Tõraveres valmistatud instrumendid kosmoses 1971-2001

Esimesest Tõraveres valmistatud kosmose-teleradiomeetrist SFM-4 oli juttu peatükis 2.2.2. Seitsmekümnendate aastate algul arendati tolleaegses Eesti Teaduste Akadeemia Astrofüüsika ja Atmosfäärifüüsika Instituudis (Charles Villmann, Olev Avaste, Uno Veismann, Kalju Eerme) välja kosmiline teleradiomeeter “Mikron”, millega sai mõõta kosmoselaeva pardalt kaugete objektide (atmosfäärikihid, helkivad ööpilved, maapind, Kuu) heledust lähedases infrapunases spektrilõigus (neli spektririba lainepikkuste vahemikus 1 - 3 μm). Et sel ajal Eestis puudusid veel kogemused kosmose-aparaadiehituse alal, siis konstruktoritöö ja valmistamine jäid kahele Venemaa suurfirmale: optikaploki tegi valmis LOMO Peterburis ja elektroonikaploki pani kokku “Kometa” Moskvas. Esimene neist firmadest oli tuntud juba tsaariajast ja kõigi Tõravere teleskoopide valmistaja, teises oli varasematel aastatel välja arendatud NLiidu ülisalajane õhukaitsesüsteem Berkut.

Teleradiomeeter Mikron.

Mikron kujutas endast nelja 50-mm läbimõõduga objektiiviga varustatud teleradiomeetrit, mille vaatenurk oli umbes 20 kaareminutit. Kokku kaalus aparatuur umbes 20 kg. Mõõdetavale objektile suunamist ja/või skaneerimist sai toimetada vaid kogu kosmoseaparaati pöörates. Edasi seati eesmärgiks atmosfääri heledusprofiilide massiline ülesvõtmine laiemas spektraalpiirkonnas, milleks 1978-1984 arendati välja ja valmistati seeria teleradiomeetreid FAZA (Olev Avaste teadusprogramm, Uno Veismanni aparatuurikontseptsioon). Ka sellel instrumendil oli neli objektiivi, kuid läbimõõduga 100 mm ja kiirguse jaotamisega kaheks iga objektiivi taga . Nii osutus võimalikuks korraga mõõta 8 lainepikkusel, mis olid määratud valgusfiltritega vahemikus 0,3 – 2,8 μm. Optikaplokil oli skaneerimisajam, millega vaatesuunda sai üles-alla kõigutada 4o30´ võrra. Ka selle teleradiomeetri optikaploki konstrueeris ja valmistas LOMO, elektroonikaploki arendustöö ja valmistamine toimusid TA SKB Tartu filiaalis (Eik Mölder, Rein Kull, Avo Hilpus). Signaalide võimendites rakendati Mart Mini (Tallinna Tehnikaülikool) originaalset sünkroondetekteerimise skeemilahendust.

Teleradiomeeter FAZA.

Teadusaparatuur anti üle tootmiskoondisele Energia, mida hüüti ka Koroljovi firmaks. Viimased katsetused toimusid Bajkongõri kosmodroomil, mida salastamise huvides nimetati siis lihtsalt polügooniks. Lähimaks asustatud punktiks oli tegelikult Sõrdarja jõe ääres Tjuratam ning kasahhide Bajkongõr paiknes hoopis 370 km kaugusel. Katsetajatel Leo Märtinil, Rein Kolgil, Margus Sisaskil ja Priit Vürstil tuli palju taluda Venemaa asutustes valitsevat bürokraatiat, lahendada alatasa tekkivaid tehnosüsteemide kooskõlastamise probleeme ning üle elada olmeraskusi. Lendudele eelnevat kosmonautide väljaõpet ja instrueerimist viisid Tähelinnas läbi Charles Villmann ja Kalju Eerme.

Teleradiomeetri Mikron katsetamine laboratooriumis. Vasakult Olev Avaste, Uno Veismann ja Charles Villmann.

