Avaruuslento

Avaruussukkula Endeavour kuvattuna ISS:ltä.

Kansainvälinen avaruusasema Maata kiertävällä radalla kesäkuussa 2007.

Avaruuslento on avaruuteen Maan ilmakehän ulkopuolelle yltävä lento. Avaruuslento voi olla suborbitaalinen, se voi olla suuntautunut Maata kiertävälle radalle, tai siitä eteenpäin. Avaruusaluksen tarvitseman nopeuden nousta avaruuteen antaa yleensä kantoraketti. Suurin osa avaruuslennoista on miehittämättömiä ja toteutetaan satelliittien ja avaruusluotainten avulla. Miehitettyjä avaruuslentoja ei ole toistaiseksi tehty Kuuta kauemmas.

Avaruuslentojen historia

Varhainen historia

Saksalaisten V2-ohjus pääsi vuonna 1942 avaruuden rajoille saavuttaen noin sadan kilometrin lakikorkeuden.

Yhdysvaltalaiset alkoivat toisen maailmansodan jälkeen kehittää rakettitekniikkaa saksalaisten osaamisen pohjalta ja laukaisivat helmikuussa 1949 ensimmäisen kaksivaiheisen raketin. Sen toinen vaihe saavutti 390 kilometrin korkeuden.

Maailman ensimmäisen satelliitin Sputnik 1:n jäljitelmä.

Neuvostoliitto pyrki 1940-luvun lopulta alkaen kehittämään oman ja lännestä riippumattoman teknologian. Neuvostoliitto laukaisi maailman ensimmäisen satelliitin Sputnik 1:n 4. lokakuuta 1957. Se kiersi Maan 1440 kertaa ja kävi korkeimmillaan 939 kilometrissä. Ensimmäinen elollinen avaruuslentäjä oli neuvostoliittolaisten Laika-koira, joka lennätettiin avaruuteen marraskuussa 1957. Samalla satelliitilla tutkittiin myös Auringon ultavioletti- ja röntgensäteilyä sekä kosmista säteilyä.

Yhdysvallat lähetti ensimmäisen satelliittinsa Explorer 1:n avaruuteen tammikuussa 1958.

Ensimmäinen Maan pakonopeuden ylittänyt luotain oli neuvostoliittolainen Luna 1, joka ohitti Kuun 6 500 kilometrin etäisyydeltä helmikuussa 1959. Ensimmäinen Kuuhun törmännyt luotain oli Luna 2 saman vuoden syyskuussa. Luna 3 otti ensimmäiset kuvat Kuun pimeältä puolelta.

Yhdysvallat aloitti Kuun tutkimisen omilla Ranger-törmäysluotaimillaan vuonna 1961.

Miehitetyt avaruuslennot

Ensimmäisen miehitetyn avaruuslennon teki 12. huhtikuuta 1961 Neuvostoliiton Vostok 1, jonka kyydissä Juri Gagarin kiersi kerran Maan ympäri. Kuukautta myöhemmin myös amerikkalaiset saivat lähetettyä astronauttejaan avaruuteen lyhyeksi ajaksi.

Neil Armstrong ensimmäisenä ihmisenä Kuun pinnalla vuonna 1969.

Yhdysvaltain Apollo-ohjelman tarkoituksena oli viedä ihminen Kuuhun. Ensimmäiset Apollo-alukset vain kiersivät Kuun, mutta Apollo 11 laskeutui Kuun pinnalle 20.7.1969 ja Neil Armstrongista tuli ensimmäinen Kuussa käynyt ihminen. Viimeiset kuulennot tehtiin vuonna 1972, minkä jälkeen Kuussa ei ole enää käyty.

Neuvostoliitto lähetti Maata kiertävälle radalle vuosina 1971–1982 yhteensä kahdeksan Saljut-avaruusasemaa. Sitä seurasi Mir-asema. Yhdysvaltain ensimmäinen avaruusasema Skylab vietiin radalleen vuonna 1973. Kansainvälinen avaruusasema lähetettiin kiertoradalle vuonna 1998.

Yhdysvallat lähetti vuodesta 1981 alkaen avaruuteen avaruussukkuloita. Niitä valmistettiin viisi kappaletta, ja viimeinen lento tehtiin vuonna 2011.

2010-lukuun mennessä myös Kiina on lähettänyt ihmisen avaruuteen omilla raketeillaan. Omia satelliitteja on kymmenillä mailla, joista ainakin yhdeksän on itse lähettänyt ne matkaan.

Planeettaluotaimet

Viking 1 kuvaamassa Marsin pintaa vuonna 1978.

Miehitettyjen kuulentojen jälkeen kiinnostus siirtyi aurinkokunnan muille kappaleille suunnattuihin lentoihin. Avaruusluotaimilla on tutkittu lähietäisyydeltä jokaista aurinkokuntamme planeettaa sekä joitain kuita, asteroideja ja komeettoja.

