Satelliitti
Wikipedia
Satelliitti on taivaankappaletta kiertävän pienemmän kappaleen nimitys. Satelliitti voi olla joko luonnollinen satelliitti, esimerkiksi jonkin planeetan kuu, tai keinotekoinen satelliitti. Tässä artikkelissa käsitellään keinotekoisia satelliitteja. Vanhempi nimitys keinotekoiselle satelliitille on tekokuu. Satelliitin sanotaan olevan keskuskappaletta kiertävällä kiertoradalla.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Historia
[muokkaa] Kaunokirjallisuus
Kiinalaiset ovat käyttäneet ruutiraketteja ja kuvanneet rakettien käyttöä useita satoja vuosia sitten. Tarinoissa on mm. yritys lähettää mandariini rakettilennolle.
Ensimmäinen eurooppalainen fiktiivinen kuvaus satelliitin laukaisusta kiertoradalle on Edward Everett Hale novelli, The Brick Moon. Tarina ilmestyi The Atlantic Monthly -lehdessä1869 alkaen.[1][2] Seuraavan kerran idea esiintyi Jules Vernen Begumin 500 miljoonaa teoksessa vuonna 1879. Vernen "Maasta kuuhun"-kirja, jossa miehitetty avaruuslento pyritään toteuttamaan tykkilaukaisun avulla, on ollut usean avaruutekniikan ammattilaisen innoituksen perusta.
[muokkaa] Tiede
Vuonna 1903 venäläinen Konstantin Tsiolkovski (1857–1935) julkaisi koosteensa tutkimuksistaan Исследование мировых пространств реактивными приборами ("Kosmisen avaruuden tutkimus reaktiivisia laitteita käyttäen"). Se on ensimmäinen raketteja avaruusalusten laukaisuun käyttämistä käsittelevä tieteellinen julkaisu. Osa materiaalista oli julkaistu venäläisissä tieteellisissä lehdissä 1880-luvun lopulta alkaen. Tsiolkovski nääritti Maan kiertoradalle pääsemiseen vaadittavan ratanopeuden, joka on noin 8 km/s. Hän päätyi lopputulokseen, että Maan kiertoradalle pääsy olisi mahdollista monivaiheisilla raketeilla, jotka käyttäisivät nestemäistä ajoainetta. Hän ehdotti nestemäisen vedyn ja nestemäisen hapen käyttöä, joka on edelleen paras käytössä oleva ajoaine. Elinaikanaan hän julkaisi yli 500 avaruuslentoa ja siihen liittyvää teosta mukaan lukien tieteisromaaneja. Töihin kuului myös ohjausraketeilla varustettujen rakettejen, monivaiheisten rakettien, avaruusasemien, ilmalukkojen sekä avaruusiirtokuntien ruoan ja hapen tuottamiseksi tarkoitettujen suljettujen biologisten systeemien suunnitelmia.
1928 Herman Potočnik (1892–1929) julkaisi kirjansa Das Problem der Befahrung des Weltraums - der Raketen-Motor (Avaruusmatkustuksen ongelma - Rakettimoottori), joka oli suunnitelma avaruuden valloittamiseksi ja pysyvän ihmiasutuksen synnyttämiseksi sinne. Hän hahmotteli yksityiskohtaisen avaruuaseman ja laski sen geostationaarisen radan. Hän kuvaili kiertorataa kiertävän avaruusaluksen siviili- ja sotilaskäyttöä maan havainnoinnissa sekä selvitti, kuinka avaruuden erikoisolosuhteet voisivat olla hyödyllisiä tieteellisissä kokeissa. Kirja käsitteli myös geostanionaaristen satelliittien käyttöä radioviestintään.
Vuonna 1945 Wireless World -lehden artikkelissa englantilainen scifikirjailija Arthur C. Clarke (s. 1917) toi Potočnikin idean tietoliikennesatelliittien käyttöstä massatiedottamiseen länsimaiden tietoon. [3] Clarke tutki satelliittien laukaisun logistiikkaa, mahdollisia kiertoratoja ja muita maailmanlaajuisen tietoverkon kehittämiseen liittyviä asioita. Geometrian perusteella hän totesi, että koko Maan kattavuuteen tarvittaiin vain kolme geostanionaarista satelliittia.
