金星の10年がもうすぐそこまで来ています。 NASA と欧州宇宙機関 (ESA) によって 計画されており、私たちは隣接する惑星についてこれまで以上に詳しく学ぼうとしています。
しかし、私たちが学ぶのは惑星科学だけではありません。今回は、ESA の EnVision と NASA の VERITAS という 2 つのミッションのおかげで、宇宙船を宇宙空間で制御する方法も学びます。これらのミッションでは、エアロブレーキングと呼ばれる新しい技術を使用して、宇宙船を適切な軌道に乗せる予定です。彼らの科学を行ってください。
私たちは EnVision ミッションのエンジニアや科学者に話を聞き、彼らがどのようにそれを実現する計画があるのか、そしてそこから何を学べるのかを学びました。
大気を利用して減速する
通常、宇宙船を加速するのと同じ方法で、燃料を燃やして減速します。化学推進は、非常に迅速に多くの力を生み出す優れた方法であり、出発地からの打ち上げと目的地の軌道に入る際の両方に必要なものです。
ただし、燃料は非常に重いものでもあります。そして、ロケットの打ち上げに関しては重量が重要です。宇宙船が運ぶ燃料が増えるほど、打ち上げ費用は高くなり、科学機器に使用できる費用は少なくなります。
そのため、過去数十年間、宇宙技術者は宇宙船の速度を下げるためのより効率的な方法を開発してきました。この新しい方法では、燃料を燃やすのではなく、私たちが訪れたいほとんどの場所に存在する雰囲気を利用します。探査機は大気の上端に近づき、大気圏に突入しますが、そこで摩擦により速度がわずかに低下します。その後、宇宙船は再び急降下する前に引き上げられ、数回の急降下で徐々に速度が低下し、時間の経過とともに軌道を下げます。
エアロブレーキと呼ばれるこの方法は、火星の宇宙船で使用されており、地球に帰還する宇宙船でも実験されています。しかし現在、ミッションチームは今後の2つの金星ミッションにもこの技術を使用したいと考えている。
マゼランやビーナス・エクスプレスなどのこれまでの金星探査機は、主な科学研究が完了し、チームがその技術を実験したいと考えていたミッションの最後に、エアロブレーキを使用していました。しかし、エンビジョンとベリタスは、正しい軌道に乗るためにミッションの開始時にエアロブレーキを使用する最初の宇宙船となる。
15ヶ月マラソン
EnVision が金星に到着すると、高度 150,000 マイルの軌道を周回することになります。そして、チームが望む測定値を得るには、地表から 300 マイルまで降下する必要があります。これを行うために、15 か月から 2 年間にわたって何千回も大気圏に突入し、徐々に正しい軌道に移動します。
これには綿密な計画が必要ですが、操作が宇宙船にどのような影響を与えるかを予測するには、大気条件に関する詳細な知識も必要です。エアロブレーキに影響を与える最大の要因は気温、密度、風速であり、これらはすべて金星の大気のさまざまな場所で大きく異なります。
そのため、例えば金星でのエアロブレーキングは火星でのエアロブレーキングよりもはるかに複雑になります。金星は火星よりも重力がはるかに大きいため、宇宙船が大気圏を通過する際にははるかに高い速度が発生することになります。そのため、このプロセスには非常に時間がかかります。
金星の過酷な環境
もう 1 つの課題は、金星が 非常に人を寄せ付けない場所で あり、それが大気にも及ぶことです。金星は地球よりも太陽に近いため、宇宙船が耐える必要があるかなりの熱と太陽放射を受けます。そして、宇宙船がエアロブレーキのために大気圏に降下すると、摩擦によって速度が低下しますが、それによって発熱も発生します。
宇宙船が経験する正確な温度は最終的な設計決定によって決まるが、「最高温度はおそらく摂氏200度か300度」の範囲内になるだろうとエンビジョンの材料科学者エイドリアン・タイ氏は語った。宇宙船は太陽からの紫外線にも対処しなければなりません。 「材料にとってはかなり厳しい環境です。」
しかし、エアロブレーキ中の宇宙船に対する最大の脅威は、熱や放射線ではありません。むしろ、それは上層大気の成分である原子状酸素です。地球上のほとんどの酸素分子は 2 つの酸素原子で構成されていますが、原子状酸素は太陽からの放射線によって分裂したため、酸素原子は 1 つだけです。つまり、反応性が高いため、材料を侵食し、腐食する可能性があります。
これは宇宙船にとって悪いニュースだ。宇宙船は数カ月に及ぶエアロブレーキ段階を乗り越えて科学ミッションを続行できるようにする必要がある。そして、宇宙船は毎秒約 8 マイルの高速で移動するため、文字通りこれらの粒子の衝撃を受けることになります。タイ氏は、問題の原因は「化学反応と衝撃速度の組み合わせ」であり、粒子が「スピードを出した弾丸のように」宇宙船に衝突すると説明した。
金星耐性のある素材を見つける
原子状酸素は金属を酸化する可能性がありますが、ポリマーにとってはさらに悪いことです。これらのプラスチック状の物質は炭素、水素、酸素でできており、原子状酸素と反応して二酸化炭素のような化合物を形成し、蒸発して物質は宇宙に失われます。原子状酸素は、熱を反射するために必要で茶色に変色して効果が薄れる可能性がある白色塗料などの塗料や、多層断熱材と呼ばれる断熱材とも反応する可能性があります。
