Tehiskaaslane

 
Tehiskaaslane (ka tehissatelliit, satelliit) on mõne planeedi (enamasti Maa) või selle loodusliku kaaslase, ka Päikese gravitatsiooniväljas mingil kindlal orbiidil tiirlev kosmoseaparaat (näiteks orbitaaljaam) või muu keha (näiteks kanderaketi viimane aste).
Eristatakse rakenduslikke ja teaduslikke tehiskaaslasi. Töölaadilt võivad teaduslikud tehiskaaslased olla passiivsed, kui maapinnal registreeritakse kaugseire teel neilt peegelduvat päikesekiirgust või nende endi soojuskiirgust või kui neile on paigutatud laserkiirepeegeldi, või aktiivsed, kui nende pardal asub uurimisaparatuur või nad lähetavad kaugseiret ja -mõõtmisi võimaldavaid signaale. Aktiivsel tehiskaaslasel on informatsiooni kogumise, salvestamise ja edastamise seadmed, näiteks raadiotelemeetriaseadmed, laser ja mõõteaparatuur. Seadmete energiaallikana kasutatakse päikesepatareisid, akumulaatoreid ja kütuseelemente ning tuumareaktoreid.
Pikemaajalisteks vaatlusteks ja mõõtmisteks sisustatud tehiskaaslased on orbitaalobservatooriumid ja orbitaaljaamad.
Ajalugu.
Esimene Maa tehiskaaslane – Sputnik 1 – lennutati kosmosesse 4. oktoobril 1957. Esimene heliotsentrilise orbiidiga tehiskeha ehk Päikese tehiskaaslane oli 2. jaanuaril 1959 üles lennutatud Luna 1 ja esimene selenotsentrilise orbiidiga tehiskeha ehk Kuu tehiskaaslane oli 31. märtsil 1966 lennutatud Luna 10.
Aastas lennutatakse Maalt kosmosesse harilikult üle saja tehiskaaslase, kuid paljud neist jäävad lühiealisteks. Ümber Maa tiirlevate tehisobjektide arv arvati 1995. aastal olevat 7000.
Eesti esimene tehiskaaslane – ESTCube-1 – lennutati orbiidile 2013. aasta kevadel.
Orbiit.
Maa orbiidile jõudmiseks peab tehiskaaslane (või selle kanderakett) saavutama esimese kosmilise kiiruse, Maa orbiidilt lahkumiseks on vajalik vähemalt teine kosmiline kiirus. Kosmosesse lennutatud kehadest ei muutu Päikesesüsteemi kehade tehiskaaslasteks need, mille trajektoor lõpeb laskumisega mõnele taevakehale või mis suunatakse Päikesesüsteemist väljumist võimaldava paokiirusega (vähemalt kolmanda kosmilise kiirusega väljapoole Päikesesüsteemi.
Pärast kanderaketi eraldumist saab tehiskaaslane mootorite abil oma orbiiti muuta, orbiidilt lahkuda, põkkuda kosmoselaevaga või teha muid manöövreid (vaata: astrodünaamika).
Üldjuhul on tehiskaaslase orbiit elliptiline (vaata: kahe keha probleem) ja allutatud häiritustele. Ümber Maa tiirleb tehiskaaslasi ka geotsentrilistel ringorbiitidel, mis kulgevad kas üle Maa pooluste (polaarorbiidid) või ekvaatori kohal.
Maa tehiskaaslased lennutatakse kosmosesse tavaliselt Maa pöörlemise suunas.
Kui ekvaatori kohal tiirleva tehiskaaslase orbiidi raadius Maa keskmest loetuna on 42 100 km, siis on tal Maa pöörlemise kiirusega võrdne nurkkiirus ja ta osutub kas geostatsionaarseks, see tähendab – püsib ekvaatori ühe ja sama punkti kohal, või geosünkroonseks, mis tähendab, et orbiit on elliptiline, kuid apsiidid püsivad Maa samade punktide kohal.
Satelliidi asendi määramine ja juhtimine.
