Kiertorata

Kahden kappaleen kiertorata.

Kiertorataon kappaleen (kutensatelliitintaiplaneetan) kehämäinenliikerataavaruudessa. Kiertoradalla tarkoitetaan yleensä suljettua, ympyrä- taiellipsimäistä rataa(erotuksenaparabolisistataihyperbolisistaradoista). Kiertoradat syntyvät, kun vähemmän massiivinen kappale ryhtyy kiertämään massiivisempaa kappalettapainovoimanvaikutuksesta. Kiertoratoja on muiden muassa planeetoillatähdenympäri,kuillaplaneettojen ympäri ja tähdellä toisen tähden ympäri. Kiertoradat ovat yleensä ellipsimäisiä – täydellisen pyöreät, ympyräradat ovat harvinaisia, mutta esimerkiksiAurinkokunnanplaneettojen kiertoradat ovat lähes pyöreitä, mutta silti ellipsimäisiä. Kiertorataa voidaan kiertää joko myötä- tai vastapäivään, mutta tämä riippuu tarkastelijan sijainnista suhteessa kiertävään kappaleeseen. Kiertoradan suunta voidaan kuitenkin määrittää, kunhan ilmoitetaan mistä suunnasta kiertävää kappaletta tarkastellaan. Kaikki Aurinkokunnan planeetat kiertävät Auringon ympäri vastapäivään tarkasteltuna Auringon pohjoisnavalta. Kappaleiden kiertoratoja ja niissä tapahtuvia muutoksia voidaan laskea ja ennustaa laskelmien pohjalta.

Ratamekaniikkaa

Suljetun,ellipsimäisenkiertoradan 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 yleensäJohannes Keplerinlakienrataparametrejä eli elementtejä: ellipsin isoakselin puolikkaan pituus,eksentrisyys,inklinaatioeli kulma johonkin vertailutasoon verrattuna, nousevan solmun pituus, periapsin argumentti, periapsisaika.

Periapsison kiertoradan matalin kohta ja vastaavastiapoapsison 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 aiheuttaapainottomuudentunteen. Esimerkiksi noin 360 km:n korkeudessa kiertoradalla olevaankansainväliseen avaruusasemaanvaikuttaa 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 esimerkiksi planeettojenratamekaniikassakäytetty. Satelliittien ratamekaniikka on yleensä yksinkertaisempaa kuin planeettojen tai komeettojen radan määritys. Poikkeuksen muodostaa esimerkiksi asteroidien laskeutumisalukset, ts. ei-pallomaisen kevyehkön kappaleen ympäri lentävän aluksen kiertoradan suunnittelu.

Kokonaan tietyn taivaankappaleen vetovoiman vaikutuksesta poistuminen vaatii riittävän suuren lentonopeuden,pakonopeuden.Pakonopeudesta ja suunnasta riippuen tällainen kappale voi päätyä kiertämään järjestelmän keskuskappaletta, jotain toista keskuskappaletta kiertävää kappaletta tai paeta koko järjestelmästä. Avaruusalus, joka pakenee maapallon vetovoimasta, voi siirtyä kiertämään esimerkiksi aurinkoa tai jotain toista aurinkokunnan planeettaa tai paeta aurinkokunnasta.

Kiertoradat Maan ympäri

Keinotekoiset ja luonnolliset satelliitit (Kuu) kiertävät Maan ympäri kiertoratoja pitkin.

LEO-rata

LEO-rata(engl.low Earth orbit) kiertorata, jolla radan korkeus maan pinnasta on alle 1 000 km. Matalimmat kiertoradat eivät ole pysyviä, vaan satelliitin rata alenee tyhjiössä olevan vähäisen kaasumäärän aikaansaaman ilmanvastuksen takia nopeasti ja se putoaa ilmakehään, ellei sen rataa korjata ajoittain rakettimoottoreilla. Sen takia alle 200 km korkeat radat eivät olisi pitkäaikaisia ilman jatkuvia ratakorjauksia ja polttoainetäydennystä.Van Allenin säteilyvyöhykesaattaa aiheuttaa häiriöitäsatelliittienlaitteille. Nämä kiertoradat olivat avaruuden valloituksen aikoina 1950-luvun lopulla ja 1960-luvun alussa suosittuja, koska niille sai nostettua kevyen satelliitin heikollakinkantoraketilla.

