ЭКА

Внешние газовые планеты Юпитер и Сатурн и особенно внешние ледяные гиганты Уран и Нептун уже давно признаны целью высокоприоритетной исследовательской миссии. Эти холодные, плотные тела не похожи ни на одну другую планету нашей Солнечной системы: они исследованы последними и наименее изучены. Их атмосфера состоит в основном из водорода (H2), гелия (He) и, в случае Нептуна, из следов метана (CH4). Миссия к одному или нескольким из этих ледяных гигантских тел внесет значительный вклад в углубление нашего понимания формирования и эволюции Солнечной системы и других экзопланетных систем. ЕКА готовит технологии аэротермодинамических испытаний для высокоскоростных полетов на внешние, гигантские, ледяные и газовые планеты для таких будущих миссий.

Научные достоинства ледяных гигантов были рекомендованы на международном уровне в рамках Десятилетнего исследования планетарных наук НАСА 2023–2032 годов и программы ЕКА «Вояж 2050». Атмосферный зонд с установленными на месте приборами к любому из ледяных гигантов был помечен как высокоприоритетная миссия и может быть предусмотрен в рамках научной миссии ЕКА (M) среднего класса.

В двух исследованиях ESA CDF, проведенных в 2019 году, изучался потенциальный вклад ЕКА в миссию под руководством НАСА к Урану или Нептуну и газовому гиганту Сатурну. Подобно партнерству в рамках миссии «Кассини-Гюйгенс», где ЕКА предоставило зонд «Гюйгенс», эта миссия окажет значительное влияние на европейское планетарное научное сообщество в целом. Потенциальная возможность запуска существует в начале 2030-х годов, когда пролет Юпитера позволит получить доступ к нескольким планетам. Недавно ученые-планетологи НАСА также заявили, что миссия на Уран является приоритетной возможностью в будущем.

Прежде чем рассматривать какую-либо миссию, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять аэротермическую среду входа ледяного гиганта. Любой спускающийся космический корабль будет подвергаться сильному нагреву при погружении в холодную и плотную атмосферу со скоростью входа около 23 км/с для миссии Урана или Нептуна и около 27 км/с для миссии Сатурна. Система тепловой защиты космического корабля должна будет защищать драгоценную полезную нагрузку от экстремального нагрева. Скорость нагрева будет на несколько порядков выше, чем у любой миссии, проводимой в настоящее время ЕКА. «Целью деятельности была адаптация существующей наземной установки для моделирования соответствующих атмосферных условий H2/He/CH4 на зонде в наземных испытательных установках, которые еще не были доступны в Европе, и не существует плазменной установки для моделирования H2/He. /CH4», — объясняет Луис Уолпот, технический директор этого направления.

В рамках совместной деятельности по снижению рисков, финансируемой Германией, Великобританией и ЕКА GSTP, Группа диагностики высокоэнтальпийных потоков (HEFDiG) в Институте космических систем (IRS) Штутгартского университета и гиперзвуковая группа Оксфордского университета адаптировали свои соответствующие наземные испытательные установки. .

Оксфордский туннель T6 Stalker, расположенный в Оксфордском университете, моделировал высокоскоростную аэротермодинамическую радиационную динамику газа и исследовал конвективные тепловые потоки в репрезентативной среде H2/He/CH4. Это самая быстрая в Европе аэродинамическая труба, обеспечивающая гиперзвуковую, многорежимную и аэротермодинамическую испытательную установку, основанную на конструкции покойного профессора Рэя Сталкера.

«Туннель способен измерять как конвекционный, так и радиационный тепловой поток и критически обеспечивать необходимые скорости потока для воспроизведения входа ледяного гиганта со следами CH4. Сам туннель оснащен приводом со свободным поршнем, который может быть соединен с несколькими различными компонентами, расположенными ниже по потоку, и превращаться в ударную трубу, отраженный ударный туннель или расширительную трубку. Эта адаптивность позволяет проводить широкий спектр испытаний: от тестирования подмасштабного моделирования до исследования фундаментальных процессов высокоскоростного потока», — добавляет Луи Уолпот.

Аналогично, взаимодействие поверхности газа на абляторах изучается в плазменной аэродинамической трубе PWK1 в IRS. PWK1 в настоящее время является единственной в мире плазменной установкой с необходимыми водородными возможностями для изучения взаимодействия пиролиза и абляции в системе тепловой защиты космического корабля.