歐空局（ESA）的一個(gè)項(xiàng)目–EnVision，是一項(xiàng)前往金星的任務(wù)，將對(duì)地球的姐妹行星進(jìn)行光學(xué)、光譜和雷達(dá)測(cè)繪。然而，在開始工作之前，這個(gè)面包車大小的航天器需要“空氣制動(dòng)”–降低其軌道，在長(zhǎng)達(dá)兩年的時(shí)間里通過該星球的高溫厚重的大氣層進(jìn)行數(shù)千次飛行。一個(gè)獨(dú)特的歐空局設(shè)施目前正在測(cè)試候選的航天器材料，以驗(yàn)證它們是否能夠安全地承受這種具有挑戰(zhàn)性的大氣“沖浪”過程。

歐空局EnVision研究經(jīng)理Thomas Voirin解釋說：“如果沒有這個(gè)漫長(zhǎng)的空氣制動(dòng)階段，目前設(shè)想的EnVision就無(wú)法進(jìn)行?！?/p>

“航天器將在非常高的高度進(jìn)入金星軌道，大約25萬(wàn)公里（約15萬(wàn)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(hào)火箭飛行，我們無(wú)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(hào)，在2014年任務(wù)的最后幾個(gè)月進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性的空氣制動(dòng)，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(dòng)，在11個(gè)月的時(shí)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(dòng)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(shí)的速度將是TGO的兩倍。因此，EnVision必須以較低的空氣制動(dòng)制度為目標(biāo)，從而使空氣制動(dòng)階段的時(shí)間增加一倍?！?/p>

“除此之外，我們還將更接近太陽(yáng)，經(jīng)歷大約兩倍于地球的太陽(yáng)強(qiáng)度，大氣層中厚厚的白云將大量的陽(yáng)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(shí)到我們必須在我們?cè)O(shè)想的數(shù)千個(gè)軌道上計(jì)算另一個(gè)因素，以前只在低地球軌道上經(jīng)歷過：高侵蝕性原子氧?！?/p>

在太空時(shí)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(shí)，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?#8211;在大氣層邊緣的單個(gè)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(yáng)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(jì)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?guó)際空間站建造的任何硬件。

過去的金星軌道飛行器對(duì)該行星上方的氣光進(jìn)行的光譜觀測(cè)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?cè)诘偷厍蜍壍郎辖?jīng)歷的，但溫度更高?！?/p>

EnVision團(tuán)隊(duì)求助于歐空局專門為模擬軌道上的原子氧而建造的一個(gè)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(gè)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(gè)錐形噴嘴被引導(dǎo)。然后它解離，形成一束高能量的原子氧?！?/p>

“為了可靠地工作，激光計(jì)時(shí)必須保持精確到毫秒級(jí)，并且在當(dāng)前測(cè)試活動(dòng)的四個(gè)月時(shí)間里，定向精度達(dá)到千分之一毫米?！?/p>

“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(duì)候選太陽(yáng)能電池陣列材料進(jìn)行過原子氧測(cè)試，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡觀測(cè)表明在歐羅巴和木衛(wèi)二的大氣中會(huì)發(fā)現(xiàn)原子氧。然而，對(duì)于EnVision來說，空氣制動(dòng)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?！?/p>

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(gè)板子里，暴露在紫色發(fā)光的LEOX光束下。同時(shí)，這個(gè)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(shí)保持它們的光學(xué)特性–這意味著它們不會(huì)退化或變暗，這可能會(huì)對(duì)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(gè)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(gè)測(cè)試活動(dòng)是研究EnVision空氣制動(dòng)的一個(gè)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(kù)來估計(jì)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(cè)試活動(dòng)的結(jié)果預(yù)計(jì)將在今年年底公布。