Sojuz (avaruusalus)

Sojuz (ven. Союз, liitto) on venäläinen avaruusalus, jonka Sergei Koroljov suunnitteli alun perin Neuvostoliiton avaruusohjelmaa varten. Alukset laukaistaan Sojuz-kantoraketilla ja ne ovat osa Sojuz-avaruusohjelmaa. Aluksesta on aikojen saatossa tehty lukuisia eri versioita.
Sojuz seurasi Neuvostoliiton avaruusohjelmassa Voshod-avaruusaluksia ja rakennettiin alun perin osana Luna-ohjelmaa. Aluksi niitä käytettiin myös osana Zond-ohjelmaa,myöhemmin kuljettamaan avaruuslentäjiä Saljut- ja Mir-avaruusasemille sekä nykyään Kansainväliselle avaruusasemalle. Ensimmäinen miehittämätön Sojuz laukaistiin 28. marraskuuta 1966 ja ensimmäinen miehitetty 23. huhtikuuta 1967.
Pitkän historiansa aikana aluksen miehistö on menetetty alkuvaiheen lennoilla Sojuz 1 ja Sojuz 11. Vuoteen 2015 mennessä aluksen eri versioilla on tehty onnistuneesti yli 120 miehitettyä lentoa.

Avaruusaluksen rakenne

Sojuz-alus koostuu kolmesta osasta: kiertoratamoduuli, laskeutumismoduuli ja huoltomoduuli. Alusta suojaa laukaisun aikana nokassa sijaitseva tuulenhalkaisija, joka irrotetaan, kun alus on läpäissyt ilmakehän. Aluksessa oli automaattinen telakoitumisjärjestelmä. Alusta voidaan operoida automaattisesti, tai ohjaaja voi toimia itsenäisesti.
Sojuz kykenee kuljettamaan kolme kosmonauttia avaruuteen ja pitämään heidät avaruudessa toiminnassa 3,2 päivää. Sen matkustajien elämää ylläpitävä järjestelmä tuottaa noin 1 atm paineen ja korvaa vettä ja hiilidioksidia hapella.

Kiertoratamoduuli

Etummainen osa alusta on kiertoratamoduuli, joka sisältää kaikki laitteet, joita ei tarvita laskeutumisessa, kuten testausvälineet, kamerat ja lastin. Se sisältää myös mahdollisen telakoitumisaseman. Kiertoratamoduuli voidaan tarvittaessa eristää laskeutumismoduulista, jolloin se toimii ilmalukkona.
Siirtämällä aiempien miehitettyjen avaruuskapseleiden teknisiä laitteistoja kiertoratamoduuliin, joka ei lennon päättyessä palaa ilmakehään, Sojuzin kosmonauttien avaruuslennon aikana käytettävät tilat kasvoivat merkittävästi. Kiertoratamoduuli voitiin rakentaa paluukapselia kevyemmäksi, koska sitä ei tarvitse suojata Maan ilmakehään palaamista varten. Apollo-avaruusaluksen komentomoduulissa oli kolmelle astronautille kuusi kuutiometriä asuintilaa ja se oli massaltaan 5000 kg. Sojuzissa oli samankokoiselle miehistölle 9 kuutiometriä asuintilaa, pääosin kiertoratamoduulissa.

Laskeutumismoduuli

Kosmonautit käyttävät laskeutumismoduulia aluksen laukaisussa ja sen palatessa takaisin Maahan. Laskeutumismoduuli on päällystetty lämmönkestävällä päällysteellä, joka estää sisätilan kuumenemisen aluksen lentäessä suurella nopeudella ilmakehän läpi maahan paluulennon aikana. Laskeutumismoduulin nopeus hidastuu ensin ilmakehän vastuksen ja sitten jarruvarjojen vaikutuksesta, kunnes päävarjo avautuu ja hidastaa aluksen vauhdin maan pintaan laskeutumista varten. Pehmeän laskun varmistavat metrin korkeudessa toimivat kiinteäpolttoaineiset jarruraketit, jotka on sijoitettu lämpökilven taakse.
Eräs laskeutumismoduulin suunnittelun vaatimuksista oli se, että aluksessa tulee olla suurin mahdollinen volumetrinen tehokkuus (sisäinen tilavuus jaettuna rungon pinta-alalla). Paras muoto tätä varten olisi pallo. Pallo ei kuitenkaan tuota nostovoimaa ja johtaisi ballistiseen paluuseen ilmakehään. Ballistinen ilmakehään paluu on miehistölle vaarallista aluksen suuren hidastuvuuden takia. Se estää aluksen ohjaamisen kiertoradalta ilmakehään siirtymisen jälkeen. Tämän vuoksi päätettiin valita "ajovalon" muoto Sojuzin paluukapselille. Siinä on puolipallon muotoinen etuosa, johon on liitetty loivalla kartiolla (7 astetta) pallomainen lämpökilpi. Tällainen muoto antaa pienen nosteen johtuen epätasaisesta painon jakautumisesta (?). Lempinimi muodolle selittyy sillä, että Sojuzin suunnittelun aikaan lähes kaikki autojen ajovalot olivat ympyrämuotoisia.

