Avaruussukkula

Avaruussukkula on uudelleen käytettävä miehitetty avaruusalus. Avaruussukkuloilla voidaan kuljettaa satelliitteja ja muuta rahtia sekä Maan matalalle kiertoradalle että takaisin Maahan. Toistaiseksi vain Nasa on ottanut avaruussukkulan käyttöön. Vuoden 1998 lopusta Nasa on käyttänyt avaruussukkuloitaan ennen kaikkea kansainvälisen avaruusaseman (ISS) rakennustöissä ja miehistön kuljetuksessa. Viimeinen Nasan avaruussukkulalento STS-135 laukaistiin Atlantis-avaruussukkulalla ISS-avaruusasemalle 8. heinäkuuta 2011. 30 vuotta kestänyt Nasan avaruussukkulaohjelma päättyi Atlantiksen laskeuduttua Kennedyn avaruuskeskukseen Floridaan 21. heinäkuuta 2011 kello 12.57 Suomen aikaa.
Ainoat käytössä olleet avaruussukkulat olivat Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinto Nasan omistuksessa. Nasa rakensi viisi avaruuslentoihin soveltuvaa sukkulaa (kuudes sukkula, testisukkulana käytetty Enterprise ei soveltunut avaruuslentoihin), joista kaksi tuhoutui onnettomuuksissa. Sukkulaohjelma maksoi Nasalle vuosina 1971–2010 192 miljardia dollaria eli 1,5 miljardia dollaria per lento.
Nasan lisäksi Neuvostoliitto lähetti täysimittaisen mutta miehittämättömän Buran-sukkulan avaruuteen koelennolle vuonna 1988; lento kuitenkin jäi neuvostoliittolaisen sukkulan ainoaksi. Lisäksi sukkulatyyppisiä avaruusaluksia on suunnitellut ESA sekä muutamat Länsi-Euroopan maat yhteistyössä keskenään.
Avaruussukkulat ovat monimutkaisimpia ihmisen rakentamia kulkuneuvoja. Nasan 135 avaruuslennosta kaksi päättyi onnettomuuteen (noin 1,5 % lennoista). Alun perin sukkuloista suunniteltiin helppokäyttöisiä ja turvallisia, mutta sukkulat eivät täysin vastanneet näitä suunnitelmia. Alkujaan suunniteltiin myös, että juuri lennolta laskeutunut sukkula voisi lähteä uudelleen matkaan jo viikon sisällä, mutta todellisuudessa aikaa saattaa kulua vähintään muutamia kuukausia.
Nasan avaruussukkula on viralliselta nimeltään Space Transportation System (STS), mutta käyttöön on vakiintunut termi Shuttle eli sukkula.

