blog

Rakenna, testaa, toista – avaruuslaitteiden kokoaminen on käsityötä

Maria Hieta and Timo Nikkanen working in FMI cleanroom
Maria Hieta
Finnish Meteorological Institute, Research Engineer, Planetary Research and Space Technology Group
Julkaistu: 09. Heinä 2020
Avaruustutkimus
Innovaatio ja inspiraatio

Vuosien työ mittalaitteiden valmistuksessa saavuttaa tärkeän etapin, kun laitteet laukaistaan raketin kyydissä kohti määränpäätään. Ennen lähtölaskentaa tutkijat ovat käyttäneet satoja työntunteja testaten, parannellen ja hioen yksityiskohtia.

Marsiin suuntaavan NASAn Perseverance-mönkijän kyydissä on Ilmatieteen laitoksen valmistamat kaasukehän kosteutta ja painetta mittaavat laitteet.

Avaruuteen ei lähetetä tusinatavaraa tai maanantaikappaleita. Mittalaitteet suunnitellaan ja valmistetaan erikseen kutakin projektia varten. Yhden avaruuslaitteen kehitystyö vaatii yleensä vuosia. 
Laitteista rakennetaan useita erilaisia malleja alkaen prototyypeistä erilaisiin testi- ja rakennemalleihin ja lopulta päätyen huippuunsa hiottuihin lentomalliin ja sen varakappaleeseen. Eri mallit palvelevat eri tarkoituksia, ja osa malleista on toimitettu NASAlle ennen lopullista lentomallia osaksi mönkijän kehitystyötä.

Avaruus edellyttää paljon myös materiaaleilta

Monia laitteiden osia ei voi sellaisenaan ostaa valmiina. Oman haasteensa materiaalihankintaan tuo se, että avaruuteen lähetettävissä laitteissa voi käyttää vain avaruuskäyttöön hyväksyttyjä ja testattuja materiaaleja. 

Avaruuden tyhjiö ja Marsin kylmyys ovat haasteita esimerkiksi monille muoveille, lakoille ja liimoille: ne saattavat kaasuuntua tyhjiössä (”outgassing”) tai haurastua kylmässä. Perseveranceen toimitettu kosteusmittalaite on testattu kestämään jopa -135°C.

Materiaalivaatimukset koskevat kaikkia avaruuslaitteen osia piirilevyistä mekaniikkaan. Laitteen kehitystyön lomassa myös materiaaleja ja komponentteja testataan ja niistä valitaan parhaiten suoriutuvat.
Materiaalien ja tarvittavien komponenttien etsiminen vie aikaa, joskus jopa kuukausia tai vuosia. Tässä salapoliisityössä yhteistyöverkostot ovat arvokas voimavara. Se, mitä ei itse löydä, löytyy sopivan kumppanin avustuksella.

Kokoaminen vaatii huolellisuutta ja ammattitaitoa

Kun mittalaitteen kehitystyöhön ollaan tyytyväisiä ja materiaalit on hankittu, alkaa varsinainen laitteen kokoaminen. Ilmatieteen laitoksella kokoamista varten on puhdashuone, jonne pääsy vaatii sekin huolellista valmistelua. Sisään ei voi noin vain astella.

Koko mittalaitteen kokoamisen ajan puhdashuoneessa seurataan niin hiukkasmääriä kuin muitakin mahdollisia epäpuhtauksia. Tilassa työskennellään aina suojavarusteissa. Laitteet on pidettävä myös mikrobisesti puhtaana, jotta Marsiin ei viedä organismeja Maasta.

Laitteen kokoaminen on käsityötä. Mittauslaitteet juottaa sertifioitu avaruusjuottaja, ja kaikki juotokset on tarkastanut niin ikään sertifioitu avaruusjuotostarkastaja. Tarkastajia löytyy Suomesta muutamia.
Laitteiden valmistamiseen kuuluu myös mekaniikan kokoaminen. Ennen laitteiden koteloinnin sulkemista ja ruuvien varmistusta toiminta vielä testataan Marsin olosuhteissa Ilmatieteen laitoksen testauslaboratoriossa.

