Pealeht » Kosmosest » Üldiselt » Satelliidid ja kosmoselaevad
Prindi

Satelliidid ja kosmoselaevad

Satelliidid ja mehitatud kosmoselaevad on kosmoseaparaadid, mis täidavad oma ülesandeid väga keerulistes keskkonnatingimustes. Need on palju karmimad kui need, millega puutub kokku enamus maapealsetest mehhanismidest: sügav vaakuum, kõrged temperatuurigradiendid ja radiatsioonitasemed, kiiresti muutuvad valgustustingimused ja termorežiim. Need tingimused esitavad erinõudeid satelliitide ja kosmoselaevade alamsüsteemidele.

2015-06-sat-telescope1

Hubble kosmoseteleskoop orbiidil. Pilt: NASA, 2002, http://hubblesite.org kaudu.

On olemas veel üks faktor, mis teeb neid nõudeid veelgi rangemaks: erinevalt maapealsetest mehhanismidest, peavad kosmoseaparaadid töötama aastaid (kaasaegsed satelliidid ja kosmosesondid – üle 15 aastat) ilma remondita. Kuna kosmoselennud on väga kallid, ei ole kaaslaste remont orbiidil majanduslikult efektiivne. USA Space Shuttle projekteerimisel ei olnud see ilmne, aga praktika näitas, et remondimeeskonna saatmine remonti vajavale satelliidile maksab sama palju või rohkem, kui uus satelliit. Samal ajal on satelliidid ja kosmosesondid väga kallid, nende maksumus võib ületada sadu miljoneid või isegi miljard dollarit. Sellest tuleneb väga range töökindluse nõue, mis teeb satelliidi kalliks selle ehitamise käigus kasutatud tohutule inimtöötundide hulgale. Kosmoseaparaat peab olema vastupidav kõikvõimalike tõrgete vastu. Ta peab jääma töökorda ka siis, kui osa alamsüsteemidest nurjub. Selles artiklis vaatleme kosmoseaparaatide põhilisi alamsüsteeme.

Energiaallikad

Enamik alamsüsteemidest nõuavad funktsioneerimiseks elektrit, seega iga kosmoseaparaadi pardal on olemas vooluallikas.

Üks võimalikest vooluallikatest on keemilised patareid. Nende suurimaks eeliseks on lihtsus ja töökindlus, samuti kõrged voolud ja pinged. Puudujäägiks on väike energiamahtuvus kilogrammi kohta - s.t suure laengu hoidmiseks on vajalikud massiivsed patareid, millel on piiratud eluiga. Patareisid kasutatakse tihti lühikese tööeaga aparaatidel. Nt. NSVL-i kuumaandurid, samuti Euroopa Kosmoseagentuuri poolt valmistatud Titani maandur Huygens kasutasid oma tööks patareisid. Alternatiiviks patareidele on akumulaatorid, ehk taaslaetavad patareid. Nende eluiga on palju pikem, kuigi samuti piiratud laadimistsüklite arvu piirangu tõttu, ja neid saab leida igal kosmoseaparaadil, isegi nendel, kus on olemas alternatiivne vooluallikas nagu päikesepatareid. Sel juhul mängivad akud vahepatarei rolli - nad akumuleerivad laengut ja annavad seda ära, kui põhiallikas ei tööta (näiteks kui aparaat on planeedi varjus) või kui on vaja lisavõimsust. Teiseks alternatiiviks on kütuseelemendid: need on keemilised vooluallikad, mis toodavad elektrit kütuse oksüdeerimisel. Enamus neist kasutavad kütuse ja oksüdeerijana vastavalt vesinikku ja hapnikku. Kütuseelementide energiavaru on piiratud vaid kütusepaakide suurusega. Kosmosesüstik ja mõned teised kosmoselaevad kasutasid energiaallikana kütuseelemente.

2015-06-sat-228136main hst batteries HI

Hubble teleskoobi akumulaatorid. Pilt: NASA, http://www.nasa.gov kaudu.