Tolleaegses Astrofüüsika ja Atmosfäärifüüsika Instituudis tegeles kosmoseeksperimentide ettevalmistamise ja tehnilise tagamisega 1975-1985 enam kui paarkümmend inimest Charles Villmanni ja Uno Veismanni juhtimisel, moodustati elektroonikalaboratoorium (Leo Märtin, Kalev Toots, Gunnar Raadi, Rein Rätsep), sõlmiti miljonitesse rubladesse ulatuvaid lepinguid. Omaette probleemiks, millest arenes terve tegevusvaldkond, oli aparatuuri kalibreerimine. Gradueerimiseks möödapääsmatute etalonkiirgurite osas oli NLiidu seisund halb, puudus ka nende kasutamise metoodika teleradiomeetrite jaoks. Nii tuli välja arendada optilise radiomeetria etalonbaas ja läbi viia vastavad uuringud. Viimastest moodustus seda suunda juhtinud Teofilus Tõnnissoni dissertatsioon ning kujunes välja optilise radiomeetria laboratoorium. Antud valdkonnas tehtud jõupingutused leidsid tunnustamist Moskva juhtivas metroloogiainstituudis VNIIOFI ning seda külastanud USA metroloogiainstituudi NIST esindajad Robert Saunders ja Klaus Mielenz tegid visiidi ka Tõraveresse. Sõjalennuvälja tõttu nn. kinnise linna staatuses seisnud Tartus oli see sündmus peaaegu ime.        

Teatavasti olid eelmise sajandi teisel poolel NLiidu kosmoseorganisatsioonid koondunud kahe keskuse ümber: Koroljovi (järglaste) firma ja Tšelomei firma. Kuuekümnendatel aastatel tuldi orbitaaljaamade loomise juurde mõlemas firmas. Vladimir Tšelomei alustas varem ja nimetas oma jaama sõjalis-luureotstarbeliseks orbitaaljaamaks Almaz (vene k. teemant), mõne aasta pärast hakkas samalaadse projekti DOS (dolgovremennaja orbitalnaja stantsija) kallal tööle ka Koroljovi firma, mida siis juhtis juba Vassili Mišin. Viimane seadis aga esiplaanile Kuu-ekspeditsioonide ettevalmistamise ja kuna Tšelomeilgi olid tekkinud muud huvid, siis takerdus projekteerimine korduvalt. Töö koordineerimiseks moodustati asutustevaheline komisjon, kuhu kuulusid ka eestlane Arvid Pallo Koroljovi firmast ja tema noorem vend Vladimir Pallo Tšelomei juurest. Mõlemad firmad viisid projektid lõpule ja ehitasid hulga jaamu valmis, valitsuse otsusega anti aga kõigile edukalt startinud orbitaaljaamadele nimeks Saljut. Nõukogude Liidu  kosmonautika ametlikus ajaloos on fikseeritud seitse seda tüüpi orbitaaljaama, ent oli veel ebaõnnestunud starte ja mõned jaamad jäid kasutamata; nii ei olegi selge, mitu jaama firmad üldse valmistasid (niipalju on teada, et üle 20). Kõigi orbitaaljaamade orbiidile toimetamiseks kasutati kanderaketti Proton.

Esimene avalikkusele teatatud orbitaaljaam startis Bajkongõrist 19. aprillil 1971. Jaama mass oli 18,9 tonni, välisläbimõõt 13,1 meetrit, teadusaparatuuri mass 1,5 tonni. Tõraverest oli jaamas instrument SFM-4. Esimesel jaama juurde saadetud  kosmoselaeva meeskonnal ei õnnestunud põkkumine ja ei saadud jaama siseneda, järgmine meeskond viibis jaamas 22 päeva, kuid hukkus naasmisel. Peale 175 päevast lendu orbitaaljaam hävitati. Järgmise orbitaaljaama start ebaõnnestus kandurraketi teise astme rikke tõttu ja sellest avalikkust ei teavitatud. Kolmas orbitaaljaam jõudis orbiidile ja talle anti nimeks Saljut 2, kuid 13 päeva pärast oli ta kaotanud hermeetilisuse ning hävitati. See oli sõjaväe programme täitma pidanud ja luureaparatuuri kandnud jaam (Almaz), millel Tõravere instrumente ei olnud.

