Как зонд НАСА DAVINCI выдержит адские условия Венеры

Поскольку это наш ближайший сосед, вы можете себе представить, что у нас есть полное представление о планете Венера. Но вы ошибаетесь. НАСА не посещало планету более 30 лет, и в этом месте так много всего, что мы едва понимаем, от его геологической истории до того, какие породы находятся на его поверхности, что большая часть его окружающей среды, по сути, является загадкой .

Ученые считают, что Венера когда- то была похожа на Землю , но в какой-то момент своей эволюции они разошлись и стали совершенно разными местами, которыми они являются сегодня. Мы знаем, что Венера имеет плотную атмосферу, которая удерживает тепло и делает ее самой горячей планетой в Солнечной системе. И мы знаем, что его поверхность покрыта горами, разломами и вулканами, хотя мы не знаем, действуют ли они до сих пор.

Одна из причин, по которой так много неизвестного о Венере, заключается в том, что ее густая атмосфера скрывает большую часть ее ландшафта из поля зрения, и трудно заглянуть сквозь слои облаков, чтобы увидеть, что находится под ней. Другая причина в том, что это пугающе негостеприимное место. Из-за высоких температур и густой, насыщенной кислотой атмосферы ничто из созданного человеком не продержалось на его поверхности дольше нескольких минут.

Но если мы хотим узнать больше об этой загадочной планете по соседству, нам нужно ее посетить. И это как раз то, что планирует сделать миссия НАСА DAVINCI, сбрасывая зонд через атмосферу, чтобы снимать показания на всем пути вниз, пока он падает на поверхность. Миссия, которая станет одной из трех миссий к Венере в следующем десятилетии, планируется запустить в 2029 году и прибыть к Венере для ее падения через атмосферу в 2031 году.

Чтобы узнать, как построить зонд, чтобы выдержать эту адскую среду, и что мы можем извлечь из этого, мы поговорили с двумя членами команды DAVINCI: Джимом Гарвином, главным исследователем миссии, и Майком Секераком, системным инженером проекта.

Что не так с атмосферой Венеры?

Венера представляет собой рубеж в планетарной науке, о котором очень мало известно, учитывая, насколько она относительно близка к нам. Что происходит под верхним слоем облаков — особенно интригующий вопрос.

«Характеристика атмосферы от верхней части облаков до поверхности — эта большая, массивная атмосфера, 75% массы которой находится в нижних 15–20 километрах — почти не изучена», — сказал Гарвин.

Зонды, отправленные на Венеру в 1960-х и 1970-х годах, пытались собрать данные об атмосфере и добились определенного успеха. Но предыдущие измерения атмосферы были ненадежными из-за физических проблем с предыдущими зондами, таких как забитые входные отверстия и ограниченность доступных технологий. Это привело к некоторым искаженным показаниям, о которых Гарвин говорит: «Некоторые из них не имеют смысла».

В частности, нижняя атмосфера во многих отношениях является загадкой. Это может быть сверхкритическая жидкость, в которой температура и давление настолько велики, что она плещется, как жидкость. Также возникает вопрос о том, как скалы на поверхности планеты взаимодействуют с атмосферой.

А изучение атмосферы и поверхности может помочь ответить на один из самых больших вопросов, которые у нас есть о Венере: были ли когда-то на ее поверхности жидкие водные океаны, и если да, то что с ними случилось?

Две большие проблемы

Венера не самое подходящее место для зонда: там вдвое жарче, чем в духовке, а давление на поверхности выше, чем под километром океана.

«Технические проблемы, с которыми мы сталкиваемся здесь, довольно интересны», — сказал Секерак. Самой большой проблемой для любой потенциальной миссии на Венеру является жара, поскольку температура поверхности может достигать 900 градусов по Фаренгейту (475 градусов по Цельсию). Этого достаточно, чтобы расплавить свинец, и это наносит ущерб электронике.

Однако это только одна часть проблемы, связанной с окружающей средой. «Однако давление не сильно отстает с точки зрения трудностей», — сказал Секерак. Давление на поверхности составляет около 95 бар, что почти в 100 раз превышает атмосферное давление на поверхности Земли, поэтому проектирование зонда для такой среды похоже на строительство подводной лодки.

