Avaruussukkula

Wikipedia

Avaruussukkula Discovery (lento STS-91) lähtöalustalla.

Avaruussukkula on uudelleen käytettävä miehitetty avaruusalus. Avaruussukkuloilla voidaan kuljettaa satelliitteja sekä Maan matalalle kiertoradalle että takaisin Maahan. Toistaiseksi vain NASA on ottanut avaruussukkulan operatiiviseen käyttöön. Ensimmäisenä sukkula-ajatusta kehitteli itävaltalainen Eugen Sänger 1930-luvulla.

Ainoat käytössä olevat avaruussukkulat ovat Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinto NASA:n omistuksessa. Tähän mennessä NASA on rakentanut kuusi avaruuslentoihin soveltuvaa sukkulaa, joista kaksi on tuhoutunut onnettomuuksissa. Sukkulaohjelma on tullut arvioiden mukaan maksamaan NASA:lle tähän mennessä noin 145 miljardia dollaria.

NASA:n lisäksi Neuvostoliitto lähetti täysimittaisen Buran-sukkulan miehittämättömälle avaruuslennolle vuonna 1988; lento kuitenkin jäi neuvostosukkulan ainoaksi. Lisäksi sukkulatyyppisiä avaruusaluksia on suunnitellut ESA sekä muutamat Länsi-Euroopan maat yhteistyössä keskenään.

Avaruussukkulat ovat monimutkaisimpia ihmisen rakentamia kulkuneuvoja – ja myös vaarallisimpia. Tähän mennessä NASA:n 114 avaruuslennosta kaksi on päättynyt onnettomuuteen (noin 1,7 % lennoista). Alun perin sukkuloista suunniteltiin helppokäyttöisiä ja turvallisia, mutta nykysukkulat eivät täysin vastaa näitä suunnitelmia. Alkujaan suunniteltiin myös, että juuri lennolta laskeutunut sukkula voisi lähteä uudelleen matkaan jo viikon sisällä, mutta todellisuudessa aikaa saattaa kulua vähintään muutamia kuukausia.

NASA:n avaruussukkula on viralliselta nimeltään Space Transportation System (STS), mutta käyttöön on vakiintunut termi Shuttle eli sukkula.

[muokkaa] NASA:n avaruussukkula

[muokkaa] Historiaa

NASA:n avaruussukkuloiden kehittely alkoi tammikuussa 1972, jolloin Yhdysvaltain silloinen presidentti Richard Nixon ilmoitti halvan ja uudelleenkäytettävän avaruusaluksen kehitystyön aloittamisesta. Kehittelyn alussa yhden lennon keskihinnaksi arvioitiin 10-20 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Laskelmat osoittautuivat kuitenkin vääriksi, sillä vuoden 2005 arvioin mukaan sukkulaohjelma on tullut maksamaan NASA:lle kaikkiaan 145 miljardia dollaria. Kaavailtujen 10–20 miljoonan dollarin laukaisukulujen todelliseksi hinnaksi tuli keskimäärin noin 500 miljoonaa dollaria.

NASA:n ensimmäinen avaruussukkula, eli Enterprise (OV-101) valmistui 17. syyskuuta 1976, muttei koskaan lentänyt avaruuteen asti. Enterprise oli alkujaankin suunniteltu vain testialukseksi, eikä sillä tehty kuin muutamia lentoja ilmakehässä vuonna 1977. Vähäisistä lennoista huolimatta Enterprisesta tehtiin kaikkien muiden NASA:n avaruussukkuloiden perusmalli. Myös nyt jo tuhoutunut Challenger-sukkula oli alkujaan tarkoitettu vain testikäyttöön, mutta NASA:n insinöörit muuttivat sen avaruuskelpoiseksi 1980-luvun alussa.

Avaruussukkula Enterprise koelennollaan.

Ensimmäinen avaruuteen lentänyt sukkula oli vuonna 2003 tuhoutunut Columbia-sukkula. Sukkulan suunnittelusta ja rakentamisesta vastasi nykyään Boeing-yhtiöön kuuluva Rockwell. Valmis sukkula toimitettiin Kennedyn avaruuskeskukseen maaliskuussa 1979 ja se lähti neitsytlennolleen 12. huhtikuuta 1981 mukanaan kaksi astronauttia.