Historiaa

Ensimmäisenä sukkula-ajatusta kehitteli itävaltalainen Eugen Sänger 1930-luvulla.
Nasan avaruussukkuloiden kehittely alkoi tammikuussa 1972, jolloin Yhdysvaltain silloinen presidentti Richard Nixon ilmoitti halvan ja uudelleenkäytettävän avaruusaluksen kehitystyön aloittamisesta. Kehittelyn alussa yhden lennon keskihinnaksi arvioitiin 10-20 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Laskelmat osoittautuivat kuitenkin vääriksi, sillä vuoden 2005 arvion mukaan sukkulaohjelma on tullut maksamaan Nasalle kaikkiaan 145 miljardia dollaria. Kaavailtujen 10–20 miljoonan dollarin laukaisukulujen todelliseksi hinnaksi tuli keskimäärin noin 500 miljoonaa dollaria.
Nasan ensimmäinen avaruussukkula, eli Enterprise (OV-101) valmistui 17. syyskuuta 1976, muttei koskaan lentänyt avaruuteen asti. Enterprise oli alkujaan suunniteltu lentämään avaruuteen, mutta myöhemmin Challengerin muuttaminen avaruuslentoihin soveltuvaksi tuli halvemmaksi, ja Enterprise jäi maan pinnalle. Enterprisella tehtiin kuitenkin muutamia lentoja ilmakehässä vuonna 1977. Vähäisistä lennoista huolimatta Enterprisesta tehtiin kaikkien muiden Nasan avaruussukkuloiden perusmalli. Myös nyt jo tuhoutunut Challenger-sukkula oli alkujaan tarkoitettu vain testikäyttöön, mutta Nasan insinöörit muuttivat sen avaruuskelpoiseksi 1980-luvun alussa.
Ensimmäinen avaruuteen lentänyt sukkula oli vuonna 2003 tuhoutunut Columbia-sukkula. Sukkulan suunnittelusta ja rakentamisesta vastasi nykyään Boeing-yhtiöön kuuluva Rockwell. Valmis sukkula toimitettiin Kennedyn avaruuskeskukseen maaliskuussa 1979 ja se lähti neitsytlennolleen STS-1 12. huhtikuuta 1981 mukanaan kaksi astronauttia.
Vuonna 1983 Yhdysvaltain presidentti Ronald Reagan ehdotti Space Station Freedom -nimisen avaruusaseman rakentamista. Avaruussukkulat olivat projektissa hyvin tärkeässä osassa, sillä niiden lisäksi vain jo käytöstä poistetuilla Saturn V -raketeilla pystyttiin viemään avaruusaseman suurimmat osat paikoilleen. Myöhemmin projekti nimettiin Space Station Alphaksi ja hankkeeseen tuli kansainvälisiä kumppaneita. Nykyään asema tunnetaan nimellä Kansainvälinen avaruusasema (ISS). Avaruussukkulat olivat projektissa tärkeässä osassa. Ensimmäinen avaruussukkulalento ISS-avaruusasemalle oli STS-88 joulukuussa 1998.
Vuonna 1986 tapahtuneen Challenger-sukkulan onnettomuuden jälkeen suuri yleisö alkoi menettää kiinnostustaan avaruusmatkailuun ja NASA joutui rahoitusvaikeuksiin. Kestikin kaksi vuotta, ennen kuin seuraava sukkula laukaistiin matkaan, koska sukkulaan tehtyjen turvallisuusparannusten toteuttaminen vei aikaa. NASA on tehnyt 91 avaruuslentoa Challengerin onnettomuuden jälkeen.
1980- ja 1990-luvuilla avaruussukkuloiden tärkeimpiin tehtäviin kuului viedä satelliitteja ja avaruusluotaimia avaruuteen. Päätehtäviin kuuluivat myös avaruusasemien, kuten ISS:n ja Mirin ruoka- ja happivarastojen täydentäminen. Vilkkainta sukkulaliikenne oli tilastollisesti katsottuna 1990-luvulla, jolloin Nasa laukaisi avaruuteen 64 lentoa. 1980-luvun vastaava määrä taas oli 32 ja 2000-luvulla 19.
Sukkulalennot keskeytettiin toistamiseen Columbian tuhoutumisen jälkeen 2003. Tämän onnettomuuden jälkeen sukkulalennot jäädytettiin tilapäisesti aina heinäkuuhun 2005 saakka, kunnes Nasa päätti laukaista Discovery-sukkulan avaruuteen. Columbian onnettomuuden jälkeen astronautit ovat tarkastaneet jokaisen avaruussukkulan lennon aikana ulkopuolelta ennen laskeutumista. Normaalisti tarkastus suoritetaan robottikäsivarren jatkeella heti laukaisun jälkeen ja vielä toisen kerran ennen maahan paluuta. Myös kansainväliseltä avaruusasemalta kuvataan sukkulan lämpökilpi ennen telakoitumista. 11. toukokuuta 2009 laukaistulla Hubble-teleskoopin huoltolennolla STS-125 astronautit käyttivät pelkästään aluksen Canadarm-robottikäsivarteen kiinnitettyä kameraa tarkastaakseen aluksen alapuolella sijaitsevat lämpötiilet. Avaruussukkula Endeavour STS-400 oli myös lähtövalmiina laukaisualustalla pelastaakseen Atlantiksen miehistön mikäli alus olisi vaurioitunut laukaisun aikana eikä turvallinen paluu ilmakehään olisi mahdollista. Sukkula ei pysty saavuttamaan sekä Hubblea että ISS:ää samalla lennolla.