[muokkaa] Toteutuksen valmistelua
Toukokuussa 1946 yhdysvaltalainen Project RAND julkaisi Preliminary Design of an Experimental World-Circling Spaceship -raportin, jossa esitettiin, että sopivilla tieteellisillä laitteistoilla varustetut satelliitit tulevat olemaan yksiä kaikkein oleellisimmista tieteellisistä työkaluista 1900-luvulla. [4] Yhdysvallat oli suunnitellut vuodesta 1946 lähtien laukaisevansa satelliitin kiertoradalle merivoimiensa Bureau of Aeronautics -osaston ollessa yksi aloitteen tekijä. Yhdysvaltain ilmavoimien Project RAND julkaisi raportin aiheesta mutta, mutta siinä ei uskottu, että satelliitit voisivat olla potentiaalisia aseita vaan että ne olisivat pikemminkin soveliaampina tieteeseen, politiikkaan ja propagandaan. Vuonna 1954 Yhdysvaltain puolustusministeri väitti: "En ole kuullut amerikkalaisesta avaruusohjelmasta".
29. heinäkuuta 1955 Valkoinen talo ilmoitti, että Yhdysvallat aikoo laukaista satelliitin kevääseen 1958 mennessä. Tämän hankkeen nimeksi tuli Project Vanguard. 31. heinäkuuta Neuvostoliitto ilmoitti laukaisevansa satelliitin syksyyn 1957 mennessä. Molemmat ilmoitukset liittyivät kansainväliseen geofysiikan vuoteen 1957–58. Vuonna 1955 American Rocket Societyn, National Science Foundationin ja International Geophysical Yearin painostamana Yhdysvaltojen ilmavoimat ja merivoimat alkoivat työskennellä yhdessä Project Orbiterissa. Siinä Jupiter-C-raketilla pyrittiin laukaisemaan satelliitti kiertoradalle.
[muokkaa] 1957-2008
Ensimmäinen ihmisen tekemä satelliitti oli Neuvostoliiton 4. lokakuuta 1957 laukaisema Sputnik 1. Tämä aloitti avaruustoiminnan ja noin 20-vuotisen sotilaallis-poliittisen avaruuskilvan Neuvostoliiton ja Yhdysvaltojen välillä.
Project Orbiterin perussuunnitelmien pohjalta yhdysvallat laukaisi ensimmäisen Explorer 1 -satelliittinsa Juno 1 -kantoraketilla 31. tammikuuta 1958.
Tämän jälkeen satelliitteja on laukaistu Maata kiertävälle radalle noin seitsemän tuhatta, joista suurin osa kiertää Maata edelleen avaruusromuna tai on palanut ilmakehässä. Toimivia satelliitteja avaruudessa on noin 800.
[muokkaa] Maan lähiavaruuden kappaleiden seuranta
Yhdistyneiden kansakuntien COPUOS-komitea kerää tiedot kaikkien maiden avaruuteen yltävistä ohjus- ja rakettilaukaisuista. YK ylläpitää luetteloa satelliiteista ja niiden radoista. Poikkeuksena ovat sotilaalliset satelliitit, etenkin Yhdysvallat kieltäytyy ilmoittamasta niiden rataelementtejä. YK ei omaa omaa valvontaverkostoa vaan se luottaa jäsenmaidensa ilmoituksiin.
United States Space Surveillance Network (SSN) on seurannut kiertoradalla olevia kappaleita vuodesta 1957 lähtien, kun Neuvostoliitto aloitti avaruusajan laukaisemalla Spunik-1. SSN on osa Yhdysvaltain ja Kanadan ilmapuolustusjärjestelmää (NORAD). Se on seurannut yli 26 000:ta Maata kiertavää avaruuskappaletta. Nykyisin SSN seuraa yli 8 000:ta Maata kiertävää satelliittia, avaruusalusta, kantorakettia tai tällaisen kappaletta, joiden koko on suurempi kuin 10–50 cm. Seuranta tapautuu sekä tutkien että optisten teleskooppien avulla. Valtaosa Maan lähiavaruuteen jääneestä avaruusromust palaa Maan ilmakehään ja tuhoutuu tai iskeytyy. Lukumääräisesti noin seitsemän prosenttia avaruuskappaleista on toimivia satelliitteja eli satelliitteja on noin 560 ja loput ovat avaruusromua. USSTRATCOM on ensisijaisesti kiinnostunut toimivista satelliiteista, mutta seuraa myös avaruusromua, joka palatessaan ilmakehään voitaisiin erehtyä luulemaan ohjukseksi. SSN seuraa avaruuskappaleita, joiden halkaisija on 10 cm tai enemmän.
