ESCAPADE-tehtävän luotaimet lähtivät kohti Marsia

KAK – NASAn uusin aurinkotuulta ja sen vaikutuksia Marsin kiertoradalla havainnoivan ESCAPADE-tehtävän ^[1] kaksoisluotaimet laukaistiin avaruuteen Cape Canaveralista marraskuun 13. päivänä 22.55 Suomen aikaa. Kantorakettina oli Blue Origin yhtiön New Glen (NG-2) kantoraketti ^[2].

 

Molemmat luotaimet (Blue ja Gold) ovat rakenteeltaan identtiset. Kuva NASA.

Noin 33 minuuttia lähdön jälkeen luotaimet irrotettiin kantoraketista. Kello T+33.18 irrotettiin Blue-luotain ja 30 sekuntia myöhemmin Gold-luotain. Nimet tulevat Kalifornian yliopiston Berkeleyn koulun väreistä.  Luotaimet tulevat asettumaan aluksi Maan Lagrangen L2-pistettä kiertävälle radalle, jossa ne odottavat Maan ja Marsin asettumista sopiviin asemiin. Alkulennon aikana tutkimuslaitteet ja luotaimen lennon hallinnan laitteet tarkistetaan ja säädetään toimimaan suunnitellusti.

Varsinainen marslento alkaa vuoden kuluttua marraskuussa 2026. Silloin luotaimet ohjataan kulkemaan hyvin läheltä Maata, jolloin Oberthin efektin vaikutuksesta ne saavat lisäimpulssin planeettojen väliselle lennolle. Tällainen rata mahdollistaa mahdollisimman pienen polttoainemäärä lennon toteuttamiseen. Nykyisin tällaisia linkoratoja käytetään lähes aina planeettojenvälisten luotainten ratojen muokkaamiseen ja tarvittavan lisänopeuden hankkimiseen.

Polttoaineen säästämiseksi luotaimet odottavat sopivaa ajankohtaa Marsiin vivälle radalle Lagrangen pisteen L2 radalla. Sen jälkeen ne käyttävät linkorataa, jonka avulla luotaimet saavat lisäenergiaa maapallolta. Kuva NASA.

 

Lento Marsiin kestää 10 kuukautta, jonka aika tehdään tarvittavia ratakorjauksia (TCM), jotta luotaimet saapuisivat perille juuri oikeaan aikaan. Syyskuussa 2027 luotaimet asettuvat Marsin kiertoradalle [4]. Loka-joulukuussa rataa muutetaan hiljalleen hieman matalammalle radalla.  Toisistaan irrotetut luotaimet asettuvat aluksi samalle kiertoradalle (kesäkuu 2028) ja niiden etäisyys on lentoaikana mitattuna enintään 4 – 30 minuuttia. Rataa kutsutaan lempinimellä ”helminauha”. Kiertorata mahdollistaa aurinkotuulessa tapahtuvien nopeiden muutosten havaitsemisen.

Seuraava lennon vaihe alkaa joulukuussa 2028, jolloin luotaimet siirtyvät omille radoilleen. Gold-luotain kasvattaa suurinta etäisyyttä Marsistaan ja vastaavasti Blue-luotain laskee sitä. Muutosten myötä luotaimet mittaavat Marsina magnetosfäärissa eri alueita. Tämä vaihe jatkuu toukokuuhun 2029, jonka jälkeen toistaiseksi suunnitelmissa oleva tutkimustoiminta päättyy. On luotaimet ja niiden havaintoinstrumentit käyttökelpoisessa kunnossa ja onko polttoaineita riittävästi jäljellä ratakorjauksiin, ovat sellaisia kysymyksiä, jotka ratkeavat ajan kanssa. NASA on kuitenkin pyrkinyt käyttää toimintakuntoisia avaruusluotaimia niin pitkään kuin mahdollista, joten hyvällä onnella Goldin ja Bluen tarina jatkuu – ehkä!

Lennon ensimmäisessä havaintovaiheessa luotaimet ovat samalla radalla Marsia kiertäen. Tälainen rata mahdollistaa lyhytaikaisten ilmiöiden havaitsemisen. Kuva NASA.

Luotaimet ovat rakenteellisesti samanlaisia ja kummassakin niistä on samat havaintoinstrumentit ^[3]. Laitteiden tekemien havaintojen avulla tutkijat pyrkivät ymmärtämään Marsin magnetosfäärin rakennetta ja prosesseja, jotka vaikuttavat ja ohjaavat ionivirtoja. Aikaisemmin tällaista kahden luotaimen avilla tehtyä tutkimusta ei ole tehty Marsin kiertoradalla. 