Rakenne

Nasan avaruussukkula koostuu neljästä osasta: kahdesta kiinteän ajoaineen moottorista, ajoainetankista ja itse avaruuteen matkaavasta sukkulasta. Se laukaistaan avaruuteen pystysuorassa kolmen perärungossa sijaitsevan päämoottorin ja kahden kiinteää ajoainetta polttavan apurakettimoottorin avulla. Sukkulan ainoa kertakäyttöinen osa on sen päämoottorin ajoainetankki (engl. Space Shuttle External Tank, lyhenne ET). Päämoottorit käyttävät nestemäisiä polttoaineita, vetyä ja happea. Tankki painaa tyhjänä noin 30 tonnia, ja sisältää 554 m³ nestemäistä happea ja 1 500 m³ nestemäistä vetyä. Täysi tankki painaa 750 tonnia ja siihen mahtuu noin kaksi miljoonaa litraa polttoainetta.
Sukkulan apurakettimoottorit (SRB, solid rocket booster) tuottavat lentoonlähdössä 71,4 % työntövoimasta (14,7 MN). Ajoaineena on ammoniumperkloraatti NH₄ClO₄, jota on 69,6 % massasta ja jota käytetään hapettimena, sekä alumiini,  jota on 16 % ja jota apurakettimoottorit käyttävät itse polttoaineenaan. Polymeerimatriisissa on myös rautaa, joka toimii palamisreaktion katalysaattorina. Kukin kolmesta sukkulan päärakettimoottorista tuottaa 1,8 MN työntövoiman ja polttoaineena käytettävä nestehappi ja -vety tuottavat palaessaan noin 3300 celsiusasteen lämpötilan. Päämoottorien lisäksi sukkulassa on kaksi pienempää, hydratsiinilla (N₂H₄) toimivaa moottoria, joiden työntövoima on 27 kN ja joita käytetään laukaisuvaiheessa apurakettien irrotuksen jälkeen suorituskykyä parantamaan sekä polttoainesäiliön irrotuksen jälkeen ratamuutoksien tekemiseen. Kiertoradalle nousussa moottorien yhteisteho on 34,8 MN. Kaikkiaan sukkulassa on yli 30 rakettimoottoria, joista pääosaa käytetään sukkulan asennonsäätämiseen avaruudessa.
Vaikka avaruussukkula on monimutkaisin ihmisen rakentama laite, se voidaan laukaista täysin automaattisesti. Miehistöä tarvitaan kiertoradalla, avaruuskävelyllä, laskeutumisessa ja mahdollisissa hätätilanteissa. Avaruussukkulaa voidaan kiertoradalla ohjata pienten ulkoisten moottorien avulla (RCS, Reaction Control System) ja rataa voidaan muuttaa em. hydratsiinimoottoreilla. Laskeutumiseen käytetään sukkulan siipien ohjainpintoja lentokoneen tavoin.

Laukaisu

Avaruussukkulan laukaisu suoritetaan automaattisesti. Irrotettavat kiinteäajoainemoottorit (engl. Space Shuttle Solid Rocket Booster, lyhennettynä SRB) palavat muutaman minuutin ajan. Ne irrotetaan sukkulan ollessa 45,7 km:n korkeudessa. Polttoainetankki irrotetaan 8,5 minuutin kuluttua laukaisusta, jolloin sukkula on suunnilleen 109 km:n korkeudessa. Tässä vaiheessa hapen lämpötila on −253 °C, jolloin tankin ulkopintaan muodostuu jäätä ilman kosteuden härmistyessä kylmään pintaan. Sukkula pystyy nostamaan kiertoradalle 28,8 tonnia lastia. Miehistönä voi olla 10 astronauttia mutta  suurin miehistön määrä oli kahdeksan henkeä. Pisin lento, STS-80 marraskuussa 1996, kesti 17 ja puoli vuorokautta.

Lennon keskeytykset

Tilanteesta riippuen avaruussukkulalento voidaan hätätilanteessa keskeyttää viidellä eri tavalla. Lennonjohto valitsee tarvittaessa kaikkien nopeimman (jos esimerkiksi ohjaushytti vuotaa) tai kaikkein turvallisimman tavan (jos esimerkiksi yksi moottoreista lakkaa toimimasta).

ATO

ATO (engl. Abort to Orbit) on hidas, mutta turvallinen vaihtoehto, jos sukkula ei jostain syystä pysty saavuttamaan tavoitekiertorataansa. Tällöin sukkula ohjataan matalalle tilapäiskiertoradalle, josta maahan paluu tehdään samalla tavalla kuin normaalin lennon loppuvaiheessa.

