ESTCube-1 teekond kosmosesse

Missioon

E-puri on uudne planeetidevaheliste reiside jaoks vajaliku tõukejõu saamise kontseptsioon, mis kasutab edasi liikumiseks päikesetuult. Kui pikad, peened, laetud traadid paigutatakse looduslikku ioniseeritud osakeste ehk plasma voolu, näiteks päikesetuule kätte, tõukab traadi ümber olev elektriväli päikesetuule osakesi eemale, millest tulenevalt lükatakse kosmoseaparaati edasi. E-purje traadid hoitakse pinge all kõrgepingeallikaga. Traadi positiivse pinge säilitamiseks pumbatakse elektronkiirguri abil ümbritsevast plasmast kogutud liigseid elektrone pidevalt välja. Kui on kinnitatud üks või mitu e-purje kinnitustraati, saab kosmoselaeva nii Päikesest eemale kõrgemale tõugata kui ka vastutuult Päikese poole „halssida“ kallutades purje orbiidi liikumist pidurdama, nii et Päikese gravitatsioon tõmbab seda sissepoole.

E-puri ei tööta tõukeallikana magnetosfääri sees, näiteks sellises keskkonnas, mis kaitseb Maad päikesetuule ja kosmilise kiirguse eest. Seetõttu peab e-purje kasutav kosmoselaev magnetväljast kõrgemal orbiidil asuma, näiteks Maa ja Kuu vahele jäävas (tsislunaarses) ruumis. Hoolimata piirangutest Maa magnetosfääris, saab e-purje magnetosfääri sees asuvas ionosfääris toimimiseks ümber seadistada plasmapiduriks. Kui anda traatidele hoopis negatiivne laeng, aitab puri satelliiti pidurdada ja selle atmosfääri tagasi tuua. Nii saab satelliidi missiooni lõppedes ohutult kõrvaldada. Traadid võiksid olla ka positiivselt laetud, kuid ionosfääris on negatiivne polaarsus kasulikum - negatiivne režiim tarbib vähem energiat ega vaja elektronkiirgurit.

Plasmapidur ja e-puri tekitavad mõlemad sama laadi nähtuse, mida nimetatakse Coulomb‘i pidurdusjõuks. Üldiselt saab Coulomb‘i tõukejõudu (Coulomb Drag Propulsion, CDP) luua laetud traadi ja mis tahes plasmavoo vahel. Kuigi ionosfääri plasma on peaaegu paikne, on Maa madalorbiidil (Low Earth Orbit, LEO) oleva satelliidi suhteline kiirus plasma suhtes umbes seitse kilomeetrit sekundis. See suhteline kiirus tekitab plasmavoo, mis hõõrdumise tõttu pidurdab satelliiti sarnaselt auto piduritele vajutamisega. Pidurdamisefekt vähendab orbiidi kõrgust. Huvitav on see, et vastupidiselt ootusele satelliidi kiirus hoopis suureneb, sest taevamehaanika seadused näevad ette, et madalamal orbiidil oleval satelliidil on suurem orbiidikiirus kui sel oleks kõrgemal orbiidil. See on tingitud satelliidi „kukkumisest“ sügavamale Maa gravitatsioonilohku.

Kuigi ESTCube’i meeskond püüab jõuda tähtedeni päikesetuulel purjetades (nagu meie moto ütleb: per solem ad astra - päikese kaudu tähtede poole), siis esimene samm e-purje testimiseks on siiski kodule lähemal Maa madalorbiidil. Paljusid e-purje komponente ja aluspõhimõtteid saab katsetada ionosfääri „plasmapiduri” režiimis, kutsudes esile mõningast orbiiti langetavat toimet. Täies ulatuses toimiv Coulomb‘i tõukejõusüsteem nõuaks lõpuks traadipikkust, mis jääb sadade meetrite ja kümnete kilomeetrite vahele. Esimene tehnoloogiakatsetus ESTCube-1 pardal oli kavandatud tagasihoidliku 10 meetri pikkuse traadiga, millest piisas kontseptsiooni esialgseks testimiseks.