Testeissä laite altistetaan avaruuden olosuhteille useaan otteeseen

Ennen varsinaista lentomallia rakennetaan täysin samoista materiaaleista ja samoilla menetelmillä testimalli, jota kutsutaan kvalifiointimalliksi. Se käy läpi armottomat testit, esimeriksi tärinä- ja shokkitestauksen. Lisäksi laitteelle tehdään lämpötyhjiösyklaus, jossa laite altistetaan vuorotellen toimintaympäristönsä kylmimmälle ja kuumimmalle lämpötilalle useita kertoja.
Varsinaisen lentomallin kokoamisen jälkeen alkaa jälleen testaus. Laitteet ovat käyneet mittavat testit, millä varmistetaan, että ne toimivat avaruuden haastavissa olosuhteissa. Lisäksi taataan, että laitteet antavat kalibroituja mittaustuloksia myös laukaisun, pitkän avaruusmatkan ja laskeutumisen jälkeen.

Ilmatieteen laitoksen omassa testauslaboratoriossa sekä paine- että kosteusmittalaitteet on kalibroitu Marsin olosuhteisiin ja altistettu lämpötyhjiötestaukselle. Laitteet ovat käyneet täristystestissä myös espoolaisessa Eurofins Expert Services -yrityksessä. Testin jälkeen laitteet on tarkastettu ja jälleen kalibroitu.

Joitain ympäristötestejä on käyty tekemässä myös muualla. Kosteusmittalaitteen lämpötyhjiötesti -135°C:een asti tehtiin Espanjassa, ja lisätestejä kalibroinnin tueksi käytiin suorittamassa Michiganissa asti.
Ilmatieteen laitokselta mittalaitteet on toimitettu ensin Espanjaan integroitavaksi MEDA-instrumenttikokonaisuuteen. MEDA on käynyt läpi jälleen testiohjelman sisältäen toiminnallisen testauksen lisäksi uusia ympäristötestejä. MEDA-instrumentti on puolestaan toimitettu NASAlle, jossa se on integroitu osaksi Perseverance-roveria ja jälleen testattu. Mönkijän viimeisessä kalibroinnissa Ilmatieteen laitoksen tutkijat olivat mukana paikan päällä JPL:ssä Pasadenassa.

Suomi tunnetaan luotettavien laitteiden valmistajana

Suomelle on useamman vuosikymmenen aikana syntynyt maine luotettavien ja korkealaatuisten laitteiden valmistajana. Maineelle löytyy katetta: Ilmatieteen laitoksen ja Vaisalan yhteistyössä mittalaitteita on toimitettu Marsiin jo kahteen kertaan (Phoenix ja Curiosity) sekä kertaalleen Saturnuksen Titan-kuuhun (Cassini-Huygens). Näissä hankkeissa mittalaitteet ovat osoittaneet toimintavarmuutensa.

Merkittävää Ilmatieteen laitoksen mittalaitevalmistuksessa on ollut se, että niissä on hyödynnetty alusta alkaen kotimaisia komponentteja. Vaisalan ja Ilmatieteen laitoksen tiiviissä yhteistyössä maapallon olosuhteisiin tehdyistä antureista on saatu kehitettyä Marsiin sopivia.

Marsiin matkaavien kosteus- ja painemittalaitteiden kehitykseen ovat Suomessa osallistuneet myös Skytron Oy, Insinööritoimisto Peura Oy ja Talvioja Consulting Oy.

Laitteiden teossa pyritään mahduttamaan kaikki tekniikka mahdollisimman pieneen tilaan. Raketin kyydissä kulkevien laitteiden on oltava pieniä, kevyitä ja kulutettava vain vähän energiaa. Jälleen kerran nämä kriteerit täyttävät mittalaitteet on valmistettu kotimaisessa yhteistyössä, käsityönä. 

Sitten vain odotetaan, että mittalaitteet pääsevät tekemään sitä, mihin ne on suunniteltu. Mittaamaan Marsin kaasukehän painetta ja kosteutta.

Kuva: Maria Hieta ja Timo Nikkanen Ilmatieteen laitoksen puhdastilassa. Kuvaaja: Tero Pajukallio

Mars Perseverance ‑mönkijä, Copyright NASA/JPL-Caltech

Onko siellä ketään?

Kyllä on, ja olemme olleet täällä jo kymmeniä vuosia. Pian Vaisalan teknologiaa laskeutuu jälleen Marsiin NASAn Mars-tutkimusohjelman Perseverance-mönkijän mukana, tälläkin kertaa yhteistyössä Ilmatieteen laitoksen kanssa.

Maria Hieta, FMI
Liftup: Contact Card | 09. Heinä 2020

Maria Hieta

Maria Hieta
Ilmatieteen laitos, tutkimusinsinööri, planeettatutkimus ja avaruusteknologia -ryhmä

Kirjoita kommentti