Kiertorata
Wikipedia
Kiertorata on kappaleen (kuten satelliitin tai planeetan) "lentoreitti" avaruudessa. Kiertoradalla tarkoitetaan yleensä suljettua, ympyrä- tai ellipsimäistä rataa (erotuksena parabolisista tai hyperbolisista radoista).
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Ratamekaniikkaa
Suljetun, ellipsimäisen kiertoradan muodon, koon ja suunnan määrittämiseen tarvitaan kuusi riippumatonta muuttujaa, esimerkiksi tieto kappaleen paikka- ja nopeusvektorista tietyllä hetkellä (kaksi kolmiulotteisen avaruuden vektoria muodostaa kuusi muuttujaa). Ellipsiradan tapauksessa käytetään yleensä Johannes Keplerin elementtejä: ellipsin isoakselin puolikkaan pituus, eksentrisyys, inklinaatio eli kulma johonkin vertailutasoon verrattuna, nousevan solmun pituus, periapsin argumentti, periapsisaika.
Periapsis on kiertoradan matalin kohta ja vastaavasti apoapsis on korkein. Gravitaatiovoimien takia kappale kulkee sitä suuremmalla nopeudella mitä lähempänä se on kiertämäänsä kappaletta. Periaatteessa kiertoradalla oleva kappale on koko ajan vapaassa pudotuksessa, mutta ei koskaan osu emokappaleeseensa nopeutensa vuoksi. Juuri vapaa-pudotus aiheuttaa painottomuuden tunteen. Esimerkiksi noin 360 km korkeudessa kiertoradalla olevaan kansainväliseen avaruusasemaan vaikuttaa noin 90% siitä painovoimasta mikä vaikuttaa maan pinnalla.
Vastaava englanninkielinen termi "orbit" sisältää myös parabolisen ja hyperbolisen lentoradan, joissa luotain poistuu keskuskappaleen vaikutuksesta. Suomeksi sana "rata" sisältää nämä ei-suljetut radat. Puhutaan siis kappaleen radasta avaruudessa.
Kiertorata-termi on sama kuin esim. planeettojen ratamekaniikassa käytetty. Satelliittien ratamekaniikka on yleensä yksinkertaisempaa kuin planeettojen tai komeettojen radan määritys. Poikkeuksen muodostaa esim. asteroidien laskeutumisalukset, ts. ei-pallomaisen kevyehkön kappaleen ympäri lentävän aluksen kiertoradan suunnittelu.
Kokonaan tietyn taivaankappaleen vetovoiman vaikutuksesta poistuminen vaatii riittävän suuren lentonopeuden, pakonopeuden.
[muokkaa] LEO-rata
LEO-rata (Low Earth Orbit) on matala maan kiertorata. Kiertoradan korkeus on tällöin alle 1000 km. Matalat kiertoradat eivät ole pysyviä vaan satelliitin rata alenee tyhjiössä olevan vähäisen kaasumäärän aikaansaaman "ilman"vastuksen takia nopeasti ja se putoaa ilmakehään, ellei sen rataa korjata ajoittain suihkumoottoreilla. Sen takia alle 200 km korkeat radat eivät olisi pitkäaikaisia ilman jatkuvia ratakorjauksia ja polttoainetäydennystä. Van Allenin säteilyvyöhyke suojaa satelliittia avaruussäteilyltä. Nämä kiertoradan olivat avaruuden valloituksen aikoina 1950-luvun lopulla ja 1960-luvun alussa suosittuja, koska niille sai nostettua kevyen satelliitin heikollakin kantoraketilla.
[muokkaa] Naparata
Naparata on yleiskielen termi, jolla kuvataan kaikkia ratoja, joissa satelliitti (suunnilleen) ylittää pohjois- ja etelänavan. Näitä ratoja käyttävät kaukokartoitussatelliitit, etenkin tiedustelu- eli vakoilusatelliitit. Nykyään tyypillinen lentokorkeus on 600-900 km. Aurinkosynkroninen rata on eräs naparata.