Когда он будет сброшен в атмосферу, DAVINCI будет участвовать в гонке со временем, чтобы собрать всю необходимую информацию, прежде чем жара и давление разрушат его компоненты. Чтобы зонд оставался активным как можно дольше, он имеет сферическую форму и покрыт толстой титановой оболочкой, чтобы выдерживать давление и изолировать от тепла. Кроме того, внутри этой оболочки есть дополнительная изоляция, сделанная из специальных материалов, включая астрокварц, тип волокна, сделанного из плавленого кварца.

Внутренняя часть спроектирована таким образом, чтобы компоненты были термически изолированы от внешней среды, чтобы предотвратить передачу тепла от корпуса. Затем он заполняется углекислым газом, чтобы защитить высоковольтную электронику от искрения и предотвратить утечку любых газов Земли во время запуска.

В целом зонд, который команда называет нисходящей сферой, имеет диаметр около одного метра. Он будет выпущен с орбитального аппарата с парашютом, чтобы замедлить его спуск, хотя атмосфера помогает в этом, потому что она настолько плотная, что это больше похоже на падение зонда через воду, чем через воздух.

В общей сложности зонду потребуется 63 минуты, чтобы достичь поверхности, и за этот час он соберет как можно больше данных, прежде чем он будет неизбежно уничтожен жестокой окружающей средой.

Выборка полностью вниз

Спускаемая сфера будет падать сквозь атмосферу и отбирать пробы на всем пути вниз, чтобы создать картину атмосферы сверху донизу.

Внутри сферы будут такие приборы, как спектрометры, подобные приборам на марсоходах Curiosity и Perseverance, которые могут измерять химический состав образцов, глядя на длины волн света, которые они поглощают. Но в отличие от марсоходов, у которых на сбор и тщательный анализ образца могут уйти часы или дни, DAVINCI придется делать его отбор и анализ за считанные минуты.

В разных точках сферы есть впускные клапаны с керамическими крышками, которые отрываются при попадании газов. Эти газы должны быть проанализированы очень быстро, а затем удалены, чтобы можно было взять больше проб. Это позволит зонду получить наиболее детальное представление о химическом составе атмосферы во всех ее слоях.

Пока это происходит, другие датчики в зонде будут измерять такие факторы, как температура и давление, чтобы помочь понять структуру атмосферы. Затем все эти данные будут отправлены обратно на орбитальный аппарат до того, как зонд упадет на поверхность.

Зонд предназначен только для отбора проб в атмосферу, а не на землю. Но когда он коснется поверхности, есть вероятность, что он выживет. Плотная атмосфера и парашют помогут замедлить его спуск, но «он определенно столкнется со скоростью, которая, ммм, не идеальна для оборудования для космических полетов», — со смехом сказал Секерак.

Однако, если зонд выдержит посадку, сбор данных может продолжаться до 20 минут, прежде чем тепло пропитает сферу и поджарит электронику. И это будет еще больше бонусных данных о температуре и давлении на поверхности, а также о присутствующих газах.

Понимание химии атмосферы — это только часть целей DAVINCI. Другая часть, которая может быть самой захватывающей для публики, — это фотографирование таинственной венерианской поверхности.

Венера в человеческом масштабе

Зонд приземлится «в горах Венеры, на такой местности, которую человечество никогда раньше не видело», сказал Гарвин. И команда хочет записать этот опыт не только химически, но и визуально.

На нисходящей сфере также будет камера, которая будет делать высококонтрастные изображения поверхности, которые затем могут быть преобразованы в 3D-карты.

Однако, чтобы камера работала внутри металлической сферы, вам нужно окно. А стекло — не лучший материал для работы в условиях сильного давления. Поэтому окно DAVINCI будет сделано не из стекла, а из сапфира.

«Это буквально очень, очень большой кусок сапфира», — сказал Секерак. «Потому что у него отличные оптические свойства». Он очень сильный, но в то же время очень четкий, поэтому не искажает изображения, снятые через него. Но неизбежно, что окно, которое пропускает свет, также пропускает больше тепла, поэтому инженеры добавили материалы с фазовым переходом вокруг оконной сборки. Этот материал плавится при определенной температуре, чтобы поглощать избыточное тепло от окна.

Это позволит камере делать четкие и четкие снимки во время спуска. Они будут использоваться для фотографирования местности Венеры, с высоты и до самой поверхности.