Kõige levinumaks kosmoseaparaatide vooluallikaks on päikesepatareid, mis muundavad pealelangeva valguse elektrienergiaks. Päikesepatareide eluiga on piiratud vaid degradatsiooniga, mis on tavaliselt mõned protsendid aastas. Kaasaegsete galliumarseniidil põhinevate päikesepatareide efektiivsus on ca 30 %, s.t nad muundavad elektriks 30 % pealelangevast kiirgusenergiast. Kiirgusenergia voog Maa orbiidil on määratud nn päikesekonstandiga, mis on umbes 1370 W/m2. See tähendab, et päikesekiirtega risti orienteeritud 1 m2 päikeseelement toodab sekundis 0,3 x 1370 ~= 400 J elektrit. Aja möödudes see väärtus väheneb. Päikesepatareide puudujäägiks on see, et suurte võimsuste saamiseks on vajalikud suured ja massiivsed paneelid. Raketi pardal on päikesepaneelid kokkuvolditud kujul ja peale aparaadi eraldumist raketilt volditakse need lahti. Maksimaalse võimsuse saamiseks tuleb seada paneelid päikesekiirtega risti, selle jaoks kasutatakse mõnikord pöörlevaid mehhanisme, mille abil jälgivad paneelid Päikest. Päikesepatareide efektiivsus langeb võrdeliselt kauguse ruuduga Päikeselt. Seetõttu ei ole neid mõtet kasutada Jupiteri orbiidilt kaugematel kosmoselendudel, mil nende võimsus langeb ca 27 korda.

 

2015-06-sat-245940main arrays full

Rahvusvahelise kosmosejaama (ISS) päikesepatareid. Pilt: NASA/JSC, 2008, http://www.nasa.gov kaudu.

Vooluallikaks saab olla ka tuumareaktsioonidel põhinev generaator. Selleks võib olla kas termoelektriline radioisotoopgeneraator (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG) või tuumareaktor. Esimene kasutab radioaktiivsete isotoopide lagunemisel eralduvat soojusenergiat. Tavaliselt kasutatakse plutoonium-238: selle lagunemisel eralduvad suhteliselt ohutud alfa-osakesed ja poolestusaeg on pikk - ca 88 aastat. Seega generaatori võimsus langeb aeglaselt. Eraldunud soojusenergia konverteeritakse elektrisse Peltier’ elementide abil. RTG efektiivsus ei sõltu Päikesest ja seega kasutatakse neid Päikeselt kaugel töötavatel kosmosesondidel (nt Curiosity Marsi maandur, hiidplaneete uurinud Voyager-id jms). Puudujäägiks on suhteliselt suur mass ja väga väike kasutegur. Erinevalt RTG-dest, võib tuumareaktorite võimsus olla väga suur ja seda saab reguleerida. Samas on tuumareaktor palju keerulisem, ohtlikum ja väiksema töökindlusega. Seetõttu praegusel ajal neid kosmoseaparaatidel ei kasutata. 1960 – 1980-ndatel aastatel olid mõned Ameerika ja NSVL-i satelliidid varustatud tuumareaktoritega aga hiljem loobuti neist suure ohu tõttu. Isotoopide lagunemise energiat kasutatakse ka nn RHU-des (Radiosotope Heater Unit, „radioisotoobiline soojuselement“) – need on soojusenergiat eraldavad elemendid temperatuurirežiimi reguleerimiseks.

Temperatuurirežiimi kontroll

Kuna enamus kosmoseaparaadi alamsüsteemidest saab töötada vaid piiratud temperatuurivahemikus, on soojusrežiimi tagamine kriitiliselt tähtis. Tuleb arvestada, et vaakuum on väga hea soojusisolaator, mis võimaldab soojusülekannet vaid kiirguse teel, mitte aga keskkonna soojusjuhtivuse ega konvektsiooni teel. Soojusallikate rollis esinevad kosmoses: 1) Päikese kiirgus; 2) Maa infrapunakiirgus; 3) aparaadi süsteemide töö tulemusena eraldunud soojus. Jahutamine on võimalik tänu soojuskiirgusele ja soojusülekandele aparaadi sees. Temperatuuri reguleerimiseks kasutatakse passiivseid ja aktiivseid meetodeid.