Marsia kohti on lähetetty vuodesta 1960 alkaen enemmän luotaimia kuin millekään muulle planeetalle. Ensimmäiset lähikuvat Marsista otti amerikkalaisten Mariner 3 heinäkuussa 1965. Neuvostoliittolaisten Mars 3 laskeutui Marsin pinnalle joulukuussa 1971. Yhdysvaltalaisten Viking 1 ja Viking 2 kuvasivat loppuvuonna 1976 Marsin pintaa ensi kertaa korkealaatuisesti ja laajasti. Marsluotaimet ovat muun muassa osoittaneet, että Marsissa on joskus ollut vettä.

Yhdysvaltalaisten Mariner 2 ohitti Venuksen vajaan 35 000 kilometrin etäisyydeltä vuonna 1962. Neuvostoliittolaisten Venera-luotaimet yrittivät pitkään selviytyä Venuksen ilmakehän läpi pinnalle asti, kunnes Venera 7 onnistui siinä vihdoin joulukuussa 1970. Seuraavilla lennoilla planeetasta saatiin aina vain tarkempaa tietoa. Euroopan avaruusjärjestön ensimmäinen luotain Venuksessa oli Venus Express vuonna 2005.

Sisimmän planeetan Merkuriuksen ohitti ensimmäisenä amerikkalaisten Mariner 10 helmikuussa 1974.

Kaukana Auringosta sijaitseville neljälle jättiläisplaneetalle Jupiterille, Saturnukselle, Uranukselle ja Neptunukselle matka luotaimella kestää useita vuosia ja vaatii kehittynyttä tekniikkaa. Aluksi vain Yhdysvallat lähetti niille luotaimia. Pioneer 11 ohitti Jupiterin joulukuussa 1973. Tuotteliampia jättiläisplaneettojen tutkimuksessa ovat olleet amerikkalaisten kaksi Voyager-luotainta, jotka lähetettiin vuonna 1977. Sen jälkeen kaukaisille planeetoille on lähetetty muun muassa Galileo vuonna 1989 ja Cassini-Huygens vuonna 1997.

Nykytilanne

Kanadalainen astronautti Robert Thirsk kansainvälisellä avaruusasemalla vuonna 2009.

Suurimmat siviiliavaruuslentoja tekevät organisaatiot nykyisin ovat Yhdysvaltain avaruushallinto Nasa, Venäjän avaruusjärjestö, Euroopan avaruusjärjestö ESA ja Kiinan avaruushallinto. ESA:lla on alustavia suunnitelmia oman miehitetyn aluksen kehittämisestä ATV-rahtialuksen pohjalta, mutta aikataulu on toistaiseksi avoin. Yhdysvalloissa on vireillä useita miehitettyjen lentojen hankkeita. Nasa kehittää Orion-alusta, SpaceX miehitettyä versiota Dragonistaan ja Boeing CST-100-alusta.

Tulevaisuuden suunnitelmat

Nasan suunnitelmissa 2000-luvulla on ollut tehdä uusi kuulento, mutta aluksi suunniteltuun vuoteen 2020 mennessä sellaista ei tehdä. Miehitetty Mars-lento kestäisi lähes kolme vuotta ja olisi huomattavasti kuulentoa vaativampi toteuttaa, joten se ei tapahdu lähitulevaisuudessa. Maapallolle rakennetuissa keinotekoisissa ekosysteemeissä kuten Yhdysvaltain biosfääri 2:ssa on pyritty selvittämään mahdollisuuksia pitkiin avaruusmatkoihin. Avaruuslento muille tähdille voi kestää vuosisatoja tai vuosituhansia.

Kiina aikoo tehdä miehitetyn kuulennon ja rakentaa Kuuhun tutkimusaseman 2020-luvun aikana.

Lajit

Suborbitaali

Suborbitaalisella lennolla alus lentää ballistisen kaareen ja viipyy avaruudessa tyypillisesti vain kymmenkunta minuuttia. Suborbitaaleja lentoja ovat olleet muiden muassa osa Mercury-lennoista, X-15- ja SpaceShipOne-lennot. Sekä X-15 että SpaceShipOne olivat lentokoneen tapaisia avaruuslentokoneita, jotka laukaistiin horisontaalisesti toisen lentokoneen kyydistä ja jotka laskeutuivat kiitotielle.

Maata kiertävä rata

Maata kiertäviä ratoja. Lähimpänä Maata syaanilla värillä merkittynä matalan kiertoradan alue. Uloimpana mustalla katkoviivalla geostationaarinen kiertorata.

Geostationaarisella radalla kiertävä satelliitti on koko ajan samassa kohdassa Maasta katsottuna.

Valtaosa avaruuslennoista tehdään Maata kiertävälle radalle. Näihin kuuluvat useimpien satelliittien laukaisut.

