansion rapide est passée à travers une buse conique. Il se dissocie ensuite pour former un faisceau hautement énergétique d’oxygène atomique.

“Pour fonctionner de manière fiable, la synchronisation laser doit rester précise à l’échelle de la milliseconde et se concentrer sur une précision mesurée en millièmes de millimètre, sur la durée de quatre mois de cette campagne de test actuelle.

“Ce n’est pas la première fois que l’installation est utilisée pour simuler un environnement orbital extraterrestre – nous avons déjà effectué des tests d’oxygène atomique sur des panneaux solaires candidats pour la mission Juice de l’ESA, car les observations télescopiques suggèrent que l’oxygène atomique sera libéré dans l’atmosphère .” trouvé d’Europe et de Ganymède, mais la température élevée pendant l’aérofreinage pose un défi supplémentaire pour EnVision, de sorte que l’installation a été modifiée pour simuler cet environnement vénusien plus extrême.

Monstres vus en infrarouge

Une gamme de matériaux et de revêtements provenant de diverses parties du vaisseau spatial EnVision, y compris une isolation multicouche, des composants d’antenne et des éléments de suivi d’étoiles, sont placés dans une plaque pour être exposés au faisceau LEOX rougeoyant violet. En parallèle, cette plaque est chauffée pour simuler le flux thermique attendu, jusqu’à 350°C.

Thomas ajoute : “Nous voulons vérifier que ces pièces résistent à l’érosion et conservent également leurs propriétés optiques, c’est-à-dire qu’elles ne se dégradent pas ou ne s’assombrissent pas, ce qui peut avoir un effet d’entraînement sur leur comportement thermique, car nous utilisons des instruments scientifiques délicats. qui maintiennent une température définie, nous devons également éviter l’entartrage ou le dégazage, ce qui entraîne une contamination. »

Cette campagne de test actuelle fait partie d’un panel plus large étudiant l’aérofreinage EnVision, y compris l’utilisation d’une base de données climatique Venus développée à partir des résultats de missions antérieures pour estimer la variabilité locale de l’atmosphère de la planète afin de fournir des marges de sécurité pour le vaisseau spatial.

Les résultats de cette campagne d’essais sont attendus pour la fin de cette année.

EnVision : comprendre pourquoi le voisin le plus proche de la Terre est si différent

À propos d’EnVision

EnVision est une mission dirigée par l’ESA en partenariat avec la NASA, fournissant son instrument de radar à synthèse d’ouverture, VenSAR et Deep Space Network pour les phases critiques de la mission. EnVision utilisera une gamme d’instruments pour effectuer des observations holistiques de Vénus, du noyau interne à la haute atmosphère, afin de mieux comprendre comment le voisin le plus proche de la Terre dans le système solaire a évolué si différemment.

EnVision a été sélectionné par le comité du programme scientifique de l’ESA comme cinquième mission moyenne du plan Cosmic Vision de l’Agence, avec un lancement prévu au début des années 2030.

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