Passiivsete meetodite hulka kuuluvad termoisolatsioon ja värvimine. Termoisolatsioon koosneb tavaliselt mitmekihilistest katetest, kusjuures kihid on kaetud kiirgust peegeldava materjaliga (nagu peeglid) ja kihtide vahel on vaakum. Selliste katete tööpõhimõte on sama, mis termosil: nad takistavad väliskiirgust ülekuumenemise vältimiseks ja ei luba kiirgust välja ülekülmumise vältimiseks. Samaaegselt kaitsevad need katted kosmoseaparaati mikrometeoriitidest. Värvimine lubab tagada aparaadi osadele sobiva temperatuuri: selleks sobitatakse värvide peegeldus- ja neeldumistegurid. Passiivseteks meetoditeks on ka radiaatorid, mida paigaldatakse liigse soojusenergia eemale kiirgamiseks.

2015-06-sat-IMG 2450blog

Kollane materjal on valgust peegeldav kate, mille abil reguleeritakse satelliidi termiline režiim. Pilt: ESA, 2012, http://blogs.esa.int kaudu.

Aktiivsed reguleerimismeetodid sisaldavad elektrilisi ja mõnikord raadioisotoobilisi soojendeid. Tihti kasutatakse ka regeneratiivseid soojusvaheteid. Viimased koosnevad torustikust, mille läbi pumbatakse soojust kandvat vedelikku. Kuumenedes või aurustades, kannab soojuskandja soojuse üle kuumadest aparaadiosadest külmadele.

Orientatsiooni ja asukohakontroll

Manööverdamiseks ja orientatsiooni muutmiseks kasutatakse tihti väikeseid rakettmootoreid, mida lülitatakse sisse tuhandeid kordi missiooni jooksul. Aparaadi keeramiseks ümber kolme telje mõlemas suunas on tavaliselt vaja 12 mootorit. Tegelik mootorite arv on tavaliselt suurem tagavaramootorite arvelt: kui mõni mootor tõrjub, siis säilib aparaadil ikka manööverdatavus. Kosmoseaparaadidel, mis peavad teostama suuri orbiidi muudatusi, on tihti olemas pardal võimas mootor ja suur kütusevaru. Mootorite puuduseks on see, et nende tööks vajalik kütus suurendab aparaadi massi.

 

2015-06-sat-A19800081000cp01 lg

Apollo kosmoselaeva juhtimismootorid. Orbitaallaevale oli paigaldatud 4 sellist plokki, igas plokkis on 4 mootorit tõukejõuga ca 45 kilogramm-jõudu igaüks. Kuumoodulil oli 4 sarnast plokki. Pilt: National Air and Space Museum, Smithsonian Institution, https://howthingsfly.si.edu kaudu.

Aparaadi orientatsiooni saab muuta ka ilma kütusekuluta. Selleks kasutatakse mootoritega hoorattaid. Hooratta tööpõhimõtteks on impulsimomendi jäävus: kui mootor paneb hooratta pöörlema ühes suunas, siis mootori korpus (ja koos sellega kosmoseaparaat, millele mootor on kinnitatud) hakkab pöörlema vastupidises suunas. Kasutades kolme hooratast, saab muuta orientatsiooni kõigil kolmel teljel. Mõnikord suurendatakse hoorataste arvu töökindluse tõstmiseks. Kuna hoorataste mass on aparaadi massist palju väiksem, saab nende abil orientatsiooni häälestada väga täpselt. Mõnikord kasutatakse ka suuri kiiresti pöörlevaid hoorattaid: nad stabiliseerivad aparaadi tänu güroskoopilisele efektile. Massiivsetel kosmoseaparaatidel (kosmosejaamadel) kasutatakse nn kontrollmomendi güroskoope (Control Momentum Gyroscope, CMG). Need on väga massiivsed (kosmosejaama CMG rootori mass on nt üle 100 kg) ja kiiresti pöörlevaid (üle 100 pööret sekundis) hoorattaid, kus güroskoopiline efekt kasutatakse jõumomendi suurendamiseks: teljele rakendatud väike jõumoment tekitab suurt momenti ristsuunas. Hoorataste põhieelis on see, et nad ei kuluta kütust, puuduseks on see, et kiiresti pöörleva rootori olemasolu vähendab töökindlust.