Pysyäkseen Maata kiertävällä radalla satelliitin täytyy olla niin korkealla, että ilmakehästä johtuva kitka ei merkittävästi hidasta sen liikettä. Vasta 160 kilometrin korkeudella satelliitti ei putoa välittömästi alas. Siitä alkavalla niin sanotulla matalalla radalla kiertävä satelliitti törmäilee ilmakehän atomeihin ja molekyyleihin niin, että sen vauhti hidastuu ja se vajoaa alemmas kunnes tuhoutuu kuumentuessaan. Tämän vuoksi kaikkien matalilla radoilla liikkuvien satelliittien elinikä on rajallinen, ellei niille anneta lisänopeutta. Vasta usean sadan kilometrin korkeudessa kiertävä satelliitti pysyy pitkän aikaa radallaan ilman lisäenergiaa. Satelliitin vieminen niin korkealle vaatii paljon energiaa, joten se tehdään vain kun se on välttämätöntä.

Satelliitin ratataso ei voi olla millainen tahansa, vaan sen täytyy kulkea aina Maan painopisteen kautta. Geostationaarisen satelliitin rata (GEO) kulkee päiväntasaajaa pitkin, ja radan säde on 6,64 Maan sädettä ja korkeus maanpinnasta 35 961 kilometriä. GEO-radalla liikkuva satelliitti voi nähdä vain 42,5 prosenttia Maan koko pinta-alasta. GEO-radoilla on paljon etenkin tietoliikennesatelliitteja. Geosynkronisella radalla (GSO) liikkuvan satelliitin ratataso poikkeaa päiväntasaajan tasosta tai se ei ole aivan ympyrä. Naparataa liikkuva satelliitti kulkee kummankin navan yli, jolloin se pystyy noin kolmessa vuorokaudessa näkemään koko maapallon. Naparadoilla liikkuu paljon sääsatelliitteja, kaukokartoitussatelliitteja ja tiedustelusatelliitteja. Molnija-rata on hyvin soikea rata, jolloin satelliitti saadaan viettämään suurimman osan ajastaan radan kaukaisessa osassa korkeiden leveysasteiden yläpuolella.

Maata kiertävää rataa edemmäs

Päästäkseen Maata kiertävältä radalta edemmäs täytyy aluksella olla Maan pakonopeutta suurempi nopeus eli yli 11,2 km/s. Kiertorataa edemmäs on lähetetty lähinnä avaruusluotaimia Kuuhun ja kohti muita Aurinkokunnan kappaleita. Aurinkokunnasta ulos pääsemisen pakonopeus on 42,1 km/s.

Vaiheet

Laukaisu

Delta II -kantoraketilla lähetettiin Dawn-luotain avaruuteen.

Avaruusalus tai satelliitti viedään avaruuteen kantoraketin avulla. Kantoraketin laukaisupaikalla on merkitystä. Mitä lähempää päiväntasaajaa raketti laukaistaan, sitä vähemmän energiaa tarvitaan kiertoradalle nostamiseen ja kiertoradalla pysymiseen tarvittavaan nopeuteen, joka on vähintään 7,8 kilometriä sekunnissa. Tämän vuoksi useimmat satelliittien laukaisupaikat ovat mahdollisimman lähellä päiväntasaajaa. Satelliitit lähetetään yleensä itään eli Maan pyörimisliikkeen suuntaan, sillä se vaatii Maan pyörimisen ansiosta vähemmän energiaa kuin vastakkaiseen suuntaan lähetettäessä.

Raketin laukaisu vaatii paljon työntövoimaa, joka saadaan aikaan palamisen seurauksena purkautuvan kaasun avulla. Monivaiheraketissa on erillisiä raketteja, jotka käytettyään polttoaineensa irtautuvat raketista yksi kerrallaan.

Suuntaaminen

Kun avaruusalus lähetetään toiselle taivaankappaleelle, vähiten energiaa tarvitaan kun käytetään niin sanottua Hohmannin rataa, jossa luotain tekee planeetalta toiselle matkatessaan puoli kierrosta Auringon ympäri. Luotain täytyy lähettää juuri oikealla aikavälillä, tyypillisesti viikon tai kahden aikana. Näitä aikavälejä kutsutaan laukaisuikkunoiksi. Pisin laukaisuikkunoiden väli on Marsilla, yli kaksi vuotta. Useimmat luotaimet viedään aluksi Maata kiertävälle pysäköintiradalle, jolta ne sopivalla hetkellä lähetetään eteenpäin. Luotaimet käyttävät apunaan ratansa ja nopeutensa muuttamisessa planeettojen painovoimaa.

Matkan aikana

Satelliitti pidetään avaruudessa vakaana ohjausraketeilla, pyörimisliikkeellä tai käyttämällä painoja. Asentoa säädetään ohjaussuuttimilla, jotka ovat pieniä rakettimoottoreita.