Vuonna 1983 Yhdysvaltain presidentti Ronald Reagan ehdotti Space Station Freedom -nimisen avaruusaseman rakentamista. Avaruussukkulat olivat projektissa hyvin tärkeässä osassa, sillä niiden lisäksi vain jo käytöstä poistetuilla Saturn V -raketeilla pystyttiin viemään avaruusaseman suurimmat osat paikoilleen. Myöhemmin projekti nimettiin Space Staton Alphaksi ja hankkeeseen tuli kansainvälisiä kumppaneita. Nykyään asema tunnetaan nimellä ISS. Avaruussukkulat ovat projektissa yhä tärkeässä osassa.

Vuonna 1986 tapahtuneen Challenger-sukkulan onnettomuuden jälkeen suuri yleisö alkoi menettää kiinnostustaan avaruusmatkailuun ja NASA joutui rahoitusvaikeuksiin. Kestikin kaksi vuotta, ennen kuin seuraava sukkula laukaistiin matkaan. Kaikista vaikeuksista huolimatta NASA on tehnyt peräti 91 onnistunutta avaruuslentoa Challengerin onnettomuuden jälkeen.

1980 ja 1990-luvuilla avaruussukkuloiden tärkeimpiin tehtäviin kuului viedä satelliitteja ja avaruusluotaimia avaruuteen. Päätehtäviin kuuluivat myös avaruusasemien, kuten ISS:n ja Mirin ruoka- ja happivarastojen täydentäminen. Vilkkainta sukkulaliikenne oli tilastollisesti katsottuna 1990-luvulla, jolloin NASA laukaisi avaruuteen 64 lentoa. 1980-luvun vastaava määrä taas oli 32 ja 2000-luvulla 19.

Sukkulalennot keskeytettiin toistamiseen Columbian tuhoutumisen jälkeen 2003. Tämän onnettomuuden jälkeen sukkulalennot jäädytettiin tilapäisesti aina heinäkuuhun 2005 saakka, kunnes NASA päätti laukaista Discovery-sukkulan avaruuteen. Columbian onnettomuuden jälkeen astronautit ovat tarkastaneet jokaisen avaruussukkulan lennon aikana ulkopuolelta ennen laskeutumista. Normaalisti tarkastus suoritetaan kansainvälisellä avaruusasemalla ISS. 11. toukokuuta 2009 laukaistulla Hubble-teleskoopin huoltolennolla STS-125 astronautit käyttivät aluksen Canadarm-robottikäsivarteen kiinnitettyä kameraa tarkastaakseen aluksen alapuolella sijaitsevat lämpötiilet. Avaruussukkala Endeavour STS-400 oli myös lähtövalmiina laukaisualustalla pelastaakseen Altantiksen miehistön mikäli alus olisi vaurioitunut laukaisun aikana eikä turvallinen paluu ilmakehään olisi mahdollista.^[1] Sukkula ei pysty saavuttamaan sekä Hubblea että ISS:ää samalla lennolla.

Atlantis matkaa kuljetuskoneen selässä. NASAn sukkuloiden ensisijainen laskeutumispaikka on Kennedyn avaruuskeskus Floridassa, mutta sukkula pystyy laskeutumaan myös sotilastukikohtien lentokentille ja hätätapauksessa myös normaalille lentokentälle. Sukkula kuljetetaan kuitenkin aina takaisin Kennedyn avaruuskeskukseen ja tähän NASA käyttää kuljetuskoneiksi muutettuja Boeing 747 -lentokoneita.

[muokkaa] Tulevaisuus

STS-125 on suunnitelmien mukaan Atlantiksen viimeinen lento, NASA uskoo pystyvänsä suorittamaan loput suunnitellut avaruusaseman kokoonpanolennot Discoveryllä ja Endeavourilla.^[2]

Avaruussukkulan viimeiset lennot on suunniteltu vuodelle 2010.

Sukkuloiden seuraajia on Orion-avaruus, jonka ensilento tapahtuu kuitenkin vasta 2014.^[3]

[muokkaa] Rakenne

NASA:n avaruussukkula koostuu neljästä osasta. Se laukaistaan avaruuteen pystysuorassa kolmen perärungossa sijaitsevan päämoottorin ja kahden kiinteää ajoainetta polttavan moottorin avulla. Sukkulan ainoa kertakäyttöinen osa on sen päämoottorin ajoainetankki (engl. Space Shuttle External Tank, lyhenne ET). Päämoottorit käyttävät nestemäisiä polttoaineita, vetyä ja happea. Tankki painaa tyhjänä noin 30 tonnia, ja sisältää 554 m³ nestemäistä happea ja 1500 m³ nestemäistä vetyä. Täysi tankki painaa 750 tonnia ja siihen mahtuu noin 2 miljoonaa litraa polttoainetta.