11. mail 1973 startinud järgmise jaama üle kaotati orbiidil kontroll ja ta hävitati mõne päeva pärast kui Kosmos-557, avalikkust orbitaaljaamast teavitamata. Esimeseks üsna õnnestunud lennuks võib pidada viiendana startinud orbitaaljaama Saljut 3 (Almaz) lendu, mis kestis 212 päeva. Tõravere aparatuuri paigutati vaid DOS-orbitaaljaamadele, sest mittesalajased teadusinstrumendid ei sobinud kokku Almazide sõjaväeaparatuuriga.

Väga hästi õnnestus 26. detsembril 1974 startinud “Saljut 4” lend. Jaam jäi orbiidile 769 päevaks ja teda külastasid kaks meeskonda, esimene viibis jaamas kuu aega, teine kaks kuud. Sellest jaamast tegid mõlemad meeskonnad (Aleksei Gubarev, Georgi Gretško, Pjotr Klimuk, Vitali Sevastjanov) edukalt vaatlusi “Mikroniga”. Teise meeskonnana pidanuksid algselt jaama lendama kosmonaudid Vassili Lazarev ja Oleg Makarov, kuid kandurraketiga toimunud avariis katapulteeris päästesüsteem kabiini kosmonautidega ja nad laskusid langevarju kasutades kuhugi Altai kraisse. “Saljut 5” kuulus jälle Almazide klassi ja pidi täitma sõjaväe vaatlusprogramme.

DOS-tüüpi orbitaaljaamade konstruktsiooni täiustati, nende mass ulatus kahekümne tonnini ja päikesepatareidelt saadav võimsus kahe kilovatini, lisati mootor manööverdamiseks ja teine põkkumisadapter. 1977. aastal startinud Saljut 6 jäi orbiidile peaaegu viieks aastaks ja selles käis 16 meeskonda. Saadi häid tulemusi ka Eesti aparatuuriga.

1982. aastal startinud Saljut 7 osutus veel pikaealisemaks, jäädes orbiidile 8 aastaks 10 kuuks ja võttes vastu 10 külastusmeeskonda. Jaamakompleks koostati orbiidil moodulitest. Algusest peale kuulusid jaama teadusvarustusse Mikron ja RUF, lisamooduliga Kosmos-1686 viidi sinna veel FAZA.

Eesti teadusaparatuur NL orbitaaljaamadel

*Vaatlusinstrument SFM-4 paiknes koos mitme muu teadusaparaadiga orbitaaljaama ühe külje õõnsuses, mida üleslaskmise ajal kattis kaitsekaas. Kaane eemaldamiseks määratud püropadrunid ei toiminud orbiidil ja SFM-4 jäigi varjatuks, tema olemasolu ei avalikustatud üldse.

Järgmisest NLiidu orbitaaljaamast Mir kujunes kompleks, mis lisaks baasmoodulile hõlmas viit täiendmoodulit. Tõravere FAZA viidi jaama  täiendmooduliga Kvant 2. USA kosmosesüstikud põkkusid jaamaga üheksal korral. Jaama töö lõpetati 23. märtsil 2001, sest ta oli küllalt amortiseerunud ja nõudis orbiidil pidamiseks umbes 250 miljonit dollarit aastas.

Atmosfääri heleduslõigete saamise skeem.

Atmosfääri uurimisel oli teleradiomeetri vaatekiir suunatud horisondile ja üles-alla kõigutamise (skaneerimise) teel registreeriti atmosfääri vertikaalseid heledusprofiile, mille põhjal hiljem lahendati atmosfäärioptika pöördülesannet. Maa atmosfääri hajuskiirguse mõõtmine skaneeriva teleradiomeetriga – kosmiline kaugsondeerimine ehk kaugseire – annab väärtuslikku teavet atmosfääri füüsikalis-keemilise koostise kohta.

Orbitaaljaam Mir, millelt uuriti Maa atmosfääri Tõraveres loodud teleradiomeetriga FAZA.

