La mission EnVision de l'ESA vers Vénus effectuera une cartographie optique, spectrale et radar de la planète sœur de la Terre. Mais avant de se mettre au travail, le vaisseau spatial de la taille d'une camionnette doit "aérofreiner" - abaisser son orbite avec des 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.

"EnVision tel qu'il est actuellement conçu ne peut se faire sans cette longue phase d'aérofreinage", explique Thomas Voirin, responsable de l'étude EnVision à l'ESA.

"Le vaisseau spatial sera injecté sur l'orbite de Vénus à très haute altitude, à environ 250 000 km, puis nous devons descendre sur une orbite polaire à 500 km d'altitude pour des opérations scientifiques. Voler sur une Ariane 62, nous ne pouvons pas nous permettre tout le propulseur supplémentaire il faudrait pour abaisser notre orbite. Au lieu de cela, nous nous ralentirons par des passages répétés à travers la haute atmosphère de Vénus, venant aussi bas que 130 km de la surface."

Le vaisseau spatial prédécesseur d'EnVision, Venus Express, a effectué un aérofreinage expérimental au cours des derniers mois de sa mission en 2014, recueillant 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 va être beaucoup plus difficile que pour TGO. Pour commencer, la gravité de Vénus est environ 10 fois supérieure à celle de Mars. Cela signifie que des vitesses environ deux fois plus élevées que pour TGO seront expérimentées par l'engin spatial lorsqu'il traverse l'atmosphère, et la chaleur est générée sous la forme d'un cube de vitesse. Par conséquent, EnVision doit cibler un régime d'aérofreinage plus faible, ce qui entraîne une phase d'aérofreinage deux fois plus longue.

"En plus de cela, nous allons également être beaucoup plus proches du Soleil, connaissant 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 En plus de tout cela, nous avons réalisé que nous devions compter avec un autre facteur sur les milliers d'orbites que nous envisageons, auparavant uniquement expérimentées en orbite terrestre basse :l'oxygène atomique hautement érosif."

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

Le coupable s'est avéré être l'oxygène atomique hautement réactif - des atomes d'oxygène individuels aux franges de l'atmosphère, le résultat de molécules d'oxygène standard du type trouvé juste au-dessus du sol étant brisées par un puissant rayonnement ultraviolet du Soleil. Aujourd'hui, toutes les missions inférieures à environ 1 000 km doivent être conçues pour résister à l'oxygène atomique, comme les Sentinelles Copernnicus d'observation de la Terre en Europe ou tout autre matériel construit pour la Station spatiale internationale.

Les observations spectrales par les anciens orbiteurs de Vénus 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 environnant de la Terre.

Thomas dit:"La concentration est assez élevée, avec un passage cela n'a pas tellement d'importance mais au fil des milliers de fois, elle commence à s'accumuler et se termine par un niveau de fluence d'oxygène atomique dont nous devons tenir compte, équivalent à ce que nous expérience en orbite terrestre basse, mais à des températures plus élevées."

L'équipe EnVision s'est tournée vers une installation européenne unique spécialement construite 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, basé au centre technique ESTEC de l'ESA aux Pays-Bas.

Adrian Tighe, ingénieur en matériaux à l'ESA, explique :« LEOX génère de l'oxygène atomique à des niveaux d'énergie équivalents à la vitesse orbitale. De l'oxygène moléculaire purifié est injecté dans une chambre à vide sur laquelle est focalisé un faisceau laser pulsé. Cela convertit l'oxygène en un plasma chaud dont la vitesse l'expansion est canalisée le long d'une tuyère conique. Elle se dissocie ensuite pour former un faisceau d'oxygène atomique hautement énergétique.

"Pour fonctionner de manière fiable, la synchronisation laser doit rester précise à l'échelle de la milliseconde et dirigée avec une précision mesurée en millièmes de millimètre, tout au long de 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 matériaux de panneaux solaires candidats pour la mission Juice de l'ESA, car les observations télescopiques suggèrent que l'oxygène atomique sera trouvé dans les atmosphères d'Europe et de Ganymède. Cependant, pour EnVision, la température élevée pendant l'aérofreinage pose un défi supplémentaire, de sorte que l'installation a été adaptée pour simuler cet environnement vénusien plus extrême."

Une gamme de matériaux et de revêtements provenant de différentes parties du vaisseau spatial EnVision, y compris une isolation multicouche, des pièces d'antenne et des éléments de suivi d'étoiles, sont placés dans une plaque pour être exposés au faisceau LEOX rougeoyant pourpre. En même temps cette plaque est chauffée pour imiter 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 noircissent pas, ce qui pourrait avoir des répercussions sur leur comportement thermique, car nous avons des instruments scientifiques qui doivent maintenir une température définie. Nous devons également éviter l'écaillage ou le dégazage, qui conduisent à la contamination."

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

Les résultats de cette campagne d'essais sont attendus pour la fin de cette année. + Explorer plus loin

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