Teiseks meetodiks, mis ei vaja kütusekulu, on magnetvälja kasutamine. Kosmoseaparaadi pardale paigaldatakse kolm voolupooli, milles tekitatakse elektrivool. Planeedi magnetväljas ilmub poolides Ampère'i jõud, mis tekitab poole ja seega ka aparaati pöörava jõumomenti. See meetod on väga töökindel, aga seda saab rakendada ainult magnetvälja omavate planeetide läheduses. Kõrgetel orbiitidel on see meetod ebaefektiivne, kuna planeedi magnetvälja tugevus langeb kiiresti  kaugusega. Lisaks sellele ei ole poolidega tekitatud jõumomendid väga suured, seega orientatsiooni muutmine nõuab aega.

 

2015-06-sat-Space-Shuttle-Discovery-STS-114-035.preview

CMG Space Shuttle pardal lennutamiseks ISS-ile. Pilt: NASA, 2005, http://www.aviationspectator.com kaudu.

Mõnedel satelliitidel kasutatakse gravitatsioonivälja gradiendil (s.o gravitatsioonivälja nõrgenemisele kaugusega planeedilt) põhinevat stabilisatsioon. Planeedi gravitatsiooniväljas venitatud satelliidi pikim peainertsitelg võtab vertikaalasendi. Seega vastava massijaotuse abil saab satelliidi orienteerida. Massijaotuse manipuleerimisega on võimalik muuta orientatsiooni. See meetod ei ole väga levinud, kuna gravitatsioonigradient on nõrk ja seega jõumoment on väike. Nagu magnetvälja puhul, kahaneb meetodi efektiivsus kiiresti orbiidi kõrguse suurenemisega.

Atmosfääriga planeetide madalatel orbiitidel on võimalik aerodünaamiliste jõudude kasutamine stabiliseerimiseks ja orbiidi muutmiseks. Vastav meetod on aga piiratud kasutusalaga, kuna atmosfääris tekkiv takistusjõud pidurdab kosmoseaparaati ja kutsub esile orbiidi degradeerimist. Suurte päikesepaneelidega aparaatidel on võimalik ka Päikese kiirgusrõhu kasutamine orienteerumiseks, aga kuna viimane on väga nõrk, sobib see meetod vaid abivahendina.

Sidesüsteem

Sidesüsteemi kasutatakse käskluste saamiseks operaatoritelt ja andmete (kogutud teaduslik informatsioon, aparaadi enda majapidamisandmed, retransleeritav signaal) edastamiseks. Süsteemi põhikomponentideks on raadiosignaali vastuvõtja, saatja ja antennid. Vastuvõtja ja saatja on tihti kombineeritud ühte alamsüsteemi, mida nimetatakse transponderiks. Raadiosagedused, millel kommunikatsioon toimub, valitakse lähtudes Maa atmosfääri läbipaistvusest raadiosignaalide suhtes, informatsiooni edastamise efektiivsusest ja maapealsete ning kosmose raadioallikate poolt tekitatud häirete vältimisest.

Antennide konstruktsioon erineb vastavalt tüübile. Taldrikukujulised terava suunadiagrammiga antenne kasutatakse signaali edastamisefektiivsuse tõstmiseks: nad saadavad kogu signaalivõimsuse kitsasse ruuminurka, lubades nõrga jõuga saatjal edastada suuri andmehulki. Need suurendavad samuti vastuvõetava signaali võimsust. Sellised antennid nõuavad täpset suunamist ja osutuvad kasutuks kui kosmoseaparaat kaotab orientatsiooni. Laia suunadiagrammiga antennid saadavad signaali laia ruuminurka ja nende võimendustegur on väike. See tähendab, et nad piiravad vastuvõetavate ja saadetavate andmete mahtu. Kuna nad ei nõua täpset suunamist, saab neid kasutada siis, kui kosmoseaparaat ei ole optimaalselt orienteeritud. Tihti on kosmoseaparaatidel erinevaid tüüpe antenne: terava suunadiagrammiga antennid kasutatakse edastavate andmete mahu suurendamiseks, laia suunadiagrammiga aga on tagavaraks orientatsiooni kaotamise puhul.