Jälkimmäisellä havaintokaudella luotaimet ovat omilla radoillaan, joten niiden havainnot mahdollistavat  kausaalisien riippuvuuksien tutkimisen. Kuva NASA.

 Toinen tärkeä tutkimuskohde on aurinkotuulen energiavirtojen kulkeutuminen ja liikemäärän vaikutus nykyiseen magnetosfääriin. Kolmas tavoite on aurinkotuulen vuorovaikutusprosessit ovat tärkeimpien tavoitteiden joukossa, jolla pyritään selvittämään, miten aurinkotuuli on vaikuttanut Marsin ilmakehän riipiytymiseen aikojen kuluessa. Neljänneksi luotaimet tuottavat tietoa Marsin lähiavaruuden avaruussäästä, sen vaikutuksista Marsiin ja aurinkomyrskyjen vaikutukset planeetan pinnalla. Marsin globaalin magneettikentän puuttuminen on miehitettyjen lentojen ja mahdollisesti Marsin pinnalle perustettavien siirtokuntien yksi vaikeammin hallittavista ihmisten terveyttä ja henkeä vaarantavista tekijöistä.

 

Viitteet

[1] Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers

 

[2] New Glenn tekniset yksityiskohdat

Korkeus: 98 metriä

Halkaisija: 7 metriä

Moottorit: 7 × BE-4 (1. vaihe) + 2 × BE-3U (2. vaihe)

Työntövoima: Yli 16,9 MN nousuvaiheessa

Kantokyky: 45 tonnia LEO-kiertoradalle, 13,6 tonnia GTO-kiertoradalle.

Raketissa on tilaa kahdelle ESCAPADE-luotaimelle lisäksi Viasatin HaloNet-demonstraatiokuormalle.

New Glenn on nimetty astronautti John Glennin mukaan, joka oli ensimmäinen amerikkalainen Maan kiertoradalla.

 

[3] Havaintoinstrumentit ovat:

EMAG magnetometri (NASA Goddard)

EESA elektrostaattinen analysaattori – ionit ja elektronit (UC Berekeley)

ELP Langmuir Probe – plasmaominaisuudet (Embry-Riddle)

VIS/IR näkyvän valo ja infrapunaisen valon kamera (Northern Arizona University).

 

Mittaustapa ja tarkkuus:

Magneettikenttä: 3-akselinen vektori mittaus, herkkyys nanotesla-tasolla

Ionit: Energia-alue 10 eV - 30 keV, massaerottelu H⁺, He⁺⁺, O⁺

Elektronit: Energia-alue 1 eV - 50 keV, kulmaerottelu 360°

Plasma: Elektronitiheys ja lämpötila, ionien drift-nopeus

Kuvat: Näkyvä ja infrapuna-alueet, mahdollisuus Marsin vihreiden revontulien havaitsemiseen.

 

[4] Kiertorata (syyskuu 2027)

Kiertoradan tyyppi: Korkea elliptinen rata

Periapsis: ~160 km

Apoapsis: 7,000-10,000 km

Kiertoaika: ~87 tuntia

Kaltevuus: 60°

 

 

ESA laukaisee uusimman Arian 6-kantoraketin tänään

Euroopana avaruusjärjestö ESA:n uusi Ariane 6 -kantoraketti on valmistautumassa ensilentoonsa tänään Ranskan Guineasta. Laukaisuikkuna avautuu kello 21 Suomen aikaa ja viimeinen mahdollisuus on noin kello 1 huomenna. Lähtö voi seurata ESAn Web-tv:stä, jossa suora lähetys alkaa kello 20.30 Suomen aikaa.

Havainnekuva Ariane 6-kantoraketin lähdöstä. Kuva ESA.

Jos lähtö onnistuu, niin uusi kantoraketti tulee muovaamaan Euroopan avaruusohjelmaa tulevina vuosina. Ariane 6 on suunniteltu korvaamaan Ariane 5 -raketti, jonka viimeinen avaruustehtävä toteutettiin viime vuonna. Kaikkiaan Ariane 5 rakettia käytettiin 117 lähtöön vuosina 1996 – 2023.

Ariane 6:n kehitystyön tarkoituksena on ollut tarve vähentää laukaisukustannuksia ja parantaa kilpailukykyä kaupallisilla satelliittilaukaisumarkkinoilla. Jotta tavoite saavutettaisiin, Ariane 6 on suunniteltu aikaisempia malleja suuremmaksi ja sen lastiruumaan mahtuu jonkin verran ulottuvampia hyötykuormia.