最大の懸念は宇宙船のソーラーパネルで、あまりにも露出しているためだ。太陽電池は原子状酸素に耐性のあるガラスで覆われていますが、通常は浸食されやすい炭素繊維でできた基板に組み込まれています。もう 1 つの敏感なコンポーネントは、セルとパネルの間の絶縁として使用されるカプトンと呼ばれる薄い箔です。そして、さまざまなセルを接続する薄い箔があり、銀でできていることもありますが、これも繊細です。そこでエンジニアたちは、別の材料を選択するか、原子状酸素への曝露から材料を保護する方法を見つけることに取り組んでいます。
原子状酸素は地球の表面にはあまり存在しませんが、地球周回軌道上には原子状酸素が存在するため、その対処法についてはある程度理解できています。衛星は一定密度の原子状酸素に耐えるように設計されているため、エンジニアは同様の原理を使用して EnVision 宇宙船を設計し、耐性を持たせています。しかし、地球環境にはそのような高温は存在しないため、原子状酸素と高温の組み合わせは新たな挑戦です。
「そのため、最も堅牢な材料を使用する必要がありました」とタイ氏は語った。彼のグループは、断熱材、塗料、ソーラーパネル部品などの材料のテストに忙しく、この厳しい環境に15か月も耐えられる材料を探している。メインミッションを開始します。
科学データを無料で提供
EnVision の主なミッションは、エアロブレーキ操作によって宇宙船が 130 ～ 340 マイルの最終軌道に降下するまで開始されません。しかし、科学者たちは学ぶ機会を逃すことは決してなかったので、研究チームはエアロブレーキ段階でも金星について何が学べるか研究中です。
大気科学者たちは、めったに研究されていない惑星の上層大気を間近で観察できる可能性に興奮している。スペインのアンダルシア天文学研究所の EnVision の科学者ガブリエラ・ギリ氏によると、上層大気は密度の高い下層大気と比べて非常に薄いため、研究は困難です。 「リモートセンシング機器で測定するのは困難です。このような小さな密度を測定するには、機器の精度が十分ではありません」とギリ氏は説明しました。
だからこそ、エアロブレーキ操作はこれほどユニークな科学的機会を提供するのです。科学者は、操縦中に密度や温度などの要素を測定することで、大気の上層領域のより包括的な画像を構築することができます。
「私たちは、地球のあらゆる場所の大気の状態がどのようなものであるかを本当に知りたいと思っています」とギリ氏は言う。しかし現在、金星から得られるデータは限られており、高度に局所的な観測に限定されています。また、日中の大気の振る舞いと夜間の大気の振る舞いには大きな違いがありますが、それは私たちが理解し始めたばかりです。
科学者がこの段階で大気上層に関するデータを入手できれば、それをダヴィンチなどの他のミッションからのデータと比較して、1 つの場所だけでなく、大気全体で何が起こっているかをつなぎ合わせようとすることができます。
状況に合わせて調整する
ただし、エアロブレーキ段階で収集された観察は、科学的に興味深いだけではありません。また、それらは宇宙船チームにもフィードバックされ、例えば大気の一部の密度が予想と異なることが判明した場合、チームは計画されている操縦方法を調整することができる。
「金星の大気は非常に変化しやすいです」とギリ氏は説明しました。これは、金星の温度と密度が複雑に変化することを意味します。 「そして、大気の上層部では変動がさらに大きくなります。」
つまり、宇宙船が金星に到着したら、何が起こるかについて私たちが持っている限られた予測はかなりの調整が必要になる可能性があります。 EnVision StudyマネージャーのThomas Voirin氏によると、宇宙船が遭遇する条件のモデル化は「打ち上げまで継続的な作業」になるという。
そして、発射後であっても、エアロブレーキ操作の調整は反復的なプロセスです。ミッションチームには発見が期待できるもののモデルがあるが、「現実は確かに異なるだろう」とヴォアリン氏は語った。予測からのさまざまな逸脱を許容するために、プロセス全体は広いマージンを持って設計されています。
繊細な段階
惑星間ミッションの打ち上げは困難ですが、金星でのエアロブレーキングは特に困難です。大気の一部の高速回転から、風が速く変動が大きい太陽活動の影響まで、EnVision のような宇宙船が対処しなければならない要因は数多くあります。
「これは非常に挑戦的な段階だ。非常にデリケートな段階だ」とギリ氏は語った。
しかし、それがうまくいけば、宇宙船を軌道に乗せるための新しくてより手頃な方法が実証される可能性がある。つまり、ミッションはより高価にならずに科学の目標に向けてより野心的なものにできるということだ。
このプロセスは長く、研究者や一般の人々の忍耐が必要ですが、金星の惑星科学のやり方を変える可能性があります。
「かなり複雑なことのようですね。なぜそんなことをするのかと思いますか？非常に危険な作戦をなぜ 2 年も費やす必要があるのでしょうか?それは本当にミッションを可能にするからです」とタイ氏は語った。そして本質的に満足できるものもあります。 「大気そのものを利用して軌道に乗ることができるのは、実に見事です。それはそれを行うための巧妙な方法です。」