Lennon STS-114 käytettyä moottoria hinataan.

Sukkulan moottorit tuottavat lentoonlähdössä 71,4 % työntövoimasta (14,7 MN). Ajoaineena on ammoniumperkloraatti NH₄ClO₄, jota on 69,6 % massasta ja jota käytetään hapettimena, sekä alumiini, jota on 16 % ja jota sukkula käyttää itse polttoaineenaan. Polymeerimatriisissa on myös rautaa, joka toimii palamisreaktion katalysaattorina. Kukin kolmesta päämoottorista tuottaa 1,8 MN työntövoiman, kun taas nestehappi ja -vety tuottavat palaessaan noin 3300 celsiusasteen lämpötilan. Päämoottorien lisäksi sukkulassa on kaksi pienempää, hydratsiinilla (N₂H₄) toimivaa moottoria, joiden työntövoima on 27 kN ja joita käytetään vasta polttoainesäiliön irrotuksen jälkeen. Kiertoradalle nousussa moottorien yhteisteho on 34,8 MN. Kaikkiaan sukkulassa on yli 30 rakettimoottoria, joista pääosaa käytetään sukkulan asennonsäätämiseen avaruudessa.

Vaikka avaruussukkula on monimutkaisin ihmisen rakentama laite^lähde?, se voidaan laukaista täysin automaattisesti. Miehistöä tarvitaan kiertoradalla, avaruuskävelyllä, laskeutumisessa ja tietysti hätätilanteissa. Avaruussukkulaa voidaan kiertoradalla ohjata pienten ulkoisten moottorien avulla (RCS, Reaction Control System). Laskeutumiseen käytetään sukkulan siipien liikkuvia osia lentokoneeen tavoin.

[muokkaa] Avaruuslento

[muokkaa] Laukaisu

Pääartikkeli: Avaruussukkulan laukaisu

Avaruussukkulan laukaisu suoritetaan automaattisesti. Irrotettavat kiinteäajoainemoottorit (englanniksi Space Shuttle Solid Rocket Booster, lyhennettynä SRB) palavat muutaman minuutin ajan. Ne irrotetaan sukkulan ollessa 45,7 km:n korkeudessa. Polttoainetankki irrotetaan 8,5 minuutin kuluttua laukaisusta, jolloin sukkula on suunnilleen 109 km:n korkeudessa. Tässä vaiheessa hapen lämpötila on −253°C, jolloin tankin ulkopintaan muodostuu jäätä ilman kosteuden härmistyessä kylmään pintaan. Sukkula pystyy nostamaan kiertoradalle 28,8 tonnia lastia. Miehistönä voi olla 10 astronauttia, tosin tähän mennessä on suurin miehistön määrä ollut kahdeksan henkeä. Pisin lento, STS-80 marraskuussa 1996, kesti 17,5 vuorokautta.

[muokkaa] Laskeutuminen

Pääartikkeli: Avaruussukkulan laskeutuminen

Laskeutuessaan sukkulan lämpökilvet joutuvat suuren kuormituksen eteen. Lämpötila lämpökilpien tuntumassa nousee noin 1500 celsiusasteeseen.

Avaruussukkula aloittaa laskeutumisensa ollessaan noin 120 kilometrin korkeudessa. Laskeutumisessa sukkula liikkuu nokka noin 40 astetta ylöspäin nopeudella Mach 25 mikä on suunnilleen 8,2 kilometriä sekunnissa. Myöhemmässä vaiheessa sukkula pudottaa vauhtinsa nopeuteen Mach 3. Laskeutumisen viimeisten vaiheiden alkaessa sukkulan nopeus on laskenut jo 111 kilometriin tunnissa.