Rakenteellisesti Ariane 6 on moduulirakenteinen, josta on käytettävissä kaksi eri konfiguraatiota Ariane 62 ja Ariane 64. Ero näiden kahden mallin välillä on kiinteää ajoainetta käyttävien apurakettien määrässä: Ariane 62 versio käyttää kahta kiinteää apurakettia ja se on tarkoitettu kevyempien hyötykuormien laukaisuun ja Ariane 64 käyttää neljää kiinteää apurakettia ja pystyy viemään avaruuteen raskaampia hyötykuormia.

Ariane 6 raketin ylin vaihe Vinci-moduuli, joka vie avaruuteen määritellylle kiertoradalle hyötyluormat. Ensilennolla on muka useita cub-satelliitteja, jote alus sirottelee useille eri kiertoradoille. Kuva ESA.

 

Ensimmäisessä vaiheessa on Vulcain 2.1 -moottori, jonka ajoaineena on nestemäistä happea (LOX) ja nestemäistä vetyä (LH2). Toisessa vaiheessa käytetään Vinci-moottoria, joka myös käyttää nestemäistä happea ja vetyä. Ariane 62: pystyy viemään avaruuteen matalalle kiertoradalle noin 10 350 kg ja noin 5 000 kg geosynkroniselle siirtoradalle (GTO). Tehokkaampi versio Ariane 64 vie avaruuteen maksimissaan 21 650 kg matalalle kiertoradalle ja geosynkroniselle radalle noin 11 500 kg.

Ariane 6 kantoraketit odotetaan olevan keskeisessä roolissa Euroopan avaruusohjelmassa seuraavien vuosikymmenten aikana, tarjoten luotettavan ja kustannustehokkaan laukaisualustan erilaisille avaruustehtäville, mukaan lukien kaupalliset satelliitit, tieteelliset instrumentit ja miehittämättömät avaruuslennot. Ariane 6 siis edustaa merkittävää edistysaskelta Euroopan avaruusteknologiassa ja on tärkeä osa ESA strategiaa säilyttää ja kasvattaa Euroopan kilpailukykyä avaruusalalla.

Ariane 6 -kantoraketin kehitystyössä kohdattiin useita haasteita, jotka johtivat projektin viivästymiseen. Yksi merkittävimmistä haasteita oli uusien Vulcain 2.1 ja Vinci -moottoreiden kehittäminen ja testaaminen. Täysin uusien moottoreiden kehittäminen oli monimutkainen ja aikaa vievä prosessi. Suorituskyvyn, luotettavuuden ja turvallisuuden varmistaminen vaati useita testikierroksia ja optimointeja.

Kiinteää ajoainetta käytävien apurakettien (P120C) kehitystyössä kohdattiin myös omia haasteitaan. Nämä apuraketit ovat kriittinen osa Ariane 6 modulaarista rakennetta, ja niiden suorituskyvyn sekä valmistusprosessien optimointi vaati aikaa.

Koko järjestelmän laajat testaukset olivat välttämättömiä ennen ensimmäistä laukaisua. Testit sisälsivät sekä maassa että simuloiduissa avaruusolosuhteissa suoritettuja kokeita, joiden tarkoituksena oli varmistaa raketin toimivuus kaikissa tilanteissa.

Kehitysprojektin budjetti ylitti alun perin suunnitellut kustannukset. Taloudelliset rajoitteet ja budjetin ylitykset aiheuttivat viivästyksiä ja uudelleenarviointeja projektin eri vaiheissa.

Kaiken lisäksi COVID-19-pandemia aiheutti merkittäviä häiriöitä globaaleihin toimitusketjuihin, työskentelyolosuhteisiin ja kehitysprosessiin. Monet avaruusalan projektit, mukaan lukien Ariane 6, kokivat viivästyksiä ja resurssipulaa pandemian vuoksi.

Näiden haasteiden yhteisvaikutus johti siihen, että Ariane 6 kehitys- ja laukaisuaikatauluja jouduttiin lykkäämään useaan otteeseen. Vaikka teknologiset innovaatiot ja uusien järjestelmien kehittäminen olivat odotettuja haasteita, yhdistettynä taloudellisiin ja ulkoisiin tekijöihin, ne muodostivat merkittävän kokonaisviiveen. ESA ja Ariane Group jatkavat kuitenkin työskentelyä varmistaakseen, että Ariane 6 on valmis tarjoamaan luotettavia ja kustannustehokkaita laukaisupalveluja tulevaisuudessa.