Venäjällä on Yhdysvaltain järjestelmää vastaava ilmapuolustukseen liittyvä avaruuden seurantajärjestelmä. Ranska toi vuoden 2007 lopulla oman sotilaallisen lähiavaruuden seurantajärjestelmänsä julkisuuteen. Siihen kuuluu mm. GRIMES-tutkajärjestelmä.
[muokkaa] Avaruusvaltiot
Avaruusvaltio on valtio, joka on laukaissut omalla kantoraketillaan oman satelliitin kiertoradalle.
| Valtio | Laukaisu | Ensimmäinen satelliitti | Massa | Laukaisuja kiertoradalle (2006)[5] |
|---|---|---|---|---|
| lokakuu 1957 | Sputnik 1 | 84 kg | 1390 | |
| tammikuu 1958 | Explorer 1 | 14 kg | 999 | |
| marraskuu 1965 | Astérix | 40 kg | 43 | |
| 1967 | WRESAT | 1 | ||
| helmikuu 1970 | Osumi | 38 kg | 102 | |
| huhtikuu 1970 | Dong Fang Hong I | 173 kg | 53 | |
| lokakuu 1971 | Prospero X-3 | 66 kg | 23 | |
| heinäkuu 1980 | Rohini | 35 kg | 31 | |
| syyskuu 1988 | Ofeq 1 | 156 kg | 6 |
[muokkaa] Tyypit
Suurin osa keinotekoisista satelliiteista on Maata kiertäviä tietoliikennesatelliitteja. Muun muassa NASA (National Aeronautics and Space Administration) ja ESA (Euroopan avaruusjärjestö) ovat laukaisseet Maata kiertävien satelliittien lisäksi satelliitteja muiden kuin oman planeettamme kiertoradalle. Tällaisia satelliitteja nimitetään usein avaruusluotaimiksi.
- Tappajasatelliitti on satelliitti, jolla pyritään tuhoamaan vihollisen satelliitti.
- Avaruustutkimusasema on satelliitti, jolla havaitaa kaukaisia planeettoja, tähtiä, galakseja ja muita avaruuden kohteita.
- Biosatelliitti on satelliitti, jolla kuljetetaan eläviä organismeja avaruudessa lähinnä tieteellisessä tarkoituksessa.
- Tietoliikennesatelliitti on satelliitti, joka on sijoitettu avaruuteen hoitamaan tietoliikennettä. Nykyiset tietoliikennesatelliitit ovat tavallisesti geosynkronisella kiertoradalla, Molniyan kiertoradalla tai matalalla Maan kiertoradalla.
- Miniatyyrisatelliitti on satelliitti, joka on tavallista satelliittia pienempi ja pienempi massainen. Ne voidaan luokitella seuraavasti: minisatelliitti (500–200 kg), mikrosatelliitti (200–10 kg) nanosatelliitti (alle 10 kg).
- Paikannussatelliitti on satelliitti, jonka lähettämää signaalia käytetään Maassa olevan vastaanottimen paikantamiseen reaaliaikaisesti.
- Tiedustelusatelliitti on sotilaalliseen toimintaan tarkoitettu satelliitti. Niiden täydestä tehosta ei ole tarkkaa tietoa sillä ne ovat yleensä salaisia.
- Kaukokartoitussatelliitti on satelliitti, jota käytetään ei-sotilaallisiin tarkoituksiin kuten luonnon seurantaan, kartantekoon, yms.
- Avaruusasema on satelliitti, joka on suunniteltu ihmisasuttavaksi. Se eroaa muista miehitetyistä avaruualuksista siinä, että sillä ei ole juurikaan omaa työntövoimaa tai laskeutumisvarustusta, joten muita aluksia käytetään kuljetuksiin asemalle ja asemalta.
- Liekasatelliitti on satelliitti, jossa toinen satelliitti on kytketty toiseen liealla.