Sukkula (OV) laskeutuu liitolennossa. Ilmakehään paluu aiheuttaa hyvin suuria lämpökuormia sukkulan nokkaan ja sen siipien etureunaan sekä aluksen alapintaan. Alumiinista valmistettu sukkulan runkorakenne on eristetty kuumasta rajakerroksesta rakenteen pinnalle liimattujen lämpöeristetiilien avulla. Sukkulan lämpösuojausta on parannettu useita kertoja painon säästämiseksi ja työmäärän vähentämiseksi. Lämpötiilien sääsuojaus tuhoutuu sukkulan palatessa ilmakehään, joten se joudutaan uusimaan ennen jokaista laukaisua. Sukkula voi laskeutua vain hyvällä säällä, sillä vesipisaroita sisältävien pilvien läpi lentäminen kastelisi tiilet läpimäräksi ja pisaroiden osumien aiheuttama hiekkapuhalluseffekti olisi huomattava. Samoin irrotettavan polttoainetankin massaa on vähennetty viisi tonnia ohjelman aikana alkuaikojen valkoisen pintamaalin pois jättämisellä.

[muokkaa] Lennon keskeytykset

Tilanteesta riippuen avaruussukkulalento voidaan hätätilanteessa keskeyttää viidellä eri tavalla. Lennonjohto valitsee tarvittaessa kaikkien nopeimman (jos esimerkiksi ohjaushytti vuotaa) tai kaikkein turvallisimman tavan (jos esimerkiksi yksi moottoreista lakkaa toimimasta). Toistaiseksi vain STS-68 -lennolla on suoritettu lennon keskeytys, koska yksi moottoreista sammui sensorivian takia.

[muokkaa] ATO

ATO (engl. Abort to Orbit) on hidas, mutta turvallinen vaihtoehto jos sukkula ei jostain syystä pysty saavuttamaan tavoitekiertorataansa. Tällöin sukkula ohjataan matalalle tilapäiskiertoradalle, josta maahan paluu tehdään samalla tavalla kuin normaalin lennon loppuvaiheessa.

[muokkaa] AOA

AOA (engl. Abort once around) on toinen hidas, mutta turvallinen keskeytyskeino. Siinä sukkula ikään kuin pysyttelee yläilmakehässä aerodynaamisten ominaisuuksiensa ansiosta ja laskeutuu lähtöpaikalleen yhden kierroksen jälkeen. AOA:ta käytetään, jos sukkula ei voi tehdä ATO:n vaatimaa matalaa kiertorataa.

[muokkaa] TAL

TAL (engl. TransAtlantic landing) on laskeutuminen jollekin Euroopan tai Pohjois-Afrikan hätälaskeutumispaikoista. Se aloitetaan pian apurakettien irrotuksen jälkeen ja SSME:n voima käytetään kurssimuutokseen. Kun ulkoisen polttoainetankin polttoaine loppuu, se irrotetaan. Tällöin se putoaa vähän aikaa sukkulan vieressä kunnes putoaa Atlantin valtamereen. Sukkula pystyy siipiensä avulla liitämään jollekin laskeutumispaikoista, joita on muun muassa Espanjassa ja Afrikan länsirannikolla. Lennonjohto valitsee laskeutumispaikaksi kentän, jonka säätila ei ole vaaraksi. Sen lisäksi tarvitaan USA:n hallituksen hyväksyntä mahdollisten poliittisten syiden vuoksi.

[muokkaa] RTLS

RTLS (engl. Return to launch site) on sananmukaisesti nopea paluu laukaisupaikalle. RTLS pitää aloittaa heti apurakettien irrottua ja sitä varten on kehitetty autopilotti. Sukkula kääntyy ympäri pyrstö menosuuntaan päin. Polttoainetankki irrotetaan ja sukkulan moottorit aloittavat polton, jonka tarkoitus on hidastaa kohteesta poispäin lentonopeutta. Tarvittaessa RCS-moottorit aloittavat polttoaineen tyhjentämisen, jotta sukkulan liito-ominaisuudet paranisivat massan vähetessä. Laskeutuminen tapahtuu samalla tavalla kuin normaalin lennon loppuvaiheessa.

[muokkaa] Sukkulan hylkääminen

Pahimmassa tapauksessa sukkula joudutaan hylkäämään miehistön pelastamiseksi. Sukkula ohjataan syöksymään kohti vesistöä (jos mahdollista) ja eräänlainen tanko syöksyy ulos samalla kun ohjaamon ovi avataan. Miehistö kiinnittäytyy metallirenkaalla tankoon ja liukuu tangon päähän ja pudottautuu laskuvarjoilla. Tangon tehtävä on estää hyppäävien ihmisten törmäämistä aluksen vasempaan siipeen. On kuitenkin epätodennäköistä, että miehistö selviäisi sukkulan hylkäämisestä.^lähde?