Huoltomoduuli

Aluksen takaosassa on huoltomoduuli. Se on tynnyrin muotoinen paineistettu säiliö, jossa sijaitsevat järjestelmät lämpötilan hallintaan, sähkövoimanlähde, pitkänmatkan radio, radiotelemetria- sekä asennonsäätöjärjestelmä ja hallintajärjestelmä. Paineistamattomassa osassa huoltomoduulia on aluksen pää- ja varamoottorit: kiinteää polttoainetta käyttävä työntövoimajärjestelmä kiertoradalla operointia ja sieltä poistumista varten. Aluksessa on myös pienitehoiset rakettimoottorit asennonkorjaukseen. Huoltomoduulin ulkopuolella ovat asennonsäätöjärjestelmän sensorit ja aurinkopaneelit, jotka suunnataan aurinkoa kohti kääntämällä.

Sojuzin versiot

Miehitettyjä Sojuz-aluksia on kehitetty 40 vuoden aikana ja niiden tuotantoversioissa on eri sukupolvia.
Sojuzin ensimmäinen miehitetty versio oli 7K-OK. Se oli kuljetti kolmen hengen miehistön. Sen telakointijärjestelmä oli kokeellinen ja tarkoitettu vain kahden aluksen liittämiseen toisiinsa ilman mahdollisuutta miehistölle siirtyä aluksesta toiseen. Kosmonauttien täytyi tehdä avaruuskävely siirtyäkseen toiseen alukseen. Näin tehtiin Sojuz 4 ja Sojuz 5 -lennoilla. Tämä Sojuz-avaruusaluksen versio oli alun perin suunniteltu kuulentoa varten.
Sojuz-versio 7K-L1 oli suunniteltu Kuun ympäri tapahtuvaa miehitettyä lentoa varten. Se perustui 7K-OK-alukseen, mutta siitä oli poistettu useita komponentteja painon vähentämiseksi. Huomattavampia uudistuksia olivat kiertoratamoduulin muuttaminen (lisätilaa asumiselle ja laitteistolle) ja varalaskuvarjo. 7K-L1-alusta testattiin Zond-ohjelmassa vuosina 1968–1970. Niissä tapahtui useita epäonnistumisia 7K-L1 -version ilmakehään paluu-järjestelmissä. Neuvostoliiton miehitetyn kuunkiertoratalennon tavoite hylättiin näiden testien perusteella ja sen vuoksi, että NASAn astronautit vierailivat kuussa kesällä 1969.
Seuraava miehitetty versio Sojuzista oli 7K-OKS. Se oli suunniteltu avaruusasemalentoja varten. Siihen toteutettiin telakointiasema, jonka läpi kosmonautit pystyivät siirtymään aluksesta toiseen. Tällä versiolla tehtiin kaksi miehitettyä lentoa. Jälkimmäisen eli Sojuz 11-lennon ilmakehään paluussa sen miehistö menehtyi, kun kapselin paineistus katosi kesken paluuvaiheen. Sojuz 1–11 olivat ensimmäisen sukupolven aluksia, jotka olivat käytössä vuosina 1967–1971. Tämä ensimmäinen sukupolvi käsitti alkuperäisen Sojuz-aluksen ja Saljut 1-avaruusasemaan liittyvän Sojuzin. Lentoja Saljut-avaruusasemalle tehtiin vuodesta 1971 alkaen. Sojuz-avaruusaluksiin sopi kolmen hengen miehistö mutta vain ilman avaruuspukuja. Tämä aikaansai riskejä etenkin laukaisun ja paluulennon aikana. Niissä oli taivutetut aurinkopaneelit ja automaattinen Igla-telakoitumisjärjestelmä. Kahden avaruusaluksen kohtiajoon telakointia varten tarvittiin lyhyen kantaman tutkajärjestelmä. Ensimmäisissä yhdeksässä avaruusaluksessa ei ollut telakointiasemassa luukkua, jonka kautta voisi siirtyä aluksesta toiseen. Niissä miehistö siirtyi avaruusaluksesta avaruusasemalle avaruuskävelyn avulla.
