ESA

Los planetas gaseosos exteriores Júpiter y Saturno y, especialmente, los gigantes helados exteriores Urano y Neptuno han sido reconocidos desde hace tiempo como objetivos de una misión de exploración de alta prioridad. Estos cuerpos fríos y densos no se parecen a ningún otro planeta encontrado en nuestro Sistema Solar, son los últimos en ser explorados y los menos comprendidos. Su atmósfera se compone principalmente de hidrógeno (H2), helio (He) y, en el caso de Neptuno, trazas de metano (CH4). Una misión a uno o más de estos cuerpos gigantes helados proporcionará una contribución significativa para mejorar nuestra comprensión sobre la formación y evolución del sistema solar y otros sistemas exoplanetarios. La ESA está preparando tecnologías de prueba aerotermodinámicas para entradas de alta velocidad a los planetas exteriores, gigantes, de hielo y gaseosos para futuras misiones de este tipo.

El mérito científico de los gigantes helados ha sido recomendado internacionalmente dentro del Estudio Decenal de Ciencias Planetarias 2023-2032 de la NASA y el Programa Voyage 2050 de la ESA. Se ha marcado como misión de alta prioridad una sonda atmosférica con instrumentación in situ hacia cualquiera de los gigantes de hielo, y podría concebirse dentro de una misión científica de clase media (M) de la ESA.

Dos estudios CDF de la ESA realizados en 2019 examinaron las posibles contribuciones de la ESA a una misión dirigida por la NASA a Urano o Neptuno y al gigante gaseoso Saturno. Al igual que en la asociación para la misión Cassini-Huygens, en la que la ESA proporcionó la sonda Huygens, la misión tendría un impacto significativo para la comunidad científica planetaria europea en su conjunto. Existe una posible oportunidad de lanzamiento a principios de la década de 2030, cuando un paso de Júpiter permitiría el acceso a múltiples planetas. Recientemente, los científicos planetarios de la NASA también expresaron que una misión a Urano es una oportunidad futura prioritaria.

Antes de que se pueda considerar cualquier misión, se requiere más investigación para comprender el entorno aerotérmico de la entrada de un gigante de hielo. Cualquier nave espacial que descienda estaría sometida a un intenso calentamiento al sumergirse en la atmósfera fría y densa a velocidades de entrada de alrededor de 23 km/s para una misión de Urano o Neptuno, y alrededor de 27 km/s para Saturno. El sistema de protección térmica de la nave espacial tendría que proteger la preciosa carga útil de los efectos extremos del calentamiento. La tasa de calentamiento sería órdenes de magnitud mayor que la de cualquier misión actualmente emprendida por la ESA. “El objetivo de la actividad era adaptar las instalaciones terrestres actuales para simular las condiciones atmosféricas relevantes de H2/He/CH4 en la sonda en instalaciones de prueba en tierra, que aún no estaban disponibles en Europa y no existe ninguna instalación de plasma para simular una H2/He. /CH4”, explica Louis Walpot, responsable técnico de esta actividad.

A través de una actividad de De-Risk financiada por el GSTP de Alemania, Gran Bretaña y la ESA, el Grupo de Diagnóstico de Flujo de Alta Entalpía (HEFDiG) del Instituto de Sistemas Espaciales (IRS) de la Universidad de Stuttgart y el grupo hipersónico de la Universidad de Oxford adaptaron sus respectivas instalaciones de pruebas en tierra. .

El túnel Oxford T6 Stalker, ubicado en la Universidad de Oxford, simuló la dinámica radiativa del gas aerotermodinámico de alta velocidad e investigó los flujos de calor convectivo en un entorno representativo de H2/He/CH4. Se trata del túnel de viento más rápido de Europa y ofrece una instalación de pruebas hipersónica, multimodo y aerotermodinámica, basada en el diseño del fallecido profesor Ray Stalker.