Coulomb‘i tõukejõu lühiajalise toime (pöörlemiskiiruse muutuse) ja plasmapiduri pikaajalisema toime (orbiidi langetamise) eristamiseks töötati välja kaks eksperimentaalset režiimi. Esimesel režiimil pöörleb satelliit ümber ühe telje ja kerib pöörlemistasandil traati välja. Tsentrifugaaljõud „tõmbab“ traati vähehaaval väljapoole, ning mootori ülesanne on seda järgi anda. Seejärel laetakse traati kas plasma suhtes üles- või allavoolu liikudes. Näiteks kui laadida seda allavoolu liikudes, suureneb veidi ka satelliidi pöörlemiskiirus. Kümnete pööretega mõõdetuna oleksid ESTCube-1 pöörlemis- ja asendiandurid suutnud salvestada märgatava pöörlemiskiiruse umbes pool kraadi sekundis

Teisel režiimil laetakse traati pidevalt, mis võimaldab satelliidil stabiliseeruda sellises konfiguratsioonis, kus traat on suunatud Maa poole või sellest eemale. Seda nimetatakse ka stabiliseerimiseks gravitatsioonigradiendi abil. Kümnemeetrise traadi põhjustatud plasmapidurdusefekt on väike, lühendades satelliidi orbiidil viibimise aega näiteks 23-lt 18-le aastale. Kuid nagu näitab ESTCube-2 missiooni ülesehitus, aitab traadi pikkuse suurendamine kolmesaja meetrini kuupsatelliidil madalorbiidilt väljuda vähem kui kahe aastaga. E-purje eksperimendi töötas välja Soome meteoroloogiainstituut (FMI) koostöös Saksa Lennunduskeskuse (DLR) ja kolme Soome instituudiga: Helsingi ülikooli, Jyväskylä ülikooli ja Ida-Soome ülikooliga.

Satelliit

E-purje satelliidile paigutamine on põnev, kuid mitte lihtne ülesanne. Selle paigutamine üheühikulisele kuupsatelliidile ehk kümne sentimeetrise kuubi sisse on veelgi raskem. Kõik satelliidi nominaalsed funktsioonid, mis on seotud side, elektritootmise ja -jaotamise, andmetöötluse, asendi määramise ja tugistruktuuriga, peavad mahtuma 9 × 9 cm trükkplaatidele, mis on ühendatud mehaaniliste komponentidega nagu antennid, päikesepaneelid, patareid ja poolid, mis omakorda saavad olla vaid sama suured või väiksemadki. Kuigi e-purje last võtab enda alla vähem kui veerandi mahust, seab see satelliitplatvormile kõrged ootused. E-purje katsetamine ehk traadi väljakerimine selle otsa kinnitatud ankurraskuse abil nõuab satelliidiplatvormilt pöörlemiskiirust vähemalt üks pööre sekundis ümber satelliidi telje. Esimene väljakutse on teha see manööver koostöös teiste satelliitsüsteemidega nii, et need oleksid võimelised jätkama oma nominaalseid funktsioone.

Tüüpiline kuupsatelliit sisaldab ka kaamerat ja ESTCube-1 vajas e-purje lasti tõttu head kaamerat. Sellise õrna traadi lahtikerimisel on oluline teada, kas see tegelikult ka õnnestub, sest nagu näitasid stardieelsed vibratsioonitestid, võib valesti keritud alumiiniumtraat kanderakettide täisvõimsusel kiirendamisel lihtsalt tolmuks pudeneda. ESTCube-1 kaamera töötati välja ja testiti Tartu Observatoorumi laborites, mistõttu võis kindel olla selle suutlikkuses pakkuda kvaliteetseid pilte.

Satelliidi kvalifikatsioon

Meeskond hindas 2012. aasta suvise töötoa käigus, et disaini viimistlemiseks piisab vaid aastast: seda nii ESTCube-1 lennumudeli väljatöötamiseks, tootmiseks, kokkupanekuks ja alamsüsteemide integreerimiseks ning selle stardiks valmis saamiseks. Satelliidi kosmosesse lennutamise võimaluse leidmine on peen kunst, mis ühendab endas nõuded orbiidile ja ajakavale, eelarve, poliitika, läbirääkimised ja avaliku toetuse.