Täydellisen uudelleensuunnittelun tuloksena syntyi toisen sukupolven Sojuz eli 7K-T. Siitä poistettiin yksi miehistötila, jotta kaikki kosmonautit sopivat käyttämään avaruusasuja sekä lähdön että laskeutumisen aikana. Aurinkopaneelien vaihtamisesta akkuihin seurasi lennon pituuden rajoittuminen kahteen päivään ilman telakoitumista. Muunneltu versio tästä aluksesta lensi Sojuz 13 -lentona - sen Igla-telakointijärjestelmä oli korvattu suurella Orion 2-astrofyysisellä kameralla, jota käytettiin avaruuden ja Maan kuvaamiseen. Toinen muunneltu versio oli 7K-T/A9, jota käytettiin Almaz-luokan sotilasavaruusaseman lennoilla. Tämän kautta voitiin kauko-ohjata avaruusasemaa. Paluukapselissa oli uusi laskuvarjojärjestelmä. 7K-T/A9-version tiedot ovat osin edelleen salaisia. Toisen sukupolven Sojuz-avaruusalukset olivat Sojuz 12–40 -alukset, joita käytettiin vuosina 1973–1981. Alukset telakoituivat Saljut-avaruusasemille. Kahden hengen miehistö käytti avaruuspukuja koko lennon ajan.
Sojuz ASTP-avaruusalus suunniteltiin Apollo-Sojuz-testiprojektia eli poliittisesti motivoituja Apollo-Sojuz-liennytyslentoja varten. Amerikkalaisten astronauttien vaatimuksesta aluksen turvallisuustasoa nostettiin. Sojuz ASTP:ssä oli uudet aurinkopaneelit, jotka mahdollistivat pidemmän lennon ja sen, ettei telakoinnin aikana tarvinnut käyttää Apollon tuottamaa sähköä. Siinä oli kaksineuvoinen telakointijärjestelmä tavallisen urospuolisen telakointijärjestelmän sijasta. Sen ympäristönhallintajärjestelmää muutettiin, jotta sisätilan ilmanpaine voitiin laskea 0,68 ilmakehään (69 kPa) ennen telakoitumista Apollon kanssa. Tämän version viimeisellä lennolla (Sojuz 22) telakointiasema oli jälleen korvattu kameralla.
Seuraavat suuret muutokset tehtiin kolmannen sukupolven 'Sojuz T- versioon, jota käytettiin vuodet 1976-1986. Se sai uudet aurinkopaneelit pidempää lentoaikaa varten ja sen käytössä oli uudistettu telakointiin tarvittava Igla-lähestymisjärjestelmä. Lisäksi sen huoltomoduuliin tuli uusi aluksen kääntö- ja asentomoottorijärjestelmä.
Neljäs sukupolvi eli Sojuz TM-alukset otettiin käyttöön vuonna 1986 huoltamaan Mir-avaruusasemaa. Käyttö päättyi vuonna 2003. Sojuz T-alukseen lisättiin uusi telakointi- ja lähestymisjärjestelmä, uudet radiolaitteet, hätäjärjestelmä ja yhdistetty laskuvarjo-/laskeutumismoottorijärjestelmä. Uusi Kurs-niminen automaattinen ja virhesietoinen lähestymis- ja telakointijärjestelmä salli Sojuz TM:n liikkua itsenäisesti avaruusasemasta ilman että avaruusasema tekee tahtomattaan liikkeet "peilikuvana", jotka aiheutuivat aikaisempien mallien takaosassa olevasta asennonhallinnasta.
Viides sukupolvi oli Sojuz TMA tuli käyttöön vuonna 2003 ja on käytössä 2010-luvulla. Siihen on tehty useita muutoksia, joilla vastattiin NASA:n vaatimuksiin koskien suurempaa istuinten liikkumavaraa korkeus- ja leveyssuunnassa miehistölle (ts. pitemmät miehet sopivat alukseen) ja kehitettyä laskuvarjojärjestelmää. Se oli myös ensimmäinen kertakäyttöinen avaruusalus, jossa käytettiin glass cockpit -mittaritekniikkaa. Se kuljettaa avaruuslentäjiä ja rahtia sekä toimii varapaluualuksena ("pelastusvene") Kansainväliselle avaruusasemalle.

Sojuz-alusten vaikutuksia muihin avaruusaluksiin

Miehittämätön Progress-avaruusalus pohjautuu Sojuz-aluksiin. Sitä käytetään kansainvälisen ISS-avaruusaseman huollossa ja käytettiin pitkään Neuvostoliiton Saljut- ja Mir-avaruusasemien huollossa. Progress-aluksissa on Sojuzin automaattinen navigointi- ja telakoitumisjärjestelmä, mutta niissä ei luonnollisestikaan ole paluukapselia. Kun alus on tyhjennetty rahdista ja täytetty avaruusaseman jätteillä, se pudotetaan ilmakehään, jossa se palaa.
Euroopan avaruusjärjestön ATV-rahtialuksen, jonka käyttö aloitettiin vuonna 2008, telakointijärjestelmä on sama kuin Progress-aluksissa.
Kiinalainen Shenzhou-avaruusalus on länsimaisen näkemyksen mukaan saanut vahvasti vaikutteita Sojuzista.