«Наши окончательные изображения будут иметь разрешение 10 сантиметров», — сказал Гарвин. «Это масштаб, который вы бы увидели, глядя на свою гостиную».

Гарвин надеется, что помимо предоставления множества научных данных, захват изображений в таком масштабе поможет людям почувствовать, что они могут видеть Венеру как реальное место, а не просто точку, которую можно наблюдать издалека.

«Мы хотим перенести человеческое зрение и наше сенсорное восприятие на Венеру», — сказал он. «Мы начнем ощущать Венеру в человеческом масштабе».

Тестирование на неизвестность

Настоящая сложная часть миссии на Венеру связана даже не с известными нам проблемами, такими как температура и давление. Он пытается предвидеть, какие проблемы могут возникнуть в среде, о которой у нас так мало информации.

Вот почему тестирование и подготовка станут важной частью работы команды DAVINCI в течение следующих семи лет в рамках подготовки к запуску, запланированному на 20219 год.

«Мы проводим тестирование в наихудшем случае», — объяснил Секерак. «Поэтому мы проверяем, какой может быть наихудшая среда».

Например, исследователи знают, что в облаках Венеры есть капли серной кислоты, а серная кислота разъедает материалы. Особую заботу вызывает кевларовый строп, которым десантная сфера крепится к парашюту. Таким образом, чтобы проверить, может ли строп выдерживать кислую среду, инженеры не просто помещают его в несколько капель кислоты — они покрывают всю поверхность кислотой, а затем проверяют силу натяжения стропа, чтобы убедиться, что он может продержаться достаточно долго. провести зонд через атмосферу даже в самом худшем случае.

Что касается того, как вы тестируете оборудование в условиях, столь непохожих на Землю, вы должны проявить творческий подход. Чтобы узнать, сколько времени потребуется, чтобы металлическая сфера нагрелась, команда отнесла ее в литейный цех. «Их работа — плавить металл, — сказал Секерак. «И мы поместили туда наши приборы, чтобы попрактиковаться в нагревании, чтобы измерить этот тепловой поток».

Идея состоит в том, чтобы создать достаточный запас в каждой критической системе, чтобы учесть любые неизвестные, которые планета может бросить в сферу. Гарвин объяснил: «Мы вложили в то, как мы это делаем, много инженерных идей и средств для снижения рисков».

Это даже влияет на способ сбора данных. «Если у нас будет хороший день на Венере, мы, вероятно, получим 500 снимков спуска», — сказал он. «Если у нас будет самый худший день, известный человечеству, мы, вероятно, вернем 35. Но 35 — это больше, чем нам нужно для такого картографирования». Конечно, чем больше изображений, тем больше информации, а это предпочтительнее, поскольку позволяет больше научных данных. Но даже в худших условиях они узнают бесценную информацию.

Всегда чему-то новому учиться

Посещение Венеры — это огромный вызов даже по амбициозным стандартам больших космических миссий. Но потенциальная отдача с точки зрения того, что мы можем узнать, огромна.

Изучение Венеры будет увлекательным само по себе. Но это также важно для нашего понимания экзопланет. Поскольку такие миссии, как космический телескоп Джеймса Уэбба, открывают и исследуют новые планеты за пределами нашей Солнечной системы, нам понадобится точка отсчета для скалистых планет, таких как Земля, Марс и Венера.

У нас есть довольно четкое представление об основных характеристиках Земли и Марса, и, добавляя данные с Венеры, мы сможем гораздо лучше понять далекие планеты.

«Венера станет точкой калибровки для больших, скалистых планет с атмосферой, которые мы сможем увидеть и понять с помощью Уэбба и больших телескопов», — сказал Гарвин.

И, конечно же, самый человеческий инстинкт — учиться, исследовать и путешествовать по новым местам. «Это одна из причин, почему мне нравится работать над этими миссиями по исследованию космоса — мы отправляемся в места, о которых мало что знаем», — сказал Секерак.

Мы многое узнали о строительстве для окружающей среды Земли и Марса, и теперь мы можем взять часть этих знаний и применить их где-нибудь еще. Строительство для этой среды расширит наши технологии, и посещение ее с помощью зонда может начать разгадывать некоторые из ее тайн. Как сказал Секерак, при посещении новой космической среды «всегда есть что-то новое, чему можно научиться».