Satelliidi asendi määramise ja juhtimise alamsüsteemi eesmärgiks on teha kindlaks satelliidi liikumis-, pöörlemiskiirus ja orientatsioon orbiidil ning vastavalt vajadusele muuta või korrigeerida selle asendit.
Asukoha ja asendi määramine teostatakse satelliidil paiknevate andurite väljastatavate andmete põhjal, mida kasutatakse vastavalt olukorrale läbi juhtimisalgoritmide satelliidi juhtimisel või asendi korrigeerimisel, mida viivad läbi aktuaatorid.
Andurid.
Andurid on seadmed, mis on disainitud tajuma või andma infot mingi objekti või füüsikalise nähtuse kohta, mida saab kasutada ära asendi määramisel. Järgnevalt on antud lühiülevaade põhilistest satelliitidel kasutatavatest anduritest.
Güroskoop.
Güroskoop on seade, mis tajub pöörlemist disainist olenevalt nii ühes kui ka mitmes pöörlemisteljes, sõltumatuna väljaspool asuvatest objektidest. Üks tavalisem, kuid tänapäeval üha vähem kasutust leidev güroskoop koosneb pöörlevast kehast, mis üritab säilitada pöörlemistelge juhul, kui karkass, millele see kinnitatud on, pöörleb mingis suunas.
Laser güroskoobid rajanevad koherentsete laserkiirte difraktsiooni nähtusele. Laserist väljub või pärast väljumist jagatakse kiir kaheks ning need juhitakse peeglite abil vastas suunas ümber huvipakkuva telje. Seejärel juhitakse kiired uuesti kokku vastuvõtja pinnale. Kui satelliit keerleb, siis Doppleri efekti alusel on kiirte sagedused muutunud vastavalt pöörlemiskiirusele. Sageduste erinevuse tõttu muutub ka registreeritav difraktsioonipilt ning selle järgi saab hinnata pöörlemiskiirust.
Üks kompaktsemaid güroskoopide disaini suundasid on piesoelektrilised güroskoobid. Piesoelektrilise nähtuse alusel saab vastavaid materjale panna vahelduvvoolu kasutades vibreerima ning sellist vibreerivat struktuuri saab olenevalt güroskoobi ehitusest kasutada ära nurkkiiruse määramisel.
Päikeseandur.
Päikeseandur on optiline positsiooniandur, mille eesmärgiks on anda infot satelliidi asendi kohta pealelangevate valguskiirte suhtes. Üldiselt kasutatakse anduri koostamisel ära mingisugust pilu, mille eesmärk on eraldada pealelangevast valgusest välja ainult väike osa ning juhtida see kiirgust tajuvale pinnale, näiteks fotodioodile. Teades süsteemi mõõtmeid (näiteks pilu kaugus vastuvõtjast ja vastuvõtja pikkus) ning valgusvihu positsiooni tajuril, saab arvutada välja satelliidi asendit kiirte suhtes. Disainist olenevalt tajuvad päikeseandurid kas ühe- või kahedimensiooniliselt.
Magnetomeeter.
Magnetomeeter on seade, mis mõõdab magnetvälja tugevust ning kasutades kolme ortogonaalselt asetatud magnetomeetrit, saab informatsiooni ka magnetvälja suuna kohta. Mõõdetud väljatugevust ja suunda võrreldakse satelliidi mälus paikneva magnetväljamudeliga ning teades positsiooni saab järeldada satelliidi asendit. Levinumate magnetomeetrite tööpõhimõte põhineb Halli efektil, mis seisneb selles, et väljatugevusest olenevalt tekib seadmes mõõdetav elektriline pinge.
Horisondi andur.
Horisondi andur on seade, mis eristab planeedi horisonti suhteliselt külmast kosmilisest taustast ning selle anduri toimimise keskmeks on tavaliselt infrapunakaamera. Seda tüüpi andur tagab informatsiooni satelliidi orientatsiooni kohta kahes ortogonaalses teljes.
Tähtede andur.
Tähtede andur mõõdab tähtede koordinaate satelliidi taustsüsteemi suhtes ning võrdleb mõõdetud tulemusi teadaolevate tähtede koordinaatidega. Võrdluse alusel saab informatsiooni satelliidi asendi kohta. Üldiselt on tähtede andur üks kõige täpsemaid asendiandureid, saavutades täpsusi, mis jäävad kaaresekundite suurusjärku.
