Avaruustekniikka

Kansainvälinen avaruusasema joulukuussa 2006.

Avaruustekniikka on avaruudessa käytettävää teknologiaa. Avaruuden ympäristötekijät, kuten painottomuus ja tyhjiö, synnyttävät teknologialle merkittävästi erilaisia vaatimuksia kuin esimerkiksi Maan päälliselle teknologialle. Luotettavuus on erityisen tärkeää, koska korjaaminen ja huoltaminen on yleensä mahdotonta matkaan lähettämisen jälkeen.

Avaruustekniikan piiriin kuuluvat muun muassa laitteet kuten satelliitti, avaruusluotain, laskeutuja, avaruusasema ja avaruusalus sekä näiden avaruuteen laukaisemiseen käytettävät kantoraketit. Avaruudessa liikeradan muuttaminen vaatii rakettimoottorin tai jonkin muun tavan synnyttää propulsiota.

Avaruustekniikan komponentit ja järjestelmät eivät pääsääntöisesti sovellu muuhun käyttöön, joten joudutaan tekemään uniikkeja komponentteja. Lisäksi toimintavarmuuden takaamiseksi komponentit tulee testata monia muita aloja tarkemmin. Nämä molemmat nostavat suhteellisesti kustannuksia verrattuna matalampien varmuusvaatimusten ja suurien sarjojen tuotantoon. Tämän vuoksi pyritään mahdollisuuksien mukaan hyödyntämään mm. tavallista teollisuus- ja kulutuselektroniikkaa.

Vaatimuksia

Avaruustekniikan erityispiirteitä ovat avaruuden olosuhteiden kestämisen lisäksi toimintavarmuus sillä huolto on yleensä täysin mahdotonta. Avaruuden ympäristön erityispiirteitä Maan pinnan painovoimaan ja kaaksukehään verrattuna ovat muiden muassa:

• Avaruuden tyhjiössä materiaalit kaasuuntuvat (outgassing) osin. Tämä kaasuuntunut materiaali (esimerkiksi muoviin maassa imeytynyt vesi) voi härmistyä esimerkiksi optiikan pinnoille ja turmella sen. Osa etenkin muoveista ei siten kelpaa tyhjiökäyttöön.
• Vapaassapudotuksessa eli painottomuudessa kaasutäytteisessäkään osassa avaruusalusta lämpö ei siirry vapaan konvektion avulla. Polttoainetankeissa ajoaine ei painu automaattisesti pohjalle vaan se pitää painaa kalvolla haluttuun paikkaan tankissa.
• Avaruudessa säteily pääsee vaikuttamaan suoraan kappaleisiin, koska Maan ilmakehä ei ole suojaamassa niitä. Avaruudessa käytettävän elektroniikan tulee kestää säteilyä samassa mitassa tai enemmän kuin sotilaselektroniikan ydinsotaa varten suunniteltujen laitteiden elektroniikan. Myös suurienergiaiset hiukkaset aikaansaavat esimerkiksi muistipiireihin bittivirheitä tai jopa esimerkiksi prosessorin vaurioitumiseen johtavan ylikuumenemisen (latch-up).
• Laukaisu aiheuttaa rakenteille suuren mekaanisen rasituksen.
• Avaruudessa ongelmana on lämpökuorma, elektroniikan synnyttämän lämmön poistaminen laitteistoista.
• Mikrometeoriitit ja avaruusromu ovat satunnainen riski niiden suuren osumisnopeuden, 11 km/s tai enemmänkin, vuoksi.

Miehittämättömillä lennoilla ei voida tehdä huoltoja taikka korjauksia ja miehitetyilläkin hyvin rajoitetusti, joten komponenttien tulee olla hyvin luotettavia. Kaikki mahdolliset ongelmat pitää pystyä ennakoimaan ja ottamaan jo suunnittelussa huomioon. Myös etäohjaus on etäisyyksien vuoksi rajoitettua, joten esimerkiksi luotaimilta vaaditaan kykyä hyvinkin automaattiseen toimintaan.

Suhde muuhun tekniikkaan

Robert Goddardin kehittämä ensimmäinen nestemäistä polttoainetta käyttävä raketti vuodelta 1926.