Soovitud tulemuste saavutamine samaaegselt igas aspektis on üsna keeruline. ESTCube-1, nagu enamik haridusteemalisi kuupsatelliidi projekte, oli tugevalt alarahastatud ja tuginedes vabatahtlike õpilaste entusiasmile. Tartu observatoorium ja Tartu Ülikool olid lubanud katta satelliidi stardikulud. Tänu Eesti Kosmoseameti ja juhtivate poliitikute tugevale toetusele pakkus ESA 2012. aasta suvel lastikohta ESTCube-1 satelliidile Vega raketi teisel katselennul, mis oli planeeritud 2013. aasta esimesse kvartalisse.

Kui võimalus augustis 2012 avanes, pidi meeskond otsustama, kas võtta stardikoht ja kiirendada ajakava enam kui kahekordseks või oodata järgmist võimalust. Kiiresti otsustati uuendada oma arendusplaane ja lühendada kvalifikatsioonikampaaniat, valides niinimetatud protolennu mudeli lähenemise, mis tähendab teisisõnu lihtsalt inseneri- ja lennumudeli ühendamist, et seda kasutada kogu heakskiidu- ja kvalifikatsioonikampaania käigus ning saata see ka kosmosesse. Enamasti viiakse karmimad katsetused läbi kvalifikatsioonimudelil,

mida ei viida orbiidile ja see minimeerib testimisfaasi ajal lennumudeli kahjustamise riski. Järgmine sügis-talv oli paljude ESTCube‘i meeskonnaliikmete elus kõige tihedam ja intensiivsem tööperiood. Paljude inseneride jaoks oli pärast keskööd koju jõudmine saanud elu tavaliseks osaks. 2012. aasta jõuludeks oli ESTCube-1 kokku pandud, integreeritud ja esmakordselt vibratsioonitestideks valmis. Lisaks läbis see esimest korda ka termilise vaakumi katsetused ja paljud muud kriitilised testid.

Vibratsioonitestid on satelliidiehitajatele üsna pingelised, ESTCube-1 katsetuste tulem oli tõeliselt halb üllatus. Ei osatud ette näha, et välisvibratsioon võib põhjustada mootori pöörlemise. Ajal, mil satelliit pidi stardipakkuja poole liikuma hakkama, avastas meeskond, et peavad ESTCube-1 sisikonna puhastama peenest alumiiniumitolmust, mis tuli purunenud e-purje traadist. Üks oli selge - vaja oli rohkem aega, et ESTCube-1 oleks õigel ajal käivitamiseks töökorras. Satelliitide kohaletoimetamine lükati edasi 2013. aasta jaanuari lõppu ning platvormi- ja lastitiimid töötamist hädarežiimis.

Õnneks ei tekitanud alumiiniumtolm püsivaid kahjustusi, kuid e-purje lastiga oli olukord nigelam - kiirkorras oli vaja uut traati. E-purje lastimeeskonna teine lahendamist vajav probleem oli stardivibratsioonide ajal traadirulli liikumise peatamine. Varem hoiti traadi ankurraskust paigal stardiluku abil. Sarnane lukumehhanism paigaldati ka nüüd traadirullile, mis mootorit stardi ajal paigal hoiaks. Kosmoses vabastati mõlemad stardilukud plastiknööri läbi põletamisega. Kui satelliit sai puhastatud, traat valmistatud ning stardilukkudega kindlustatud, läbiti uued kvalifikatsioonkatsed. Seejärel oli meeskond 21. jaanuaril 2013 valmis ESTCube-1 satelliiti välja saatma.

Loe ka ESTCube-1 satelliidi missioonist ja selle lõpust rääkivat blogi teist artiklit.

Originaali autor: Andris Slavinskis
Kaasautorid: Pekka Janhunen, Mihkel Pajusalu ja Mart Noorma
Originaali toimetaja: Silvia Kristiin Kask
Kujundused: Anna Maskava ja Rute Maria Jansone
Korrektuur: Robert B. Davis
Eestikeelne tõlge: Lyra Translations OÜ
Eestikeelne toimetus: Hans Teras, Katriin Kristmann