“El túnel es capaz de medir tanto el flujo de calor por convección como por radiación, y proporciona de manera crítica las velocidades de flujo necesarias para la replicación de la entrada al gigante de hielo, con rastros de CH4. El túnel en sí funciona con un impulsor de pistón libre, que se puede acoplar a varios componentes diferentes aguas abajo para convertirse en un tubo de choque, un túnel de choque reflejado o un tubo de expansión. Esta adaptabilidad permite una amplia gama de pruebas, desde pruebas de modelado a subescala hasta la exploración de procesos fundamentales de flujo de alta velocidad”, añade Louis Walpot.

De manera similar, las interacciones de la superficie del gas en los abladores se estudian en el túnel de viento de plasma PWK1 del IRS. PWK1 es actualmente la única instalación de plasma con las capacidades de hidrógeno necesarias en el mundo para estudiar la interacción de la pirólisis y la ablación en el sistema de protección térmica de una nave espacial.

La boquilla de expansión recientemente desarrollada se utilizó para medir el flujo de calor convectivo en un modelo a escala 1:10 de una sonda cónica esférica de 45 grados, como la sonda Júpiter Galileo.

Se probaron varias condiciones de entrada, donde se alcanzaron velocidades de flujo de prueba equivalentes en vuelo de prueba de hasta 19 km/s bajo composición nominal (85 % H2, 15 % He), sustitución de Stalker (un entorno aerotermodinámicamente similar a velocidades más bajas) y composición nominal con metano. al 0,5% y al 5%. Cada respuesta de la prueba se registró con cámaras de alta velocidad y termopares coaxiales y se comparó con conjuntos de datos numéricos completos y conocidos.

Por primera vez se utilizó un nuevo barril terciario de acero para medir la radiancia mediante espectroscopia de emisión de los gases de prueba H2, He y CH4. Se alcanzó una velocidad máxima de choque de 18,9 km/s. Se demostró experimentalmente por primera vez que la presencia de pequeñas cantidades de CH4 afecta fuertemente la radiación espectral en la región posterior al choque dominada por C2 e hidrógeno y carbono atómicos.

El contrato se cerró en 2022 después de alcanzar con éxito el nivel 6 de preparación tecnológica, lo que demuestra la capacidad de probar modelos en un entorno relevante. La investigación sobre los gigantes helados continúa en el marco de los programas tecnológicos GSTP y TDE. Se están llevando a cabo dos actividades financiadas por TDE para desarrollar 1) un conjunto de sensores de instrumentos de entrada y descenso para entradas de gigantes de hielo y 2) un nuevo código CFD estatal de última generación para la caracterización del entorno aerotérmico de las cápsulas de entrada a planetas de gigantes de hielo.

Además, una actividad de seguimiento propuesta por GSTP permitirá la expansión de la instalación T6, alcanzando velocidades más altas de hasta 25 km/s para simular las condiciones de entrada de Saturno. La expansión también permitirá la exploración del flujo y la transferencia de calor a través de puntos de trayectoria y geometría más realistas y representativos. Serían posibles mediciones de alta resolución del flujo de calor en el modelo, incluidas mediciones no intrusivas de la capa de choque, incluida la separación del choque, la emisión radiativa y la densidad de electrones, así como los efectos de trazas de moléculas/átomos más pequeños posiblemente presentes en las atmósferas planetarias.

La ESA y la NASA también han expresado su interés mutuo en comprender los principios aerotermodinámicos fundamentales de futuras misiones a gigantes de hielo a través de un Memorando de Entendimiento firmado. Comprender la sensibilidad al calentamiento aerotermodinámico durante la entrada con respecto a la composición atmosférica de especies menores en un planeta gigante podría conducir a aumentos significativos en la radiación de la capa de choque a hipervelocidad durante la entrada. Sólo comprendiendo mejor estos efectos podrán los ingenieros diseñar misiones más seguras a estos cuerpos planetarios fríos y desconocidos.

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