Juhtimisalgoritmid.
Juhtimisalgoritmid on arvuti programmid, mis juhivad sensoritelt saadud informatsiooni põhjal aktuaatoreid seni, kuni satelliit on saavutanud soovitud asendi või positsiooni.
Aktuaatorid.
Aktuaatorid on seadmed, mis viivad läbi asendi muutmise. Järgnevalt on antud lühiülevaade põhilistest satelliitidel kasutatavatest aktuaatoritest.
Põtkur.
Põtkur on seade, mille eesmärk on tõugata, väljastades selleks kütust vastupidises suunas. Sellest tulenenuid jõude ja jõumomente kasutatakse viiel põhilisel moel: asendi kontrollimisel, pöörlemise kiiruse kontrollimisel, häirituste stabiliseerimisel, orbiidi seadmisel ja hooratta kiiruse kontrollimisel. Põtkurid tekitavad tõukeid kiirendades üheaegselt vajaliku koguse kütust. Vastavalt impulsi jäävuse seadusele, peab satelliidi koguimpulss olema jääv ning seega kui kütus kiirendatakse ühes suunas siis satelliit kogeb tõuget vastassuunas. Impulsi jäävuse printsiibi põhjal töötavad kõik põtkurite tüübid.
Magnetpool.
Magnetpooli või teisisõnu elektromagnetit kasutatakse magnetilise dipoolmomendi tekitamiseks, mille abil saab kontrollida asendit või nurkkiirust. Samuti kasutatakse magnetpooli ka häirituste neutraliseerimisel. Selle tööpõhimõte rajaneb Ampère'i seadusele. Nimelt elektrivooluga juhe tekitab enda ümber magnetvälja ning kui juhe on paigutatud solenoidaalselt, siis solenoidis tekkinud magnetvälja suund on risti selle ristlõike pinnaga. Kui magnetpool asub välises magnetväljas, siis kahe välja suuna mitteparalleelsuse korral tekib magnetmoment, mis üritab pöörata antud süsteemi minimaalse energiaga seisundisse, ehk siis olukorda, kus mõlemad väljad on samas sihis.
Hooratas.
Olenevalt disainist võib eristada ajutisteks seadistamisteks sobilikke ning pidevalt töötavaid hoorattaid. Mõlemal juhul on tegu ratta või kettaga, mis tuginevalt impulsimomendi jäävuse seadusele pööravad satelliiti vastupidi oma pöörlemissuunaga. Pidevalt pöörlevaid hoorattaid kasutatakse näiteks ära missioonidel, kus satelliidi kaamera peab pidevalt vaatama planeedi suunas, mille orbiidil see on. Seadistamise hoorattaid kasutatakse asendi muutmisel või häirituste neutraliseerimisel.
Päikesepuri.
Päikesepurjeid saab kasutada asendi ja kiiruse seadmisel. Oma loomu poolest on päikesepuri potentsiaalselt kõige energiasäästlikum seadeldis, millega muuta satelliidi kiirust, kuna kogu vajalik energia tuleb päikesetuulest. Tööpõhimõtte poolest võib eristada kaht purje tüüpi: footonpuri ja elektriline päikesepuri. Footonpuri kasutab tõukeallikana ära valguse kiirgusrõhku ehk footonite impulssi. Elektriline päikesepuri kasutab seevastu Päikeselt väljapursatavate elektriliselt laetud osakeste voogu ehk päikesetuult, enamjaolt prootoneid.
Kosmoseprügi.
Tehiskaaslaste arvukas orbiidile saatmine on kaasa toonud kosmoseprügi tekke. 2013. aasta alguse seisuga on orbiidil ligi 22 000 objekti, millel on läbimõõt üle kümne sentimeetri, kuid neist vaid 1100 on töötavad satelliidid. See on viinud koostööle kosmoseprügiga tegelemisel, mille osaks on näiteks kõige orbiidil tiirleva jälgimine ning arendamisel olev reeglistik kosmoses tegutsemiseks.