[muokkaa] Teknisiä tietoja

Piirros Challenger-sukkulasta.

• Orbiterin pituus 37,3 m
• Kärkiväli 23,8 m
• Lentoonlähtöpaino 2040000 kg
• Ulkoisen polttoainesäiliön massa tankattuna 751000 kg
• Yhden kiihdytysraketin massa 590000 kg (2 kpl)
• Orbiterin massa 109000 kg
• Suurin työntövoima 34,8 MN
• Yksi SSME-päämoottori (3 kpl) 1,8 MN
• SRB-kiinteäajoaineraketti 14,7 MN
• Suurin laskeutumismassa 104000 kg
• Suurin hyötykuorma 28800 kg
• Lakikorkeus 185–1000 km
• Ratanopeus 7,7 km/s
• Miehistö enintään 10 henkilöä

[muokkaa] NASA:n avaruussukkulat

Kooste sukkulalaivaston eri sukkuloiden laukaisuista

• Enterprise - Ensimmäinen sukkula, OV-101, joka rakennettiin vain koekäyttöön, valmistui 17. syyskuuta 1976. Sillä tehtiin muun muassa liitolentokokeita 1970-luvun lopulla. Alusta ei tehty varsinaisia avaruuslentoja varten.

• Columbia - Vanhin sukkula OV-102, joka toimitettiin Kennedyn avaruuskeskukseen maaliskuussa 1979 ja laukaistiin ensimmäisen kerran kahden hengen miehistöllä 12. huhtikuuta 1981. Columbia tuhoutui laskeutuessaan takaisin maahan 1. helmikuuta 2003. Tuhoutuminen johtui laukaisussa tapahtuneesta siiven etureunan lämpöeristetiilien vaurioitumisesta.

• Challenger - OV-099. Toimitettiin heinäkuussa 1982. Alus tuhoutui onnettomuudessa 28. tammikuuta 1986 laukaisun aikana.

• Discovery - kolmas sukkula, OV-103. Toimitettiin marraskuussa 1983.

• Atlantis - OV-104. Toimitettiin huhtikuussa 1985.

• Endeavour - Sukkula rakennettiin varaosista korvaamaan tuhoutunut Challenger. Toimitettiin toukokuussa 1991. Ensilento 1992.

[muokkaa] NASA:n sukkulatehtävät

Pääartikkeli: Luettelo NASAn avaruussukkulalennoista

1981–2008 NASA on toteuttanut 123. lentoa.

[muokkaa] Muiden valtioiden avaruussukkulaohjelmat

Yhdysvaltojen lisäksi moni muukin valtio on ollut kiinnostunut omasta avaruussukkulastaan.

[muokkaa] Neuvostoliiton avaruussukkula

Pääartikkeli: Buran

[muokkaa] ESA, Ranska, Saksa ja Englanti

Pääartikkeli: Hermès

[muokkaa] Venäjä

Pääartikkeli: Kliper

[muokkaa] Muut valtiot

Monilla valtioilla on suunnitelmat avaruussukkuloista paperilla, mutta itse sukkulan rakentaminen on aivan eri asia. Teknisten ongelmien lisäksi projektit ovat hyvin kalliita. Suurin osa projekteista kaatuu rahoitusvaikeuksiin ja osa teknisiin. Vain harvalla valtiolla on sekä taloudellista että teknistä osaamista sukkulan rakentamiseen.

Venäjän ja muutamien Euroopan valtioiden lisäksi myös Japani on ilmaissut halunsa saada oma avaruussukkula. Japanin avaruusjärjestö JAXA kehitti 1980-luvulta vuoteen 2003 asti HOPE-sukkulaa, mutta projekti peruttiin. Vuoden 2005 alussa Japani ilmoitti olevansa jälleen kiinnostunut oman avaruussukkulansa rakentamisesta.

[muokkaa] Lähteet

• Avaruuslennot, suomenkielinen sivusto miehitetyistä avaruuslennoista.
• Taulukko NASAn sukkuloiden lennoista vuoteen 2005 asti (pääosin englanniksi).
• Sukkulan "käyttöohjeet" (HTML-muodossa) (englanniksi)
• NASA:n avaruussukkulan virallinen kotisivu (englanniksi)

[muokkaa] Viitteet

[muokkaa] Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Avaruussukkula Wikimedia Commonsissa.