歐空局（ESA）的一個項目–EnVision，是一項前往金星的任務，將對地球的姐妹行星進行光學、光譜和雷達測繪。然而，在開始工作之前，這個麵包車大小的航天器需要“空氣製動”–降低其軌道，在長達兩年的時間里通過該星球的高溫厚重的大氣層進行數千次飛行。一個獨特的歐空局設施目前正在測試候選的航天器材料，以驗證它們是否能夠安全地承受這種具有挑戰性的大氣“衝浪”過程。

歐空局EnVision研究經理Thomas Voirin解釋說：“如果沒有這個漫長的空氣製動階段，目前設想的EnVision就無法進行。”

“航天器將在非常高的高度進入金星軌道，大約25萬公里（約15萬英里），然後我們需要下降到500公里（約300英里）高度的極地軌道進行科學操作。搭乘阿麗亞娜62號火箭飛行，我們無法承擔降低軌道所需的所有額外推進劑。相反，我們將通過反复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，在2014年任務的最後幾個月進行了實驗性的空氣製動，收集了關於該技術的寶貴數據。2017年，歐空局的ExoMars Trace Gas Orbiter（TGO）首次在操作上使用空氣製動，在11個月的時間裡降低其圍繞紅色星球的軌道。

Thomas指出：“圍繞金星的空氣製動將比TGO的挑戰大得多。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的速度將是TGO的兩倍。因此，EnVision必須以較低的空氣製動制度為目標，從而使空氣製動階段的時間增加一倍。”

“除此之外，我們還將更接近太陽，經歷大約兩倍於地球的太陽強度，大氣層中厚厚的白雲將大量的陽光直接反射到太空中，這一點也需要考慮到。然後在所有這些之上，我們意識到我們必須在我們設想的數千個軌道上計算另一個因素，以前只在低地球軌道上經歷過：高侵蝕性原子氧。”

在太空時代的頭幾十年裡，這一特殊現象仍然不為人知。直到20世紀80年代初，早期航天飛機飛行從低軌道返回時，工程師們才受到了衝擊：航天器的隔熱罩已經被嚴重侵蝕了。

罪魁禍首原來是高活性的原子氧–在大氣層邊緣的單個氧原子，是在地面上發現的那種標準氧分子被來自太陽的強大紫外線輻射分解的結果。今天，所有低於約1000公里（約620英里）的任務都需要設計成能夠抵禦原子氧，例如歐洲觀察地球的哥白尼哨兵或為國際空間站建造的任何硬件。

過去的金星軌道飛行器對該行星上方的氣光進行的光譜觀測證實，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：“濃度相當高，一次通過並不重要，但經過數千次，它開始積累，最終達到我們必須考慮的原子氧通量水平，相當於我們在低地球軌道上經歷的，但溫度更高。”

EnVision團隊求助於歐空局專門為模擬軌道上的原子氧而建造的一個獨特的歐洲設施。低地球軌道設施，LEOX，是歐空局材料和電氣元件實驗室的一部分，位於荷蘭的歐空局ESTEC技術中心。

歐空局材料工程師Adrian Tighe 解釋說：“LEOX以相當於軌道速度的能量水平產生原子氧。淨化的分子氧被注入一個真空室，並有一束脈衝激光聚焦到它上面。這將氧氣轉化為熱等離子體，其快速膨脹沿著一個錐形噴嘴被引導。然後它解離，形成一束高能量的原子氧。”

“為了可靠地工作，激光計時必須保持精確到毫秒級，並且在當前測試活動的四個月時間裡，定向精度達到千分之一毫米。”

“這不是該設施第一次被用來模擬地外軌道環境–我們以前曾為歐空局的Juice任務對候選太陽能電池陣列材料進行過原子氧測試，因為望遠鏡觀測表明在歐羅巴和木衛二的大氣中會發現原子氧。然而，對於EnVision來說，空氣製動過程中的高溫度帶來了額外的挑戰，因此該設施已被調整為模擬這種更極端的金星環境。”

來自EnVision航天器不同部分的一系列材料和塗層，包括多層絕緣材料、天線部件和星際跟踪器元件，被放置在一個板子裡，暴露在紫色發光的LEOX光束下。同時，這個板子被加熱以模擬預期的熱通量，最高可達350°C。

Thomas補充說：“我們要檢查這些部件是否能抵抗被侵蝕，同時保持它們的光學特性–這意味著它們不會退化或變暗，這可能會對它們的熱行為產生連鎖反應，因為我們有精緻的科學儀器，必須保持一個設定的溫度。我們還需要避免剝落或放氣，這導致了污染。”

目前的這個測試活動是研究EnVision空氣製動的一個更大的小組的一部分，包括使用從以前的任務結果中開發的金星氣候數據庫來估計該星球大氣的局部變化，以便為航天器設定安全餘量。

這一測試活動的結果預計將在今年年底公佈。