2015-06-sat-New Horizons - REX

New Horizons Pluuto kosmosesondi terava suunadiagrammiga antenn (läbimõõt üle 2 m). Pilt: NASA/KSC, http://www.nasa.gov kaudu.

Kosmoseside organiseerimiseks on väga tähtis Doppleri nihke arvestamine: vastuvõtja ja saatja suure suhtelise omavahelise kiiruse tõttu muutub signaalide sagedus. Tavaliselt toimub nihke arvestamine automaatselt: erisüsteem kosmoseaparaadi pardal „lukustub“ vastuvõetud signaali sagedusel ja jälgib, et saadetava signaali sagedus oleks seotud vastuvõetava signaali omaga.

Pardaarvuti ja andmetöötlus

Iga kosmoseaparaadi pardal on arvuti, mis töötleb operaatoritelt saadud käsklusi, juhib alamsüsteemide tööd, koguneb instrumentidest saadud andmed ja edastab neid läbi sidesüsteemi, lahendab tekkinud probleeme ning teostab enesekontrolli.

Esimesed pardaarvutid kujutasid endast analoogsüsteeme. 1960-ndatel aastatel algas digitaalpardaarvutite ajastu. Pardaarvutid tavaliselt ei põhine kõige uuematel ja töövõimekatel kiipidel. Põhjuseks on kõrge töökindluse ja radiatsioonikindluse nõue. Mida väiksemad on kiibi elemendid (transistorid), seda tundlikumad on nad radiatsioonile. Kõrgenergeetiline osake võib esile kutsuda tõrke või isegi jäädavalt kiipi kahjustada. Sel põhjusel kasutatakse pardaarvutitel radiatsiooni vastu kaitstud väga töökindlad elektroonikakomponente (protsessor, mälu jms.) Kriitilised komponendid on tihti dubleeritud - seega ühe komponendi tõrge ei põhjusta missiooni nurjumist.

Automaatne probleemide lahendamine

Kuna kosmoseaparaadid töötavad autonoomselt pikkade ajaperioodide jooksul, peab eksisteerima süsteem, mis reageerib automaatselt tekkinud probleemidele ja vähendab nende tagajärgi. Süsteemi eesmärk on päästa aparaati ja säilitada töövõime operaatorite sekkumiseni. Erinevate probleemide puhul realiseeritakse erinevaid stsenaariume. Kuna positiivne energiabilanss on kriitiliselt tähtis aparaadi ellujäämiseks, toimub mittevajalike süsteemide väljalülitamine, lairibasignaali saatmise peatamine ja ümberlülitamine majakarežiimile. Aparaat orienteerub Päikesele nii, et toodetav energiahulk oleks maksimaalne, jms – see on nn „safe mode“ režiim. Aparaat jääb sellesse režiimi Maaga kontakti taastamiseni ja operaatoritelt käskluste saamiseni. Programm, mis realiseerib automaatseid päästeoperatsioone on salvestatud mitteümberkirjutatavasse mällu, kust seda ei saa juhuslikult kustutada.

Platvorm ja instrumendid

Enamik tänapäeval ehitatavatest kosmoseaparaatidest valmistatakse standardsete platvormide (ingl bus) põhjal. Nende koostisesse kuuluvad mehaaniline tugistruktuur, energeetiline süsteem, orientatsiooni- ja asukohakontrollisüsteem (mootorid, paagid, hoorattad jms), sidesüsteem jt süsteemid, mis tagavad aparaadi baasfunktsionaalsuse. Standardse platvormi kasutamine lubab vähendada satelliidi hinda unifitseerimise arvel, tõsta selle töökindlust ja kiirendada väljatöötamist. Vastavalt tellija nõudmistele, paigaldatakse platvormile spetsiifilised instrumendid ja aparatuur. Mõned platvormid valmistatakse erinevates variatsioonides (nt suures ja väikses). Sellise platvormi funktsionaalsust saab sobitada konkreetsele tellimusele, suurendades või vähendades päikesepatareide arvu, paakide mahtuvust jne. Näiteks, prantsuse ettevõte Thales Alenia Space poolt valmistatav Spacebus 4000 platvorm lubab ehitada selle baasil satelliite massiga 3 – 5,7 t ja päikesepatareide võimsusega 8,5 – 16 kW. Mõnikord valmistatakse kosmosesondid mingi kaugkosmoses viibimiseks sobitatud satelliidiplatvormi baasil. Ei ole harv ka olukord, kui eduka kosmosesondi või isegi planeedimaanduri konstruktsiooni kasutatakse tulevaste analoogsete sondide ja maandurite platvormina.

