歐空局EnVision研究經(jīng)理Thomas Voirin解釋說：“如果沒有這個漫長的空氣制動階段，目前設(shè)想的EnVision就無法進(jìn)行。”

【資料圖】

“航天器將在非常高的高度進(jìn)入金星軌道，大約25萬公里（約15萬英里），然后我們需要下降到500公里（約300英里）高度的極地軌道進(jìn)行科學(xué)操作。搭乘阿麗亞娜62號火箭飛行，我們無法承擔(dān)降低軌道所需的所有額外推進(jìn)劑。相反，我們將通過反復(fù)穿越金星的上層大氣，使自己的速度減慢，低至離表面130公里（80英里）。”

EnVision的前身航天器，“金星快車”號，在2014年任務(wù)的最后幾個月進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性的空氣制動，收集了關(guān)于該技術(shù)的寶貴數(shù)據(jù)。2017年，歐空局的ExoMars Trace Gas Orbiter（TGO）首次在操作上使用空氣制動，在11個月的時間里降低其圍繞紅色星球的軌道。

Thomas指出：“圍繞金星的空氣制動將比TGO的挑戰(zhàn)大得多。首先，金星的重力比火星的重力高10倍左右。這意味著航天器在通過大氣層時的速度將是TGO的兩倍。因此，EnVision必須以較低的空氣制動制度為目標(biāo)，從而使空氣制動階段的時間增加一倍。”

“除此之外，我們還將更接近太陽，經(jīng)歷大約兩倍于地球的太陽強(qiáng)度，大氣層中厚厚的白云將大量的陽光直接反射到太空中，這一點(diǎn)也需要考慮到。然后在所有這些之上，我們意識到我們必須在我們設(shè)想的數(shù)千個軌道上計算另一個因素，以前只在低地球軌道上經(jīng)歷過：高侵蝕性原子氧。”

在太空時代的頭幾十年里，這一特殊現(xiàn)象仍然不為人知。直到20世紀(jì)80年代初，早期航天飛機(jī)飛行從低軌道返回時，工程師們才受到了沖擊：航天器的隔熱罩已經(jīng)被嚴(yán)重侵蝕了。

罪魁禍?zhǔn)自瓉硎歉呋钚缘脑友?-在大氣層邊緣的單個氧原子，是在地面上發(fā)現(xiàn)的那種標(biāo)準(zhǔn)氧分子被來自太陽的強(qiáng)大紫外線輻射分解的結(jié)果。今天，所有低于約1000公里（約620英里）的任務(wù)都需要設(shè)計成能夠抵御原子氧，例如歐洲觀察地球的哥白尼哨兵或?yàn)閲H空間站建造的任何硬件。

過去的金星軌道飛行器對該行星上方的氣光進(jìn)行的光譜觀測證實(shí)，原子氧在金星大氣層的頂部也很普遍，它比地球周圍的空氣厚90多倍。

Thomas說：“濃度相當(dāng)高，一次通過并不重要，但經(jīng)過數(shù)千次，它開始積累，最終達(dá)到我們必須考慮的原子氧通量水平，相當(dāng)于我們在低地球軌道上經(jīng)歷的，但溫度更高。”

EnVision團(tuán)隊求助于歐空局專門為模擬軌道上的原子氧而建造的一個獨(dú)特的歐洲設(shè)施。低地球軌道設(shè)施，LEOX，是歐空局材料和電氣元件實(shí)驗(yàn)室的一部分，位于荷蘭的歐空局ESTEC技術(shù)中心。

歐空局材料工程師 Adrian Tighe 解釋說：“LEOX以相當(dāng)于軌道速度的能量水平產(chǎn)生原子氧。凈化的分子氧被注入一個真空室，并有一束脈沖激光聚焦到它上面。這將氧氣轉(zhuǎn)化為熱等離子體，其快速膨脹沿著一個錐形噴嘴被引導(dǎo)。然后它解離，形成一束高能量的原子氧。”

“為了可靠地工作，激光計時必須保持精確到毫秒級，并且在當(dāng)前測試活動的四個月時間里，定向精度達(dá)到千分之一毫米。”

“這不是該設(shè)施第一次被用來模擬地外軌道環(huán)境--我們以前曾為歐空局的Juice任務(wù)對候選太陽能電池陣列材料進(jìn)行過原子氧測試，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡觀測表明在歐羅巴和木衛(wèi)二的大氣中會發(fā)現(xiàn)原子氧。然而，對于EnVision來說，空氣制動過程中的高溫度帶來了額外的挑戰(zhàn)，因此該設(shè)施已被調(diào)整為模擬這種更極端的金星環(huán)境。”

來自EnVision航天器不同部分的一系列材料和涂層，包括多層絕緣材料、天線部件和星際跟蹤器元件，被放置在一個板子里，暴露在紫色發(fā)光的LEOX光束下。同時，這個板子被加熱以模擬預(yù)期的熱通量，最高可達(dá)350°C。

Thomas補(bǔ)充說：“我們要檢查這些部件是否能抵抗被侵蝕，同時保持它們的光學(xué)特性--這意味著它們不會退化或變暗，這可能會對它們的熱行為產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，因?yàn)槲覀冇芯碌目茖W(xué)儀器，必須保持一個設(shè)定的溫度。我們還需要避免剝落或放氣，這導(dǎo)致了污染。”

目前的這個測試活動是研究EnVision空氣制動的一個更大的小組的一部分，包括使用從以前的任務(wù)結(jié)果中開發(fā)的金星氣候數(shù)據(jù)庫來估計該星球大氣的局部變化，以便為航天器設(shè)定安全余量。

這一測試活動的結(jié)果預(yù)計將在今年年底公布。