- Sääsatelliitti on satelliitti, jota käytetään ensisijaisesti Maan sään ja ilmaston tarkkailuun.
[muokkaa] Satelliittien tekniikkaa
Satelliitti muodostuu satelliittirungosta (satellite bus) ja hyötykuormasta (payload).
[muokkaa] Satelliittirungon alijärjestelmät
- Runkorakenne on samanmallinen kuin lentokoneissa. Perusmateriaalina hiilikuitukompositti on korvannut alumiinin.
- Lämmönsäätöjärjestelmä pitää satelliitin lämpötilalle herkkien komponenttien lämpötilan sopivana. Lämpötilaa säädellään säteilylämmönsiirtoa käyttäen, koska muuta lämmönsiirtotapaa ei tyhjiössä ole. Satelliitin sisällä lämpö siirtyy myös johtumalla rakenteita pitkin kuumasta kylmään päin. Rakenteiden muodonmuutosten ehkäisemiseksi mm. tieteellisten laitteiden suuntauksen tarkkuuden vuoksi kylmiä pintoja voidaan joutua lämmittämään sähkövastuksilla. Satelliitin elektroniikkalaitteet, rakettimoottorit jne. tuottavat lämpötehoa. Tämän lisäksi Auringon lämpösäteily lämmittää satelliitin pintoja. Varjossa olevilla pinnoilla säteilytetään hukkalämpö avaruuteen. Myös maa heijastaa lämpösäteilyä. Satelliittien lämmönsäädön testaaminen tehdään maan päällä tyhjiökammiossa.
- Tehojärjestelmä (EPS, electrical power system) tuottaa sähköä joko pii- tai galliumarsenidi-aurinkokennojen avulla auringonvalosta tai lennoilla kauas Auringosta RTG-generaattoreilla, joissa käytetään ydinenergiaa. Satelliitin tulee yleensä toimia myös varjossa, joten sähköenergiaa varataan akkuihin. Välittömästi laukaisun jälkeen satelliitti toimii akkujen sähköenergian varassa kunnes aurinkopaneelit avataan.
- Radiojärjestelmä tai tietoliikennejärjestelmä pitää yhteyttä satelliitin maa-asemien kanssa. Satelliitti vastaanottaa komentoja (uplink) eri taajuudella kuin millä se lähettää tietoa maahan (downlink).
- Asennonsäätöjärjestelmä (AOCS, attitude and orbit control system) tarkkailee satelliitin asentoa ja suuntaa satelliitin. Asentoantureita ovat mm. aurinkosensorit, tähtisensori ja maapallon havaitsevat sensorit. Asennonsäätöön käytetään momenttipyöriä, magneettisia vääntimiä ja pieniä rakettimoottoreita. Asennonsäätö vaatii merkittävän määrän avaruusaluksen tietokoneen laskentakapasiteetista.
- Propulsiojärjestelmällä muokataan satelliitin kiertorataa. Yleensä satelliitin moottorina on kiinteää tai nestemäistä ajoainetta käyttävä rakettimoottori. Tällöin työntövoimaa tuotetaan vain jaksoittain, esim. 30 minuuttia pari kertaa lennon aikana. Jatkuva työntövoiman tuotto on mahdollista myös mahdollista. Esimerkiksi ESAn SMART-1 -kuuluotaimessa on ionimoottorin. NASA pohti 2000-luvun alussa ydinpropulsiojärjestelmää Prometheus-projektissa. Toinen tapa jatkuvan työntövoiman tuotantoon on aurinkopurje.
- Tietokone (DHU, data handling unit) on erityisesti tarkoitukseen suunniteltu tai olemassa olevien prosessoriarkkitehtuurien pohjalta muokattu säteilysuojattu satelliitin tiedonkäsittely yksikkö. Esimerkiksi NASA on käyttänyt PowerPC pohjaisia RAD6000 tietokoneita mm. Mars Odyssey avaruusluotaimessa.
[muokkaa] Satelliitin laukaisu ja kiertoradat
-
Katso myös: Luettelo kiertoradoista
Satelliitti saadaan Maata kiertävälle radalle laukaisemalla se maanpinnalta raketilla tai avaruussukkulalla.
