Kiertorata

Kiertorata on kappaleen (kuten satelliitin tai planeetan) kehämäinen liikerata avaruudessa. Kiertoradalla tarkoitetaan yleensä suljettua, ympyrä- tai ellipsimäistä rataa (erotuksena parabolisista tai hyperbolisista radoista). Kiertoradat syntyvät, kun vähemmän massiivinen kappale ryhtyy kiertämään massiivisempaa kappaletta painovoiman vaikutuksesta. Kiertoratoja on muiden muassa planeetoilla tähden ympäri, kuilla planeettojen ympäri ja tähdellä toisen tähden ympäri. Kiertoradat ovat yleensä ellipsimäisiä – täydellisen pyöreät, ympyräradat ovat harvinaisia, mutta esimerkiksi Aurinkokunnan planeettojen 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, 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 lakien rataparametrejä eli 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:n 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 esimerkiksi planeettojen ratamekaniikassa käytetty. 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 () 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 säteilyvyöhyke saattaa aiheuttaa häiriöitä satelliittien laitteille. Nämä kiertoradat olivat avaruuden valloituksen aikoina 1950-luvun lopulla ja 1960-luvun alussa suosittuja, koska niille sai nostettua kevyen satelliitin heikollakin kantoraketilla.

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.

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 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°.

Useimmat sääsatelliitit ja muut kaukokartoitussatelliitit käyttävät aurinkosynkronista rataa.

GEO-rata
Geosynkroninen kiertorata (): 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 kuin inklinaatio. Geostationaarinen rata () 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. Slovenialainen Herman Potočnik oli 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 () on korkeampi kuin LEO-rata mutta alempi kuin GEO-rata. Muun muassa amerikkalaisen GPS- ja venäläiset Glonass-navigaatiosatelliitit ovat MEO-radalla. Tyypillinen ratakorkeus on hieman yli 20 000 kilometriä.

HEO-rata
Hyvin elliptinen kiertorata () on liikerata, jolla on matala perigeum ja korkea apogeum. Muun muassa ESAn XMM-Newton-satelliitin rata on tällainen. Yhdysvaltain DSP-ennakkovaroitussatelliitit sijaitsevat tällaisilla radoilla.

Molnija-rata
Venäjän tietoliikennesatelliitit – esimerkiksi Molnija, 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 on ellipsikiertorata, ja Maan etäisyys Auringosta vastaa astronomista yksikköä.

Katso myös
 Keplerin lait
 Kiertoaika
 Lagrangen piste
 Retrogradinen liike

Lähteet

Aiheesta muualla

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

Seulonnan keskeiset artikkelit