Naparata

Naparata on yleiskielen termi, jolla kuvataan kaikkia ratoja, joissa satelliitti (suunnilleen) ylittää pohjois- ja etelänavan. Näitä ratoja käyttävät kaukokartoitussatelliitit, etenkin tiedustelu- elivakoilusatelliitit.Nykyään tyypillinen lentokorkeus on 600-900 km. Aurinkosynkroninen rata on eräs naparata.

Aurinkosynkroninen rata

Pääartikkeli:Aurinkosynkroninen rata

Tarkalleen Maan napojen yli lentävillä satelliiteilla radaninklinaatiokulmaon 90°. Nämä pyrkivät noudattamaan ns. kepleriläistä rataa. Tällöin radan suhde tähtiin pysyy vakiona. Käytännön sovelluksille 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°.

Useimmatsääsatelliititja muutkaukokartoitussatelliititkäyttävät aurinkosynkronista rataa.

GEO-rata

Geosynkroninen kiertorata (engl.geosynchronous 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 saman maantieteellisen, ekvaattorilla olevan paikan yläpuolella. Käytännössä satelliittien radoissa esiintyy pieniä epäsäännöllisyyksiä ja satelliitit piirtävät taivaalle pientä kahdeksikkoa, jonka korkeus (asteina) on sama kuininklinaatio.Geostationaarinen rata(engl.geostationary orbit) kun satelliitin inklinaatio jaeksentrisyysovat kumpikin nolla. Tällöin satelliitti on näennäisesti liikkumaton.

Useimmattietoliikennesatelliititja useatsääsatelliitittoimivat 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 julkaistussaWireless World-lehdessä. SlovenialainenHerman Potočnikoli kehittänyt matemaattisen teorian geostationaarisesta kiertoradasta vuoteen 1929 mennessä.

Pääosa GEO-radan tietoliikennesatelliiteista välittää puheluita ym. signaalia tai televisio-ohjelmia joko valtamerien yli tai alueellisesti. Esimerkiksi Suomelle GEO-satelliitit ovat hankalia, koska vastaanottimen antenni on suunnattava kohti satelliittia maan pinnan suhteen liki horisontaalisesti, jolloin muun muassa maasto, puut jne. rajoittavat sen sijoittamista.

Vuonna 1984 tohtori Robert Forward esitti version geostationaarisesta radasta, jossa satelliitti lentää noin 50 km pohjoiseen tai etelään ekvaattorin päällä. Tämä mahdollistaa paljon suuremman määrän tietoliikennesatelliitteja. Se onko tällainen rata stabiili häiriöiden, mm. aurinkotuuli, vaikuttaessa satelliittiin, on selvitelty vuonna 2010, mutta satelliitteja ei ole laukaistu tällaisille radoille. Sama yliopisto, University of Strathclyde's Advanced Space Concepts Laboratory, on pohtinut pohjois- ja etelänavan päällä pysyviä satelliittien kiertoratoja.

MEO-rata

MEO-rata (engl.medium Earth orbit) on korkeampi kuin LEO-rata mutta alempi kuin GEO-rata. Muun muassa amerikkalaisenGPS-ja venäläisetGlonass-navigaatiosatelliititovat MEO-radalla. Tyypillinen ratakorkeus on hieman yli 20 000 kilometriä.

HEO-rata

Hyvin elliptinen kiertorata(engl.highly elliptical orbit) on liikerata, jolla on matalaperigeumja korkeaapogeum.Muun muassa ESAnXMM-Newton-satelliitinrata on tällainen. YhdysvaltainDSP-ennakkovaroitussatelliitit sijaitsevat tällaisilla radoilla.

Molnija-rata

Venäjäntietoliikennesatelliitit – esimerkiksiMolnija,josta radan nimitys on tullut – toimivat radoilla, joita kutsutaan tällöin Molnija-radoiksi. Molnija-radan inklinaatio on noin 63,4 astetta, jolloin rata ei kierry. Rataperiodi on 12 tuntia, jolloin pääakseli on 26 600 km.

Aurinkokunnan planeettojen kiertoradat Auringon ympäri

Maan kiertorata

Maan kiertorata onellipsikiertorata,ja Maan etäisyys Auringosta vastaaastronomista yksikköä.

Katso myös

• Keplerin lait
• Kiertoaika
• Lagrangen piste
• Retrogradinen liike

Aiheesta muualla

• T.S. Kelson Celestrak-sivusto, jolla suuri määrä satelliittien rataparametreja