ESA

Die äußeren Gasplaneten Jupiter und Saturn und insbesondere die äußeren Eisriesen Uranus und Neptun gelten seit langem als Ziel für eine Erkundungsmission mit hoher Priorität. Diese kalten, dichten Körper sind anders als alle anderen Planeten in unserem Sonnensystem, die letzten, die erforscht wurden, und die am wenigsten verstandenen. Ihre Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Wasserstoff (H2), Helium (He) und im Fall von Neptun Spuren von Methan (CH4). Eine Mission zu einem oder mehreren dieser eisigen Riesenkörper wird einen wesentlichen Beitrag zur Erweiterung unseres Verständnisses über die Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems und anderer exoplanetarer Systeme leisten. Für solche künftigen Missionen bereitet die ESA die aerothermodynamischen Testtechnologien für Hochgeschwindigkeitseintritte in die äußeren Planeten, Riesen-, Eis- und Gasplaneten vor.

Der wissenschaftliche Wert eisiger Riesen wurde international im Rahmen der NASA 2023-2032 Planetary Sciences Decadal Survey und des ESA Voyage 2050-Programms hervorgehoben. Eine Atmosphärensonde mit In-situ-Instrumentierung zu einem der Eisriesen wurde als Mission mit hoher Priorität eingestuft und könnte im Rahmen einer wissenschaftlichen Mission der ESA (Mittelklasse) in Betracht gezogen werden.

Zwei im Jahr 2019 durchgeführte CDF-Studien der ESA untersuchten die möglichen Beiträge der ESA zu einer von der NASA geleiteten Mission zu Uranus oder Neptun und dem Gasriesen Saturn. Ähnlich wie bei der Partnerschaft für die Cassini-Huygens-Mission, bei der die ESA die Huygens-Sonde zur Verfügung stellte, hätte die Mission erhebliche Auswirkungen auf die gesamte europäische Planetenforschungsgemeinschaft. Eine potenzielle Startmöglichkeit besteht in den frühen 2030er Jahren, wo ein Vorbeiflug des Jupiter den Zugang zu mehreren Planeten ermöglichen würde. Kürzlich äußerten auch Planetenforscher der NASA, dass eine Mission zum Uranus eine vorrangige zukünftige Chance sei.

Bevor eine Mission in Betracht gezogen werden kann, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die aerothermische Umgebung eines Eisrieseneintritts zu verstehen. Jedes absteigende Raumschiff würde beim Eintauchen in die kalte und dichte Atmosphäre mit Eintrittsgeschwindigkeiten von etwa 23 km/s für eine Uranus- oder Neptun-Mission und etwa 27 km/s für Saturn einer starken Erwärmung ausgesetzt sein. Das Wärmeschutzsystem des Raumfahrzeugs müsste die wertvolle Nutzlast vor den extremen Hitzeeinwirkungen schützen. Die Aufheizrate wäre um Größenordnungen höher als bei jeder derzeit von der ESA durchgeführten Mission. „Das Ziel der Aktivität bestand darin, die aktuelle bodengestützte Anlage anzupassen, um relevante H2/He/CH4-Atmosphärenbedingungen auf der Sonde in Bodentestanlagen zu simulieren, die in Europa noch nicht verfügbar waren und es keine Plasmaanlage zur Simulation eines H2/He gibt /CH4-Umgebung“, erklärt Louis Walpot, technischer Leiter dieser Aktivität.

Durch eine gemeinsame von Deutschland, Großbritannien und der ESA GSTP finanzierte De-Risk-Aktivität passten die High Enthalpy Flow Diagnostics Group (HEFDiG) am Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart und die Hyperschallgruppe der Universität Oxford ihre jeweiligen Bodentestanlagen an .

Der Oxford T6 Stalker Tunnel an der Universität Oxford simulierte die aerothermodynamische Gasstrahlungsdynamik bei hoher Geschwindigkeit und untersuchte die konvektiven Wärmeflüsse in einer repräsentativen H2/He/CH4-Umgebung. Es ist Europas schnellste Windkanalanlage und bietet eine Hyperschall-, Multimode- und aerothermodynamische Testanlage, basierend auf dem Entwurf des verstorbenen Professors Ray Stalker.

