blog

Laukaista vai ei: sääolosuhteet vaikuttavat avaruuslentoihin

Bolt of ligtning.
Chris Vagasky
Meteorologist and Lightning Applications Manager
Published: 22. Heinä 2020
Avaruustutkimus
Sää ja ympäristö
Meteorologia
Innovaatio ja inspiraatio

Avaruuslentojen lähdöt, kuten Perseverance-kulkijan laukaisu 30.7.2020, ovat tarkkuutta vaativia ja kalliita operaatioita. Niiden laukaisuikkuna lasketaan sen mukaan, että kohdekappale on juuri sopivassa kohdassa kiertoradallaan. Resursseja tai aikaa ei saa hukata eikä turvallisuudesta tinkiä. Laukaisun paikallisia sääolosuhteita on seurattava jatkuvasti ja huolellisesti, jotta operaatiot ovat varmasti turvallisia ja tehokkaita. Esimerkiksi SpaceX:n laukaisuajankohtaa siirrettiin keväällä 2020 sääolosuhteiden vuoksi.

Kun sääolosuhteita tarkkaillaan, on siis olennaista, että päätökset pohjautuvat tarkimpaan ja luotettavimpaan saatavilla olevaan säädataan. Vaisala on erikoistunut huippulaadukkaisiin säänmittauslaitteisiin ja -ohjelmistoihin. Sen lisäksi, että olemme toimittaneet paine- ja kosteusanturiteknologiaa Mars-kulkijaan, mittauslaitteillamme on myös osansa avaruuslentojen laukaisujen suunnittelussa.

Luotettava säänmittaus on avaintekijä onnistuneissa avaruuslennoissa

Perseverance-kulkija laukaistiin Kennedyn avaruuskeskuksesta Cape Canaveralista, joka sijaitsee Floridassa Yhdysvalloissa. Kennedyn avaruuskeskus sijaitsee Atlantin rannikolla, Floridan subtrooppisessa ympäristössä, missä sää on tavallisesti lämmin ja kostea ympäri vuoden, erityisesti juuri kesäisin. Kuumat ja kosteat olosuhteet synnyttävät ukkosmyrskyjä, ja tästä syystä Floridan keskiosassa salamoi enemmän kuin Yhdysvalloissa keskimäärin. Vaisalan National Lightning Detection System (NLDN) -järjestelmän mukaan vuonna 2019 Floridassa nähtiin 228 salamaa yhtä neliömailia (2,6 neliökilometriä) kohden.

Näin ollen lähtölaukaisujen sääedellytykset ovat tarkkoja, ja jokaiselle lähdölle on omat vaatimuksensa. United States Air Force 45th Weather Squadron (45 WS) -yksikkö tarkkailee olosuhteita erilaisten sääantureiden avulla. Arvioinnin alla ovat niin sääennusteet kun sääasemien, sääpallojen, tutkien, ja salamajärjestelmien tuottama datakin. Jokaisen laukaisun kohdalla tarkkaillaan maapallon pintasäätä, yläilmakehän olosuhteita ja salamoita, ja jokainen lähtö noudattaa Lightning Launch Commit Criteria -kriteeristöä. Jos sääolosuhteet eivät ole otolliset, laukaisu on siirrettävä tai peruutettava, kunnes sää kohenee.

Monet tekijät voivat vaikuttaa raketin laukaisuun. Lämpötilan kaltaisilla tavallisilla säätiedoilla on osansa, mutta monimutkaisempi säädata, kuten tuulen nopeus eri korkeuksissa ja salamoinnin mahdollisuus, on myös olennaisessa roolissa. Pilvipeitteen paksuus lisää riskiä, sade ja kosteus voivat koitua vahingollisiksi, ja nopeat tuulet saattavat singota raketin pois radaltaan. Koska Florida on erityisen altis salamoinnille, on siellä siis pidettävä silmällä salamoiden ja ukkosmyrskyn merkkejä, kun suunnitellaan avaruuslentoja.

Salama voi iskeä maassa tai ilmassa

Ukonilma on turvallisuusriski avaruuslennoille paitsi ilmassa myös maassa, joten onnistuneen avaruuslennon kannalta on äärimmäisen tärkeää tietää, missä salamoi. Ilmassa salama voi iskeä rakettiin ja vahingoittaa sen miehistöä tai resursseja. Myös maassa salamat voivat vahingoittaa henkilöstöä ja kulkuneuvoja. Tieto salamoinnin päättymisestä on myös arvokasta, sillä monet aktiviteetit on pysäytettävä myrskyn ajaksi. Ilman luotettavaa dataa pysäytys saattaa kestää tarpeettoman pitkään, mikä tuhlaa resursseja ja aikaa, tai toimintoja jatketaan liian aikaisin, mikä vaarantaa turvallisuuden.