AOA

AOA (engl. Abort once around) on toinen hidas, mutta turvallinen keskeytyskeino. Siinä sukkula ikään kuin pysyttelee yläilmakehässä ja laskeutuu lähtöpaikalleen yhden kierroksen jälkeen. AOA:ta käytetään, jos sukkula ei voi saavuttaa ATO:n vaatimaa matalaa kiertorataa.

TAL

TAL (engl. Transoceanic Abort Landing) on laskeutuminen jollekin Euroopan tai Pohjois-Afrikan hätälaskeutumispaikoista. Se aloitetaan pian apurakettien irrotuksen jälkeen ja sukkulan päämoottorien voima käytetään kurssimuutokseen. Kun ulkoisen polttoainetankin polttoaine loppuu, se irrotetaan. Tällöin se putoaa vähän aikaa sukkulan vieressä kunnes putoaa Atlantin valtamereen. Sukkula pystyy siipiensä avulla liitämään jollekin laskeutumispaikoista, joita on muun muassa Espanjassa ja Afrikan länsirannikolla. Lennonjohto valitsee laskeutumispaikaksi kentän, jonka säätila ei ole vaaraksi. Sen lisäksi tarvitaan USA:n hallituksen hyväksyntä mahdollisten poliittisten syiden vuoksi.

RTLS

RTLS (engl. Return to launch site) on sananmukaisesti nopea paluu laukaisupaikalle. RTLS pitää aloittaa heti apurakettien irrottua. Autopilotti laskee, milloin jäljellä oleva suorituskyky riittää kääntämään sukkulan suunnan takaisin laukaisupaikalle niin että laskeutuminen on turvallista, ja kääntää sukkulan sitten perä menosuuntaan päin. Polttoainetankki irrotetaan vasta, kun päämoottoreiden poltto on loppunut ja sukkula on tulossa takaisin laukaisupaikalle.  Tarvittaessa RCS-moottorit aloittavat polttoaineen tyhjentämisen, jotta sukkulan liito-ominaisuudet paranisivat massan vähetessä. Laskeutuminen tapahtuu samalla tavalla kuin normaalin lennon loppuvaiheessa. Kriittistä RTLS-tapauksessa on se, että irrottautuminen polttoainetankista on vaikeaa silloin kun sukkula on jo tulossa takaisin laukaisupaikalle. Irrottautuminen vaatii juuri oikean lentokulman alaspäin ja tämän jälkeen sukkulan on vielä kyettävä erottautumaan tankista turvallisesti.

Sukkulan hylkääminen

Pahimmassa tapauksessa sukkula joudutaan hylkäämään miehistön pelastamiseksi. Sukkula ohjataan syöksymään kohti vesistöä (jos mahdollista) ja eräänlainen tanko syöksyy ulos samalla kun ohjaamon ovi avataan. Miehistö kiinnittäytyy metallirenkaalla tankoon ja liukuu tangon päähän ja pudottautuu laskuvarjoilla. Tangon tehtävä on estää hyppäävien ihmisten törmääminen aluksen vasempaan siipeen.

Muiden valtioiden avaruussukkulaohjelmat

Yhdysvaltojen lisäksi moni muukin valtio on ollut kiinnostunut omasta avaruussukkulastaan.

Muut valtiot

Monilla valtioilla on suunnitelmat avaruussukkuloista paperilla, mutta itse sukkulan rakentaminen on aivan eri asia. Teknisten ongelmien lisäksi projektit ovat hyvin kalliita. Suurin osa projekteista kaatuu rahoitusvaikeuksiin ja osa teknisiin. Vain harvalla valtiolla on sekä taloudellista että teknistä osaamista sukkulan rakentamiseen.
Venäjän ja muutamien Euroopan valtioiden lisäksi myös Japani on ilmaissut halunsa saada oma avaruussukkula. Japanin avaruusjärjestö JAXA kehitti 1980-luvulta vuoteen 2003 asti HOPE-sukkulaa, mutta projekti peruttiin. Vuoden 2005 alussa Japani ilmoitti olevansa jälleen kiinnostunut oman avaruussukkulansa rakentamisesta.