Nii on kosmosest kaugsondeerimise abil võimalik määrata veeauru, osooni, aerosooli ja nn. väikeste gaaskomponentide (siia kuuluvad ka inimtekkelised saasteained atmosfääris) kontsentratsiooni kõrguste vahemikus 5-50 km. Nende komponentide muutlikkus ajas on üsna suur (10-100 korda), mistõttu keskmiste kontsentratsioonide teadmisest ei piisa atmosfääri seisundi hindamiseks. Olev Avaste, Gennadi Vainikko ja Rein Rõõm koostasid metoodika, mis võimaldas Maa hajuskiirguse mõõtmistest arvutada aerosooli ekstinktsioonitegurit ja mitmel lainepikkusel toimetatud mõõtmiste korral hinnata ka aerosooli keemilist koostist ning kontsentratsiooni. Analoogilise meetodi esitas Juri Knjazihhin veeauru kontsentratsiooni leidmiseks.

Eelpool kirjeldatud metoodikat kasutati orbitaaljaamadelt Saljut 4, Saljut 6, ja Saljut 7 tehtud kiirgusmõõtmiste interpreteerimisel. Saadi aerosooli ekstinktsiooniteguri vertikaalprofiilid mitme geograafilise piirkonna jaoks, hinnati veeauru kontsentratsiooni atmosfääri ülakihtides (Kalju Eerme). Eriti produktiivseks osutus orbitaaljaamas Saljut 7 lennanud FAZA, millega saadi enam kui 10000 atmosfääri heleduslõiget. Teadusprogrammi püstitajate (O.Avaste, G.Vainikko, R.Rõõm) juhendamisel formeerus andmetöötluse grupp (K.Eerme, Sirje Keevallik, Rutt Koppel jt.), kes olemasolevate võimaluste piires rakendas tolleaegseid elektronarvuteid.

Artiklikogumikud kosmiliste uurimiste tulemustest.

Ajaleheväljalõige „Tõravere seadeldis kosmoses”.

Märkimisväärne osa vaatlustest toimus ka jaama orbiidi nadiiri suunas. Teine orbiidile viidud FAZA oligi mõeldud maapinna optiliste omaduste määramiseks koos samaaegse mitmevärvi-pildistusega. See oli teatud sissejuhatuseks andmebaasi moodustamisel atmosfääri ja maapinna spektraalheleduste kohta mitmesugustes geograafilistes piirkondades, arvesse võttes ka spektraalheleduste päevaseid ja sesoonseid muutusi (K. Eerme). Selles liinis korraldati veel 1991.a. koostöö-eksperiment Austromir koos Austria teadlastega, mis seisnes Austria maapinna fotode radiomeetrilises sidumises FAZA mõõtmistega.

Kosmosest toimetatud atmosfääriuuringute teaduslikest tulemustest avaldati 1977-1989 viis artiklite kogumikku vene keeles (inglisekeelsete resümeedega) ning hulk üksikartikleid rahvusvahelistes väljaannetes, viimane neist veel 1996. aastal.  Neli teadlast Tõraverest ja neli kosmonauti pälvisid 1977 Eesti riikliku teaduspreemia.

NLiidu kosmosefirmadega saavutatud kontaktid ja kosmosest eksperimentide läbiviimise kogemused tõid meie juurde helkivate ööpilvede uurija, Aberdeeni ülikooli professori Michael Gadsdeni, kes esitas oma ööpilvede vaatlusprogrammi ja aparatuurikontseptsiooni. Meie vahendatud läbirääkimised Energija esindajatega kulgesid edukalt ning sõlmiti kokkulepe projekti NOCLO (Noctilucent Clouds) elluviimiseks 1990-1992 kogumaksumusega umbes 800 000 dollarit. Eesmärgiks oli seatud helkivate ööpilvede uurimine kosmosest subarktilistel geograafilistel laiustel. Moodustati rahvusvaheline töörühm, saadi nõusolek Koroljovi firmast, kuid töö katkes Aberdeeni ülikoolist sõltuvalt.

Tartu Observatooriumis kosmosetehnoloogiaga tegelnud inimesed. Vasakult esireas Rein Rõõm, Rutt Koppel, Leo Märtin, Helgi Pakk, Gunnar Raadi, Tiina Märtin ja  Aino Kollo. Seisavad tagareas vasakult Kalju Eerme, Teofilus Tõnnisson, Kalev Toots, Uno Veismann, Kaiti Kattai, Rein Kolk, Rein Leitu ja Olavi Kärner.