Satelliiteilla on erilaisia kiertoratoja. Kiertorata valitaan käyttötarkoituksen mukaan. Joidenkin satelliittien on pysyttävä jatkuvasti Maasta katsottuna samalla paikalla. Tällöin satelliitin kiertonopeus on täsmälleen sama kuin Maan pyörähdysnopeus oman akselinsa ympäri. Tällaisia satelliitteja nimitetään geostationaarisiksi satelliiteiksi. Esimerkiksi televisio-ohjelmia koteihin välittävät satelliitit ovat geostationaarisia.
Satelliitin korkeus maanpinnasta saattaa olla hyvinkin suuri. Kun matalimmat radat ovat vain parin sadan kilometrin korkeudella, voivat etäämmällä kiertävät satelliitit olla jopa useiden tuhansien kilometrien etäisyydellä. Geostationaarisen satelliitin radan etäisyys Maasta on noin 35 800 km.
[muokkaa] Keskuskappale
- Aurinkokeskinen kiertorata: Aurinkoa kiertävä kiertorata. Aurinkokunnan kaikki planeetat, komeetat ja asteroidit sekä jotkut satelliitit ja avaruusromua on aurinkokeskisellä kiertoradalla.
- Maakeskinen kiertorata: Maata kiertävä kiertorata. Kuu ja lukuisat satelliitit ovat tällä radalla.
- Areokeskinen kiertorata: Marsia kiertävä kiertorata. Tällä kiertoradalla ovat kuut.
[muokkaa] Korkeus
- Matala Maan kiertorata (LEO): Maakeskinen kiertorata, jonka korkeus on väliltä 0–2 000 km
- Keskikorkea Maan kiertorata (MEO): Maakeskinen kiertorata, jonka korkeus on väliltä 2 000–35 786 km.
- Korkea Maan kiertorata (HEO): Maakeskinen kiertorata, jonka korkeus on yli 35 786 km.
[muokkaa] Inklinaatio
- Kalteva kiertorata: Kiertorata, jonka inklinaatio on referenssitasoon (tavallisesti ekvaattorin taso) nähden ei ole 0.
- Polaarinen kiertorata: Kiertorata, jonka inklinaatio on lähes 90 astetta eli satelliitti kiertää joka kierroksella likimain kummankin navan yli.
- Polaarinen aurinkokeskinen kiertorata: Kiertorata, joka on lähestulkoon polaarinen kiertorata. Kiertorata ylittää ekvaattorin aina samassa paikallisessa ajassa. Tämä on hyödyllinen kuvia ottaville satelliiteille sillä varjot ovat joka ylityksellä aina samat.
[muokkaa] Eksentrisyys
- Ympyräkiertorata: Kiertorata, jonka eksentrisyys on 0 ja joka on siten ympyrän muotoinen.
- Ellipsirata: Kiertorata, jonka eksentrisyys on väliltä 0–1 eli jonka muoto on ellipsi.
- Geosynkroninen siirtorata: Kiertorata, jonka perigeum on matalan Maan kiertoradan (LEO) korkeudella ja jonka apogeum on geosynkronisen kiertoradan korkeudella.
- Geostationaarinen siirtorata: Kiertorata, jonka perigeum on matalan Maan kiertoradan (LEO) korkeudella ja jonka apogeum on geostanionaarisen kiertoradan korkeudella.
- Molniyan kiertorata: Hyvin elliptinen kiertorata, jonka inklinaatio on 63.4° ja kiertoaika on puoli sideeristä päivää (noin 12 tuntia). Tällaisella radalla oleva satelliitti on suurimman osan ajasta tietyn alueen yllä.
- Tundrakiertorata: Hyvin elliptinen kiertorata, jonka inklinaatio on 63.4° ja kiertoaika on [[sideerinen päivä] (noin 24 tuntia). Tällaisella radalla oleva satelliitti on suurimman osan ajasta tietyn alueen yllä.
- Hyperbolinen kiertorata: Kiertorata, jonka eksentrisyys on enemmän kuin 1. Tällaisella radalla kappaleella on pakonopeutta suurempi ratanopeus, joten se pakenee keskuskappaleensa kiertoradalta.
- Parabolinen kiertorata: Kiertorata, jonka eksentrisyys on 1. Tällaisella radalla kappaleella on pakonopeutta vastaava ratanopeus, joten se pakenee keskuskappaleensa kiertoradalta.
