Kosmosetehnoloogia

Kosmosetehnoloogia on teaduse ja tehnika haru, mis tegeleb kosmoses kasutatavate materjalide ja masinate arendamise ja loomisega.

Kuna kosmosekeskkond on karm ja teekond sinna ei ole tehnoloogiliselt lihtne, siis tuleb kosmosetehnoloogia arendamisel arvestada väga paljude aspektidega. Kosmosetehnoloogia hõlmab lisaks kosmoseaparaatide, satelliitide, kosmosejaamade ja tugivahendite arendamisele ka standardite ja protseduuride väljatöötamist.

Kosmosesse jõudmine

Kosmoselennu kõige keerulisem osa on kosmosesse jõudmine. Sel ajal mõjub kosmoseraketile ja lastile erinevaid tugevaid jõudusid. Kanderakett ja selle last peavad taluma nii harmoonilisi (sinusoidaalseid) kui juhuslikke vibratsioone laias sagedusvahemikus, kõige olulisem sagedusvahemik on 30–2000 Hz ning kiirendustega kuni mõnikümmend gravitatsioonikiirendust g.

Lasti, eriti inimeste võime taluda kiirendusjõudu on piiratud. Inimeste jaoks on see kuni 8 g. Seetõttu ongi enamik rakette disainitud nii, et vibratsioonide jõud ja tavaline kiirendus ei ületaks 5 g.

Temperatuur Maa atmosfääris muutub sõltuvalt kõrgusest merepinnast. Kõige külmemad temperatuurid asuvad mesopausi lähedal umbes 80 km kõrgusel. Seevastu kõige soojemad temperatuurid asuvad termosfääris, mis saab tugevat ioniseerivat kiirgust Van Alleni kiirgusvööndist. Temperatuur kasvab kuni kõrguseni 200–300 km ja võib ulatuda 1000–1500 K.

Keskkond

Tavaliselt arvatakse, et kosmoses valitseb täielik vaakum. Tegelikult see nii pole. Näiteks 400 km kõrgusel on keskmiselt 800 miljonit aatomit/cm³. Vaakumilähedane keskkond toob kaasa nähtused, mida Maal tavaliselt nii suurel määral ei esine. Näiteks kasvab oluliselt materjalide pinnal ja sees olevate gaaside lendumine keskkonda, selle tulemusel võivad materjali omadused muutuda ja põhjustada kosmoseaparaatides rikkeid. Osakeste olemasolu tähendab ka mingil määral takistusjõu tekkimist, seetõttu on paljude kosmoseaparaatide pardal tõukejõudu tekitavaid seadmeid orbiidi säilitamiseks.

Kiirgus on füüsikas elektromagnetlainete või aineosakeste kujul edastatav energiavoog. Kosmoses levivad suure energiaga laetud osakesed, mis Maal on blokeeritud Maa magnetvälja ja atmosfääri poolt, kuid kujutavad endast suurt ohtu väljaspool atmosfääri.

Põhilised kiirgusliigid Maa-lähedases kosmilises ruumis on:

valdavalt prootonitest, elektronidest ja teistest kergematest tuumadest koosnev ning Päikesest lähtuv päikesetuul keskmise kiirusega 400 km/s,
Päikese ja tähtede ultraviolettkiirgus,
Päikesest ja süvakosmose objektidelt pärinev röntgenkiirgus,
Päikesest ja süvakosmose objektidelt pärinev gammakiirgus,
valguse kiirusele väga lähedaste kiirustega liikuvad laetud osakesed ehk kosmiline kiirgus.

Lisaks üksikute aatomite ja molekulide suuruste osakeste olemasolule kosmoses, on eriti Päikesesüsteemi tasandis ka suurel hulgal makroskoopilisi osakesi nagu mikrometeoroidid ja kosmoseprügi. Need väiksed osakesed on suurest kiirusest tingitud väga suurte kineetiliste energiate tõttu võimelised läbi tungima ka metallidetailidest ja vigastama kosmoseaparatuuri kriitilisi osi.

Madala rõhu ja gravitatsiooni tõttu peab kosmoseaparatuur olema suuteline taluma mehaanilisi jõude igas suunas võrdselt.

Väljakutsed

Praeguste arvutuste kohaselt on kõige soodsam hind ühe kilogrammi kosmosesse lennutamiseks SpaceX Falcon 9 taaskasutataval raketil. See on umbes 1500 € kilogrammi kohta. Seetõttu on massi vähendamine ja energeetilise efektiivsuse tõstmine kosmosetehnoloogias kõige olulisemad väljakutsed.

Arvatakse, et varasemate satelliitide osa mehaanilisi probleeme tekkisid külmkeevituse tõttu. 2009. aastal avaldas Euroopa Kosmoseagentuur eksperthinnangu, milles kirjeldatakse, miks külmkeevitus on oluline küsimus, mida kosmoseaparatuuri projekteerijad peavad hoolikalt kaaluma.

Soojusülekanne on siseenergia kandumine ühelt kehalt teisele. Maal tavaline ja väga oluline soojusülekande liik - konvektsioon - ei ole kosmilises ruumis reeglina võimalik, kosmoses on võimalik soojusülekanne soojusjuhtivuse ja kiirgusliku soojusülekande näol.

Kosmosetehnoloogia eriliigid

Suured ja volditavad struktuurid

Suured mehaaniliselt kokkuvolditavad päiksepaneelid ja antennid on kosmosetehnoloogias levinud struktuurid. Nende suurte mõõtmete tõttu pole neid reeglina võimalik stardi ajal tööasendis hoida. Põhilised süsteemid kokkuklapitavate struktuuride liigutamiseks on hinged, käärmehhanismid, origami ja motoriseeritud liigendid.

Poomstruktuuride käivitamiseks kasutatakse põhiliselt motoriseeritud liigendeid ja pingestatud linttoru.

Täispuhutavad struktuurid ja elupaigad

21. sajandil uuesti päevakorda kerkinud mehitatud uurimismissioonid avakosmoses ja teistel taevakehadel on tõstatanud vajaduse inimeste elukeskkonnaks sobivate struktuuride parendamiseks ja suurendamiseks. Üks sellistest lahendustest on täispuhutavad struktuurid. Lisaks elupaikadele pakuvad täispuhutavad struktuurid võimalusi ruumikate õhulüüside loomiseks. Selle kasutusvõimalusi nähakse ka asteroidide kaevandamisel.

Alternatiivne tehnoloogia täispuhutavatele struktuuridele on kokkupandavad kosmoseaparaadid.

Materjalid

Põhilised materjalid kosmosetehnoloogias on

Vaata ka

Viited

Välislingid