2015-06-sat-540354main voyager20110427-full

Voyager 2 kosmosesond, kunstniku nägemus. Vasakul on varras, mille otsas asub magnetomeeter. Paremal on sõrestik kaameratega ja spektroskoopidega, mis saavad pöörelda sõltumatult korpusest. Illustratsioon: NASA/JPL-Caltech, 2012, http://www.nasa.gov kaudu.

Kosmoseaparaadi erinevatele instrumentidele esitatakse eri nõudmisi. Nt mõned instrumendid, nagu magnetomeetrid, on tundlikud aparaadi enda magnetväljadele ja need kinnitatakse väljapoole korpust pikkadele varrastele. Mõnikord paigaldatakse osa instrumentidest platvormidele, mis saavad pöörelda sõltumatult aparaadi korpusest; need võivad olla teleskoobid, spektromeetrid jms. See lubab suunata neid vaatlusobjektidele ilma tervet aparaati ümberorienteerumata. Seega saab aparaat säilitada orientatsiooni, mis on optimaalne side hoidmiseks ja päikesepatareide valgustamiseks. Kaasaegsed planetaarkulgurid on varustatud manipulaatoritega, mis mängivad käe rolli ja lubavad paindlikult manipuleerida instrumentidega ja võtta pinnase proove. Rahvusvahelisel Kosmosejaamal on olemas ka manipulaatorid, mille abil toimub jaama elementide kokkupanemine ja ümberpaigaldamine.

Elutagamissüsteem

Elutagamissüsteem tagab inimeste viibimise mehitatud kosmoselaeva ja kosmosejaama pardal. Süsteem varustab meeskonda hapniku, vee ja toiduga ning kõrvaldab süsihapegaasi, niiskuse, uriini jms. Samaaegselt tagab see süsteem ventilatsiooni, radiatsioonikaitse, sobiva temperatuuri jms. Esimestel USA kosmoselaevadel oli atmosfäär puhtast hapnikust süsteemi lihtsustamiseks ja laevade siserõhu vähendamiseks. Tänapäevastel laevadel ja kosmosejaamadel on atmosfääri koostis lähedane Maa atmosfääri omale. On olemas tualetid, mis on sobitatud kaaluta olekule, pesemisruumid jms. Kõik kaasaegsed elutagamissüsteemid on avatud, ehk nõuavad pidevat materjali – hapnik, vesi, söök jms – juurdetoimetamist. Või siis kulutavad pardalolevad varusid ja nõuavad jääkide äraviimist. Toimetatava massi vähendamiseks toimub osaline jäätmete taaskasutamine: nt uriinist ja õhuniiskusest saadav vesi kasutatakse tehnilistel otstarvetel. Tulevasteks pikaajalisteks lendudeks ja kuu- ning marsibaaside ehitamiseks uuritakse võimalusi kinnise, ehk suletud elutagamissüsteemi loomiseks, mis oleks analoogiline Maa ökosüsteemile. Selles toimuks võimalikult täielik jäätmete taaskasutamine elu jaoks vajalike materjalide valmistamiseks: taimed või vetikad võiksid neelata süsihapegaasi, tekitada hapnikku ja neid saaks kasutada toiduna.

 

Autor: Vladislav-Veniamin Pustõnski / Green Vironia OÜ

Allikad:
http://www.astronautix.com/
https://en.wikipedia.org/wiki/Spacecraft
http://www2.jpl.nasa.gov/basics/bsf11-1.php
Wayne Lee, To Rise From Earth: An Easy-to-Understand Guide to Spaceflight, 2nd Edition, 2000