Ariane 6 -kantoraketin tälle päivälle suunniteltu ensilento kantaa mukanaan erilaisia hyötykuormia, jotka on tarkoitettu pääasiassa demonstraatiokäyttöön. Hyötykuorma koostuu useista Cube-satelliiteista, joita irrotetaan useassa eri vaiheessa lennon aikana. Tämän lennon tarkoituksena on osoittaa Ariane 6:n kykyä asettaa hyötykuormia erilaisille kiertoradoille, mikä korostaa sen monipuolisuutta ja potentiaalia tulevia kaupallisia ja institutionaalisia tehtäviä varten​​.

ESAlla on laajat suunnitelmat Ariane 6 -kantoraketin suhteen, ja nämä suunnitelmat kattavat sekä kaupalliset että tieteelliset laukaisut. 

Kaavakuva ensilennon hyötykuormasta. Cube-satelliitit on sijoitettu neljään eri laukaisuyksikköön ja sen lisäksi siinä on mukana myös muita tutkimuslaitteistoja. Kaikkiaan hyötykuormana on 17 erilaista laitteistoa, joista on kerrottu enemmän ESAn sivuilla. Kuva ESA.

 

ESA ja Arianespace aikovat käyttää Ariane 6 merkittävissä kaupallisissa satelliittilaukaisuissa. Tavoitteena on kilpailla SpaceX ja muiden suurten laukaisupalveluntarjoajien kanssa tarjoamalla kustannustehokkaita ja luotettavia laukaisuja. Ariane 6 modulaarinen rakenne ja uudelleenkäynnistettävä ylävaihe mahdollistavat laajan valikoiman tehtäviä, mukaan lukien satelliittikonstellaatiot kuten Amazonin Kuiper-projekti, johon Arianespace on jo myynyt 18 laukaisua​.

ESA suunnittelee käyttävänsä Ariane 6 -rakettiaan myös omiin tieteellisiin ja teknologisiin missioihinsa. Tämä sisältää maapallon havainnointisatelliitit, avaruustutkimusmissiot ja muut tieteelliset instrumentit, jotka vaativat tarkkoja kiertoratoja. Kantoraketin kyky suorittaa monimutkaisia laukaisuja erilaisiin kiertoratoihin tekee siitä ihanteellisen alustan näille tehtäville.

Ariane 6:lla tulee olemaan keskeinen työkalu Euroopan avaruusstrategian toteuttamisessa, tukien Euroopan unionin, ESA ja jäsenvaltioiden avaruusohjelmia. Tämä sisältää turvallisuuteen, navigaatioon ja viestintään liittyvät satelliitit. Laukaisujen tukeminen Euroopan strategisille ja turvallisuuteen liittyville hankkeille on yksi raketin päätavoitteista.

ESA ja Arianespace aikovat lisätä Ariane 6:n laukaisujen määrää asteittain, tähtäimenä noin kymmenen laukaisua vuodessa, kun täysi operatiivinen kapasiteetti on saavutettu. Tämä jatkuva nousu mahdollistaa Euroopan säilyttää merkittävän asemansa kansainvälisillä avaruuslaukaisumarkkinoilla ja vähentää riippuvuutta ulkopuolisista palveluntarjoajista​​.

Ariane 6:n kaksi kierrosta maapallon ympäri. Kuva ESA.

 

Jotta avaruuteen ei päätyisi lisää romua, Esa ohjaa kiertoradalla vajaan kaksi kierrosta maapallon ympäri tehneen raketin ylimmän vaiheen (Vinci) putoamaan Tyyneen meren eteläosaan. Alue on turvallinen, sillä alueella ei yleensä liiku laivoja ja suurin osa ilmakehään syöksyvästä aluksesta tuhoutuu jo korkealla ilmakehässä. Samaa putoamisaluetta on käytetty lähes aina länsimaiden rakettilaukaisujen yhteydessä tai avaruudesta ilmakehään ohjattujen alusten tuhoutumisalueena.

Vaikka Ariane 6 on suunniteltu yksivaiheiseksi raketiksi, ESA tutkii jatkuvasti uusia teknologioita ja innovaatioita, joilla voidaan parantaa raketin suorituskykyä ja kustannustehokkuutta. Tämä voi sisältää muun muassa kehitystyötä raketin uudelleenkäytettävyyden parantamiseksi ja ympäristöystävällisempien polttoaineiden tutkimista.

Nämä suunnitelmat osoittavat, että ESA panostaa merkittävästi Ariane 6:een varmistaakseen Euroopan itsenäisen ja kilpailukykyisen aseman avaruuslaukaisujen alalla pitkälle tulevaisuuteen.