„Der Tunnel ist in der Lage, sowohl den Konvektions- als auch den Strahlungswärmefluss zu messen und entscheidend die erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten für die Nachbildung des Eisrieseneintritts mit Spuren von CH4 bereitzustellen.“ Der Tunnel selbst arbeitet mit einem Freikolbenantrieb, der mit mehreren verschiedenen stromabwärts gelegenen Komponenten gekoppelt werden kann, um zu einem Stoßrohr, einem reflektierten Stoßtunnel oder einem Expansionsrohr zu werden. Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht ein breites Spektrum an Tests, von subskaligen Modellierungstests bis hin zur Erforschung grundlegender Hochgeschwindigkeitsströmungsprozesse“, fügt Louis Walpot hinzu.

Ebenso werden die Gasoberflächenwechselwirkungen an Ablatoren in der Plasmawindkanalanlage PWK1 am IRS untersucht. PWK1 ist derzeit weltweit die einzige Plasmaanlage mit den erforderlichen Wasserstoffkapazitäten, um die Wechselwirkung von Pyrolyse und Ablation am Wärmeschutzsystem eines Raumfahrzeugs zu untersuchen.

Mit der neu entwickelten Expansionsdüse wurde der konvektive Wärmefluss an einem 1:10-Modell einer 45-Grad-Kugelkegelsonde wie der Jupiter Galileo-Sonde gemessen.

Es wurden verschiedene Eintrittsbedingungen getestet, wobei Testflug-äquivalente Testströmungsgeschwindigkeiten von bis zu 19 km/s unter Nennzusammensetzung (85 % H2, 15 % He), Stalker-Ersatz (eine aerothermodynamisch ähnliche Umgebung bei niedrigeren Geschwindigkeiten) und Nennzusammensetzung mit Methan erreicht wurden bei 0,5 % und 5 %. Jede Testreaktion wurde mit Hochgeschwindigkeitskameras und koaxialen Thermoelementen aufgezeichnet und mit bekannten und umfassenden numerischen Datensätzen verglichen.

Zum ersten Mal wurde ein neues Tertiärrohr aus Stahl verwendet, um die Strahlungsdichte mittels Emissionsspektroskopie des Testgases H2, He und CH4 zu messen. Es wurde eine Spitzenstoßgeschwindigkeit von 18,9 km/s erreicht. Zum ersten Mal wurde experimentell gezeigt, dass das Vorhandensein kleiner Mengen CH4 die spektrale Strahlung in der Post-Shock-Region, die von C2 und atomarem Wasserstoff und Kohlenstoff dominiert wird, stark beeinflusst.

Der Vertrag wurde im Jahr 2022 abgeschlossen, nachdem die Technologiereifestufe 6 erfolgreich erreicht wurde und die Fähigkeit des Modelltests in einer relevanten Umgebung demonstriert wurde. Die Untersuchung eisiger Riesen wird im Rahmen der Technologieprogramme GSTP und TDE fortgesetzt. Zwei von TDE finanzierte Aktivitäten sind im Gange, um 1) eine Sensorsuite für Eintritts- und Abstiegsinstrumente für den Eintritt in Eisriesen und 2) einen neuen, hochmodernen CFD-Code für die Charakterisierung der aerothermischen Umgebung von Eintrittskapseln für Eisriesen und Planeten zu entwickeln.

Darüber hinaus wird eine geplante GSTP-Nachfolgeaktivität die Erweiterung der T6-Anlage ermöglichen und höhere Geschwindigkeiten von bis zu 25 km/s erreichen, um die Eintrittsbedingungen des Saturn zu simulieren. Die Erweiterung wird auch die Erforschung von Strömung und Wärmeübertragung über eine realistischere, repräsentativere Geometrie und Flugbahnpunkte ermöglichen. Möglich wären hochauflösende Messungen des Wärmeflusses am Modell, einschließlich nichtinvasiver Messungen der Schockschicht, einschließlich des Schockabstands, der Strahlungsemission und der Elektronendichte, sowie der Auswirkungen möglicherweise vorhandener kleinerer Spurenmoleküle/-atome die Planetenatmosphären.

ESA und NASA haben außerdem ihr gegenseitiges Interesse am Verständnis der grundlegenden aerothermodynamischen Prinzipien künftiger Eisriesenmissionen durch ein unterzeichnetes Memorandum of Understanding zum Ausdruck gebracht. Das Verständnis der aerothermodynamischen Erwärmungsempfindlichkeit beim Eintritt in Bezug auf die atmosphärische Zusammensetzung kleinerer Arten auf Riesenplaneten könnte zu einem signifikanten Anstieg der Hypergeschwindigkeits-Schockschichtstrahlung beim Eintritt führen. Nur durch ein besseres Verständnis dieser Effekte können Ingenieure sicherere Missionen zu diesen kalten und unbekannten Planetenkörpern entwerfen.

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