Satelliittien ja avaruusalusten virtalähteinä toimivat käyttöalueesta riippuen akut ja paristot, aurinkokennot, polttokennot tai radioaktiiviseen hajoamiseen perustuvat laitteet.

Jos luotain tai sen osa laskeutuu kohteen pinnalle, sen nopeutta voidaan ensin hidastaa raketeilla ja asettaa se kohdetta kiertävälle pysäköintiradalle. Sieltä laskeutuja jatkaa matkaansa kohteen pinnalle. Laskeutuminen on mahdollista myös suoraan lennon päätteeksi, jolloin ilmakehän kitka hidastaa laitetta.

Satelliitit ja luotaimet välittävät havaintonsa Maahan yleensä radioaaltojen ja mikroaaltojen avulla, joskus myös laseriin perustuvalla optisella yhteydellä. Heikko signaali vastaanotetaan suurella radioteleskoopilla.

Avaruusmatkan suurimpia vaaroja ihmiselle ja muille eliöille ovat avaruudessa risteilevä vaarallinen lyhytaaltoinen röntgen- ja gammasäteily, sillä avaruudessa ei ole ilmakehää joka pysäyttäisi sen. Myös aurinkotuulena ja kosmisena säteilynä tulevat hiukkaset ovat vaarallisia. Maata kiertävällä radalla on paljon avaruusromua, joka voi liikkua hyvin kovalla vauhdilla ja saattaa vaurioittaa satelliitteja.

Miehitetyllä avaruuslennolla täytyy avaruuslentäjille taata elinkelpoiset ja mukavat olosuhteet, joihin kuuluvat muun muassa ravinto ja vesi, hengitysilma jossa on happea, peseytymismahdollisuudet ja sairaanhoito. Avaruuspukua tarvitaan avaruusaluksen ulkopuolella liikkumiseen. Koska avaruudessa ei ole painovoimaa, avaruusalus ja sen matkustaja ovat painottomassa tilassa. Painottomuudella on ihmiselle sekä välittömiä että pitkäaikaisia kielteisiä fysiologisia vaikutuksia, minkä vuoksi avaruusaluksissa joskus jäljitellään painovoimaa esimerkiksi pyörivällä rakenteella.

Paluu Maahan

Apollo-komentomoduuli palaamassa Maan ilmakehään, jossa se kuumenee kitkan vaikutuksesta.

Kun luotain tai avaruusalus laskeutuu takaisin Maahan, sen nopeutta on ensin vähennettävä. Jarrutukseen voidaan käyttää rakettia tai ilmakehän vastusta. Ilmakehän kitka aiheuttaa aluksen voimakkaan kuumenemisen. Putoava kappale voi tulla alas ballistista rataa vapaassa putoamisliikkeessä, loivempaa ja pitempää rataa, tai niin sanottua pomppurataa, jolloin se menettää nopeuttaan joka kerta kun se osuu ilmakehän yläosaan. Loppumatkan avaruusalus laskeutuu laskuvarjon varassa. Avaruussukkula liitää alas ja laskeutuu kuin lentokone.

Sovellukset

Avaruuslennoilla on monenlaisia sovelluksia. Avaruuslentojen avulla saadaan uutta tieteellistä tietoa maailmankaikkeudesta, ja ne ovat synnyttäneet uuden tieteenalan, avaruustähtitieteen. Satelliittien tekemistä havainnoista ovat hyötyneet myös Maata tutkivat tieteet, kuten meteorologia, geologia, geodesia, meritiede ja ekologia.

Avaruuslennoilla on kaupallisia sovelluksia tietoliikenteessä, kaukokartoituksessa ja sään ennustamisessa. Tiedustelussa käytetään tiedustelusatelliitteja. Avaruusteollisuuden ohessa syntynyt uusi tekniikka ja uudet tuotteet ovat levinneet myös jokapäiväiseen käyttöön. Avaruuslentoja varten on kehitetty erilaisia materiaaleja, elektroniikkaa ja tietotekniikkaa, turvallisuusratkaisuja sekä lääketieteellisiä sovelluksia.

Jotkin avaruusjärjestöt järjestävät miljoonia euroja maksavia turistimatkoja avaruuteen.

Vaihtoehtoja

Vaihtoehtoisia tapoja avaruuteen pääsemiseksi ovat toistaiseksi vain teorian tasolla olevat avaruushissi ja avaruuskoukku.

Lähteet

• Karttunen, Hannu: Avaruuden valloitus. Helsingissä: Ursa, 2014. ISBN 978-952-5985-25-2

Aiheesta muualla

• avaruuslennot.fi – Miehitettyjen avaruuslentojen sivusto suomeksi
• NASA Johnson Space Center: U.S. Human Spaceflight History (englanniksi)