Salamoinnin havainnoimiseksi Vaisalalla on tarjolla kaksi järjestelmää: NLDN Yhdysvalloissa ja Global Lightning Dataset GDL360 globaalisti. Molemmat järjestelmät tunnistavat sekä pilven sisäiset salamat että maasalamat, mikä on mahdollista havainnoimalla elektromagneettisia aaltoja, joita kulkee ympäri maailman salaman iskettyä. NLDN kykenee havaitsemaan yli 95 % maasalamoista 150 metrin tarkkuudella sekä yli 50 % kaikista pilven sisäisistä salamoista. Käytännössä salama voidaan havaita vasta sen iskettyä, mutta Vaisalan NLDN toimittaa dataa vain 11 sekuntia salaman jälkeen. Avaruuslennon laukaisu voidaan keskeyttää missä vaiheessa tahansa ennen moottorin käynnistämistä, joten säätä tarkkaillaan herkeämättä lähtölaskennan aikana.

Salamoita tarkkaillaan sekä laukaisualueen ympäristössä, missä maasalamat ovat suurempi uhka, että lentoreitillä, missä puolestaan pilven sisäiset salamat voivat aiheuttaa vaaratilanteen. Vaisalan järjestelmillä voidaan seurata molempia salamatyyppejä. 45 WS käyttää Vaisalan TLS200-salama-antureita sekä NLDN:n tuottamaa dataa: saatu data muodostaa Mesoscale Eastern Range Lightning Information System (MERLIN) -järjestelmän, jonka avulla meteorologit päättävät, ovatko olosuhteet laukaisulle suotuivat vai eivät.

MERLIN voi havaita maasalamat erittäin täsmällisesti noin 60 metrin tarkkuudella. Minkä tahansa salaman 16 kilometrin säteellä laukaisuympäristöstä tai raketista katsotaan muodostavan turvallisuusuhan, jolloin lähtöä lykätään tai se perutaan.

SpaceX LaunchAmerica: salamaturvallisuutta käytännössä

SpaceX:n LaunchAmerica-tapahtuma herätti paljon kiinnostusta mediassa ja sosiaalisessa mediassa toukokuussa 2020, ja se on malliesimerkki siitä, miten salamointi ja sääilmiöt voivat vaikuttaa avaruuslentoihin. Lähtölaukaisu oli aikataulutettu toukokuun 27. päivälle, mutta se piti peruuttaa laukaisualuetta ympäröivän korkean sähkövarauksen vuoksi. Ukkosmyrskyt kestivät koko päivän, ja Vaisalan NLDN havaitsi yli 10 000 salamaa 50 kilometrin säteellä laukaisualueesta.

Vaikka 16 kilometrin säteellä ei ollut salamoinut kahteen tuntiin ennen peruutusta, ilmakehässä oli sähkövaraus, jonka vuoksi avaruusalus olisi voinut laukaista salaman. Kun raketti ohittaa positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita kenttiä ilmakehässä, raketti tai sen pakokaasut voivat purkautua salamaniskuna, mikä olisi asettanut miehistön suureen vaaraan.

Koska Kennedyn avaruuskeskus ja Cape Canaveral ovat niin alttiita haitallisille sääilmiöille, se voi vaikuttaa epäkäytännölliseltä paikalta avaruuslennoille, mutta sijainnissa on myös huomattavia etuja. Yksi merkittävä etu on Atlantin valtameri: lentoreitillä ei ole asutettuja alueita, joten se on turvallinen ympäristö, jos ilmenee mahdollisia ongelmia. Toinen syy piilee maapallon pyörimisessä: kun avaruusalukset lähetetään matkaan Cape Canaveralista, ne saavat noin 1 473 km/h lisävauhdin, jolloin tarvitaan myös vähemmän polttoainetta.

Laukaisualueen sääilmiöt eivät ole leikin asia, ja niitä pitää tarkkailla jatkuvasti ja huolellisesti turvallisuuden takaamiseksi. Tämä on mahdollista vain tarkimman ja luotettavimman säädatan avulla.

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.

Chris Vagasky

Meteorologi ja Vaisalan Yhdysvaltain-salamaratkaisujen päällikkö

Chris on meteorologi, joka kehittää datan ja antureiden toiminnallisia ratkaisuja. Hän kehittää myös uusia käyttökohteita jo olemassa olevalle sääteknologialle. Hänen työnsä sisältää tutkimusta, salamadatan hyödyntämisen opetusta sekä radiosondien käytön kehitystä. Chris on opiskellut toiminnallista ja soveltavaa meteorologiaa Mississippi State University -yliopistossa, missä hän suoritti maisterintutkintonsa vuonna 2017.

Kirjoita kommentti