Avaruustekniikkaa on pidetty teknisen kehityksen edelläkävijänä ja ajajana. Muun muassa mikroprosessorin ensimmäinen käyttö on liitetty Apollo-lentoihin. Toisaalta miniatyrisoitua elektroniikkaa kehitettiin jo toisen maailmansodan aikana muun muassa ilmatorjuntakranaattien sytyttimiin ja 1950-luvulla ballististen ohjusten ydinkärkien toiminnan ohjaukseen. Sotatekniikan ja avaruustekniikan kehittäminen ovatkin aina kietoutuneet yhteen, varsinkin avaruustoiminnan alkuaikoina. Lukuisat kantoraketit on tehty ohjusten pohjalta ja ensimmäinen avaruuteen asti tehty laukaisu tehtiin V2-ohjuksella. Myös elektroniikan kehittäminen on yhteydessä sotatekniikkaan. Tietokone ja telemetriatietoliikenne olivat olemassa ennen avaruusalusta, mutta avaruustekniikka loi tarpeen miniatyrisoidulle tietokoneelle.

Koska avaruusalusprojektit olivat hyvin monimutkaisia ja laajalle verkottuneita, niiden puitteissa on väitetty tehdyn merkittävästi projektinhallinnan välineiden kehittämistä. Yhdysvaltain laivaston Polaris-ohjuksen kehityshankkeessa kehitettiin 1950-luvun lopussa myös eräs edelleen käytetyimmistä projektinhallintamenetelmistä, PERT.

Myös kirurgian edistymistä on liitetty Nasan Apollo-ohjelmaan. Toisaalta Vietnamin sota oli ensimmäinen, jossa esimerkiksi kuusi luotia mahaansa saanut sotilas saatiin pelastettua edistyneen sairaanhoidon avulla.

Teflon-muovi liitettiin aikoinaan 1960-luvun lopussa ja edelleenkin voimakkaimmin Apollon niin kutsuttuihin spin-offeihin. Tämä vuonna 1938 keksitty muovi tuotiin markkinoille 1950-luvun jälkipuolella ennen ensimmäistäkään miehitettyä avaruuslentoa.

Simulointiohjelmista lujuuslaskentaohjelma NASTRAN (laajemminkin käytössä oleva elementtimenetelmällä differentiaaliyhtälöitä numeerisesti ratkaiseva ohjelmisto) kehitettiin Nasassa, mutta se tehtiin Boeing 747 -lentokoneen suunnittelun avuksi. Sinänsä menetelmä oli käytössä jo toisen maailmansodan aikana, silloin tosin matriisilaskenta ratkaistiin käsin eikä tietokoneella.

Suoria käytännön hyötyjä ovat satelliittihavaintojen aikaansaamat paremmat keskipitkän välin (3 päivää) sääennusteet. Sääsatelliittidatan käyttöönotto sään ennustamisen laskentamalleissa kesti noin 20 vuotta. Muita hyötyjä on satelliittitietoliikenne, jolla etäisiin tai kehittymättömiin paikkoihin saadaan esimerkiksi puhelinyhteys. Satelliittipaikannus etenkin GPS:n avulla on suhteellisen laajasti käyttöönotettu ammattiliikenteessä ja huviveneilyssä.

Spin-offit eli teknogian siirtyminen avaruustekniikasta muualle on ollut esillä, koska sillä osin perustellaan toimintaan satsaamisen kannattavuutta lyhyelläkin tähtäimellä. Tämä on kuitenkin ollut jossain määrin harhaanjohtavaa avaruusalan alussa ja vähentynyt. Nykyään puhutaankin spin in'in tarpeesta eli yritetään tuoda avaruustekniikkaan etenkin kulutuselektroniikan komponentteja.

2000-luvulla avaruustekniikka on joutunut tilanteeseen, jossa nk. avaruuskäyttöön kelpuutettuja komponentteja on yhä vaikeampi saada. Ne ovat olleet amerikkalaisten MIL-standardien mukaisten komponenttien eräs alalaji, jossa komponentteja tarkastetaan vielä tiheämmin. Näiden valmistuslinjoja on suljettu Yhdysvaltain asevoimien siirtyessä käyttämään COTS-komponentteja (commercial off-the-shelf). Kaupallisissa komponenteissa, etenkin prosessoreissa ja muisteissa, on paljon parempi suorituskyky kuin perinteisissä säteilynkestävissä (rad hard) luotettavissa (high rel) komponenteissa.

Katso myös

• Avaruustekniikan opetus Suomessa
• Suomen avaruustoiminta

Kirjallisuutta

• Lindberg Christensen, Lars & Bob Fosbury: Hubble: 15 vuoden löytöretki. ((Alkuteos: Hubble: 15 Years of Discovery, 2005.) Kuvitus ja graafinen suunnittelu Martin Kornmesser. Ursan julkaisuja 97) Suomentanut Markku Sarimaa. Helsinki: Ursa, 2005. ISBN 952-5329-46-1