lauantai 25. toukokuuta 2013

Reaktiopyörä lakkasi toiminnasta

Taiteilijan näkemys avaruudessa
olevasta Kepler-observatoriosta.
Kuva Nasa/Kepler.

Avaruusprojekteista saadaan silloin tällöin järkyttäviä uutisia. Ehkä kuuluisin tämän sarjan viesti avaruudesta oli 1970-luvun alkupuolella, kun Nasan lennon valvonta vastaanotti viestin: "Houston, meillä on ongelma" ("Houston, we have a problem!"). Nämä legendaariset sanat lausui Apollo 13 lennolla komentajana toiminut James Lowell huhtikuun 14. päivänä 1970.

Sanat on toistettu sittemmin lukemattomia kertoja mitä moninaisimmissa ja vakavuudeltaan erilaisissa tilanteissa. Itse Apollo-lentoja tarkasti ja mahdollisimman reaaliaikaisesti seuranneena nämä sanat merkitsevät minulle aina vakavaa ongelmaa – niin vakavaa, että en missään oloissa haluaisi niitä kuulla.

Toinen, vakavuudeltaan lähes yhtäläinen viesti avaruudesta tulleena on "reaktiopyörä on vaurioitunut". Usein kuitenkin kyseessä on "vain" miehittämättömän avaruusluotaimen tai observatorion laiterikko, jollaisia tapahtuu väistämättä laitteiden ikääntyessä avaruuden olosuhteissa suhteellisesti hyvin nopeasti. Tilanne ei aina ole yhtä turvallinen, sillä kaikissa miehitetyissä avaruusasemissa on reaktiopyörät. Tällöin niiden vaurioituminen vaatii aina korjaustoimia.

Reaktiopyörät – siis monikossa, sillä niitä tarvitaan yleensä ainakin kolme samaan aikaan toimivaa – ovat hyvin tärkeitä ja toistaiseksi lähes korvaamattomia laitteita asennonsäädössä. Vaikka ne eivät ole ainoita keinoja avaruusaluksen asentovakauden säilyttämisessä, ne ovat usein tehokkain menetelmä.

Periaatteessa reaktiopyörä on vain vauhtipyörä, jonka pyöriessään pyrkii pitämään suuntansa vakaana ulkopuolisten voimien vaikuttaessa siihen. Suuntavakaus on seurausta gyrovoimaksi nimetystä reaktiosta mille tahansa häiriövoimalle. Esimerkiksi polkupyörällä ajaminen olisi mahdotonta ilman renkaiden synnyttämiä gyrovoimia. Jokainen voi etsiä gyrovoiman selityksen vanhasta fysiikan koulukirjastaan tai netistä, jos sen syntytapa on jo unohtunut. Maapallon prekessio on myös seurausta gyrovoimasta.

Kolmeulotteisessa avaruudessa kappaleen suuntavakauden säilyminen on vaikea asia hallittavaksi. Periaatteessa pienikin voima, momentti tai gravitaatiohäiriö saa aikaan asennon muuttumisen. Asennon muutos ei kuitenkaan vaimene kuten maanpinnalla kitkan ja voimakkaan gravitaation vaikutuksesta, vaan jatkuu ja jatkuu kunnes se on muuttunut pyörimisliikkeeksi. Olipa siis kyseessä mikä tahansa avaruuteen lähetettävä laite, niin sen asennon säätöön pitää kiinnittää erityisen suuri huomio.

Tavallisesti avaruusluotainta itseään voidaan käyttää reaktiopyöränä saattamalla se pyörimään jonkin akselinsa ympäri. Maata kiertävien satelliittien ja etenkin miehitettyjen avaruusalusten kohdalla tämä ei kuitenkaan aina ole mahdollista. Tällöin ne varustetaan aktiivisella asennon säädöllä, hyvin usein reaktiopyörillä; tavallisesti niitä on kuusi, kaksi jokaiselle kolmelle akselille. Käytössä niitä yleensä on vain kolme, toisten ollessa varalla.

Tähänastinen kuulostaa varsin yksinkertaiselta, ja osittain se sitä onkin. Mutta aina on jossakin se "mutta", niin tässäkin: käytössä reaktiopyörän pyörimisvauhti pyrkii kasvamaan ja lopulta se on kiihtynyt niin nopeaksi, että pyörän vauhtia on hidastettava hukkaamalla pyörimismomentti tavalla tai toisella jonnekin aivan muualle. Tämä prosessi kuormittaa laitteistoa merkittävästi.

Mielikuva avaruudessa pyörivästä vauhtipyörästä on turhankin yksinkertaistettu. Todellisuudessa reaktiopyörät ovat erittäin monimutkaisia elektronisia laitteita sen vauhtipyörän lisäksi. Niinpä laitteiston vaurioituminen avaruuden olosuhteissa on väistämätöntä mitä pitempään se on toiminnassa. Mekaaninen pyöriminen vaatii aina pyörimisakselin laakeroinnin. Pienikin kuluminen tai vaurio laakereissa lisää kitkaa ja aiheuttaa näin toimintaherkkyyden muutoksen. Lisäkitka kuumentaa laakeria ja lopulta se vaurioituu jopa mekaanisesti.

Laakerit eivät ole ainoa vikamahdollisuus. Reaktiopyörän elektroniikka itsessään vanhenee ja kosminen hiukkassäteily ja nopeat protonit kuormittavat laitteistoa ja lopulta elektroniikka pettää jossakin kohtaa. Tästä syystä avaruuslaitteet varustetaan varaosilla riittävän toiminta-ajan takaamiseksi.

Tuorein uutinen reaktiopyörän vikaantumista saatiin parisen viikkoa sitten. Joutsenen ja Lyyran tähdistöjen rajalla sijaitsevaa tähtijoukkoa tarkkaileva Kepler-avaruusobservatorion toinen reaktiopyörä on vaurioitunut. Ensimmäinen vaurioitui viime kesänä. Kepleriin on asennettu kaikkiaan neljä reaktiopyörää, joten jäljellä on vain kaksi toimivaa laitetta. Tämä tarkoittaa sitä, että Keplerin asennonsäätö ei enää toimi tehtävän vaatimalla riittävällä tarkkuudella.

Kepler ei kuitenkaan joudu välittömään pyörimisliikkeeseen, sillä kahden reaktiopyörän, tähtiseurantalaitteiden (Star Tracker) ja ohjausrakettien avulla se kyllä saadaan pysymään kutakuinkin suunnassaan.  Lisäksi insinöörit voivat keksiä muita keinoja observatorion vakauttamiseen, mahdollisesti jopa alkuperäisen tehtävän jatkamiseen, joten olkaamme toiveikkaita.