- Pakorata (EO): Parabolinen kiertorata, jossa kappaleella on pakonopeus ja se liikkuu poispäin keskuskappaleelta.
- Kaappausrata: Parabolinen kiertorata, jossa kappaleella on pakonopeus ja se liikkuu kohti keskuskappalettaan.
[muokkaa] Synkronisuus
- Synkroninen kiertorata: Kiertorata, jossa satelliitin kiertoaika on sama kuin keskuskappaleen pyörähdysaika. Maalla se on 23 tuntia 56 minuuttia, 4,091 sekuntia. Lisäksi näiden kiertosuunta on sama. Keskuskappaleen havaitsijasta satelliitti tekisi taivaalla kahdeksikon muotoista analemma kuviota.
- Puolisynkroninen kiertorata (SSO): Kiertorata, jonka korkeus on noin 20 200 km ja jonka kiertoaika on noin 12 tuntia.
- Geosynkroninen kiertorata (GEO): Kiertorata, jonka korkeus on noin 35 786 km. Maassa oleva havaitsija näkee satelliitin tekevän taivaalla analemma kuviota.
- Geostationaarinen rata (GSO): Geosynkroninen kiertorata, jonka inklinaati on on 0. Maassa olevasta havaitsijasta kappale näyttää olevan taivaalla paikoillaan.
- Ylisynkroninen kiertorata: Kiertorata vähän yli geosynkronisen kiertoradan, jossa satelliitit ajautuvat Maasta katsoen länteen.
- Alisynkroninen kiertorata: Kiertorata vähän alle geosynkronisen kiertoradan, jossa satelliitit ajautuvat Maasta katsoen itään.
- Hautakiertorata: Kiertorata muutaman sata kilometriä yli geosynkronisen kiertoradan, jossa satelliitit ajautuvat Maasta katsoen länteen. Satelliitit siirretään sinne niiden toiminta-ajan lopuksi.
- Areosynkroninen kiertorata: Synkroninen kiertorata Marsin ympärillä, jonka kiertoaika on on Marsin sideerinen päivä eli 24,6229 tuntia.
- Areostatinaarinen kiertorata (ASO): Pyöreä Areosynkroninen kiertorata Marsin ekvaattorin tasossa ja noin 17 000 km:n korkeudella. Marsin pinnalla olevasta havaitsijasta satelliitti on taivaalla paikallaan.
- Heliosynkroninen kiertorata: Aurinkokeskinen kiertorata, missä satelliitin kiertoaika on sama kuin Aurinkon pyörähdysaika.
[muokkaa] Muita kiertoratoja
- Aurinkosynkrooninen rata: Kiertorata, jonka korkeus ja inklinaation ovat sellaiset että satelliitti ylittää planeetan pinnan aina samaan paikalliseen aurinkoaikaan. Tällaisella radalla oleva satelliitti jatkuvasti samassa auringonvalossa, mikä on hyödyllistä valokuvaamiselle ja sääsatelliiteille.
- Progradinen kiertorata: Kiertorata, jossa inklinaatio on vähemmän kuin 90° eli satelliitti kiertää samaan suuntaan kuin keskuskappale pyörii.
- Retrogradinen kiertorata: Kiertorata, jossa inklinaatio on enemmän kuin 90° eli satelliitti kiertää eri suuntaan kuin keskuskappale pyörii. Aurinkosynkroonisia ratoja lukuun ottamatta harvat satelliitit laukaistaan retrordadisille radoille, koska polttoainetta tarvitaan huomattavasti ennemmän kuin progranidelle kiertoradalle pääsyssä. Tämä johtuu siitä, satelliitilla on jo ennen laukaisua keskuskappaleen pyörimisestä johtuva progradinen nopeus.
- Lagrangen piste
[muokkaa] Lähteet
- ↑ The Brick Moon and Other Stories by Edward Everett Hale. Project Gutenberg.
- ↑ Contents - The Atlantic monthly. Volume 24, Issue 141. Cornell University Library.
- ↑ facsimile at http://www.lsi.usp.br/~rbianchi/clarke/ACC.ETRelaysFull.html
- ↑ Preliminary Design of an Experimental Worip. RAND.
- ↑ [1]
[muokkaa] Katso myös
|
Satelliittien tarjoamia palveluita |