[muokkaa] Aurinkosynkroninen rata
Tarkalleen Maan napojen yli lentävillä satelliiteilla radan inklinaatiokulma on 90°. Nämä pyrkivät noudattamaan ns. kepleriläistä rataa. Tällöin radan suhde tähtiin pysyy vakiona. Käytännön sovellutuksille tämä rata ei kuitenkaan sovi kaikkiin käyttötarkoituksiin, koska satelliittien ylilennot eivät ole ajallisesti säännöllisiä tietylle paikalle, vaan vaihtuvat vuoden kuluessa.
Koska maa ei ole täysin pallon muotoinen, vaan paksumpi päiväntasaajan kohdalta, maan gravitaatiovoima ei ole vakio paikasta toiseen. Jos satelliitin navan kautta kulkevaa rataa kallistetaan, niin tämä ero gravitaatiokentässä muuttaa radan kallistusta. Satelliitin lähestyessä päiväntasaajaa, radan inklinaatio kasvaa ja sen ylitettyä päiväntasaajan inklinaatio taas pienenee. Tämä saa radan tason kiertymään maan kiertoakselin ympäri. Valitsemalla inklinaatiokulma sopivasti voidaan satelliitti saada ns. aurinkosynkroniselle radalle. Tällöin satelliitin radan tason kiertyminen yhden kierroksen kestää tasan trooppisen vuoden, ja ratatason suhde aurinkoon pysyy vakiona. Seurauksena on, että satelliitin ylitysajat tietylle paikalle pysyvät läpi vuoden samana. Esimerkiksi satelliitin, jonka radan säde on 7 228 kilometriä (NOAA-satelliitit), inklinaation tulee olla 98,8°.
Useimmat sääsatelliitit ja muut kaukokartoitussatelliitit käyttävät aurinkosynkronista rataa.
[muokkaa] GEO-rata
Geosynkroninen kiertorata (Geosynchronous Earth Orbit): ympyrämäisen radan ratakorkeus on 35 786 km (eli säde on yli 42 000 km Maan keskipisteestä).
Ratatason kaltevuus on likimain nolla, jolloin satelliitti pysyy tietyn paikan päällä ekvaattorilla. Käytännössä satelliittien radoissa esiintyy pieniä epäsäännöllisyyksiä ja satelliitit piirtävät taivaalle pientä kahdeksikkoa, jonka korkeus (asteina) on sama kuin inklinaatio. Geostationaarinen rata (Geostationary Orbit) kun satelliitin inklinaatio ja eksentrisyys ovat kumpikin nolla. Tällöin satelliitti on näennäisesti liikkumaton.
Useimmat tietoliikennesatelliitit ja useat sääsatelliitit toimivat GEO-radalla. GEO-satelliitin peittoalue ulottuu pohjois-eteläsuunnassa noin 75 leveyspiireille, joiden välinen alue voidaan peittää maailmanlaajuisesti minimissään kolmella GEO-satelliitilla. Tämän englantilainen Arthur Clarke toi esille 1945 julkaistussa Wireless World-lehdessä. Pääosa GEO-radan tietoliikennesatelliiteista välittää puheluita ym. signaalia tai televisio-ohjelmia joko valtamerien yli tai alueellisesti. Esim. Suomelle GEO-satelliitit ovat hankalia, koska vastaanottimen antenni on suunnattava kohti satelliittia maan pinnan suhteen liki horisontaalisesti, jolloin mm. maasto, puut jne. rajoittavat sen sijoittamista.
[muokkaa] MEO-rata
MEO-rata on korkeampi kuin LEO-rata mutta alempi kuin GEO-rata (Medium Earth Orbit). Mm. amerikkalaisen GPS- ja venäläiset Glonass-navigaatiosatelliitit ovat MEO-radalla.
[muokkaa] HEO-rata
Hyvin elliptinen rata (Highly Elliptic Orbit) on sellainen, jolla on matala perigeum ja korkea apogeum. Mm. ESAn XMM-Newton-satelliitin rata on tällainen. Ilmeisesti amerikkalaiset DSP-ennakkovaroitussatelliitit sijaitsevat tällaisella radalla. Venäjän tietoliikennesatelliitit (esim. Molnija, josta radan nimitys on tullut) toimivat näillä radoilla, joita kutsutaan tällöin Molnija-radoiksi.
