Herzlichen Glückwunsch: Vielleicht sind Sie eine neue Raumfahrtnation, die eine glänzende neue Nutzlast um den Planeten Erde bringen möchte. Sie haben das technische Know-how gesammelt und möchten die mürrischen Bindungen lösen und einem exklusiven Club beitreten, der bisher nur 14 Nationen in der Lage, indigene Raumfahrt zu betreiben. Nun zur großen Frage: Welche Umlaufbahn soll man wählen?
Willkommen in der wunderbaren Welt von Orbitalmechanik . Natürlich müssen Satelliten im Orbit den Newtonschen Bewegungsgesetzen folgen, da sie ständig um die Erde „fallen“, ohne sie zu treffen. Aber es kostet Sie Treibstoff und technische Komplexität, um verschiedene Arten von Umlaufbahnen zu erreichen. Unterschiedliche Arten von Umlaufbahnen können jedoch verwendet werden, um unterschiedliche Ziele zu erreichen.
Der erste künstliche Mond, der in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht wurde, war Sputnik 1, der am 4. Oktober gestartet wurdeNS, 1957. Aber schon vor dem Anbruch des Weltraumzeitalters erkannten Visionäre wie der Futurist und Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke den Wert, einen Satelliten in einer geosynchronen Umlaufbahn etwa 35.786 Kilometer über der Erdoberfläche zu platzieren. Wenn man einen Satelliten in eine solche Umlaufbahn bringt, bleibt er im Gleichschritt mit der Erde, die sich alle vierundzwanzig Stunden darunter dreht.
Hier sind einige der häufigere Umlaufbahnen Ziel moderner Satelliten und deren Verwendung:
Unterschiedliche Bahnen im Vergleich zur Höhe. Bildnachweis: Wikimedia Commons/ Cmglee, Geo Swan
Low-Earth Orbit (LEO): Wird ein Satellit 700 km über der Erdoberfläche mit einer Bewegung von 27.500 km pro Stunde platziert, umkreist er die Erde einmal alle 90 Minuten. Die Internationale Raumstation ISS befindet sich in einer solchen Umlaufbahn. Satelliten in LEO unterliegen auch dem atmosphärischen Widerstand und müssen regelmäßig verstärkt werden. Wenn Sie vom Äquator der Erde aus starten, erhalten Sie einen anfänglichen kostenlosen Schub von maximal 1.670 km/h in die Umlaufbahn nach Osten. Übrigens ist die hohe 52-Grad-Neigungsbahn der ISS ein Kompromiss, der sicherstellt, dass sie von verschiedenen Startplätzen weltweit aus erreichbar ist.
Satellitenkonstellationen, einschließlich des 'A-Trains' der NASA mit sonnensynchronen Erdbeobachtungssatelliten. Bildnachweis: NASA
Die niedrige Erdumlaufbahn wird auch mit Weltraumschrott überfüllt, und Vorfälle wie der erfolgreiche Anti-Satelliten-Raketentest von China im Jahr 2007 und die Kollision von Iridium 33 und dem verstorbenen Kosmos-2251-Satelliten im Jahr 2009 überschütteten die niedrige Erdumlaufbahn mit Tausenden zusätzlicher Teile von Trümmern und half der Situation nicht viel. Es gab Forderungen, die Wiedereintrittstechnologie auf zukünftigen Satelliten zum Standard zu machen, und dies wird mit dem Aufkommen von Nano- und CubeSat-Schwärmen in LEO von größter Bedeutung sein.
Immer noch da oben: Die Orbitalspur von Chinas Raumstation Tiangong-1: Bildnachweis: Orbitron
Sonnensynchrone Umlaufbahn: Dies ist eine stark geneigte retrograde Umlaufbahn, die sicherstellt, dass der Beleuchtungswinkel der Erde darunter bei mehreren Durchgängen konsistent ist. Obwohl es ziemlich viel Energie braucht, um eine sonnensynchrone Umlaufbahn zu erreichen – plus ein komplexes Einsatzmanöver, das als „Hundebein“ bekannt ist – ist diese Art von Umlaufbahn für Erdbeobachtungsmissionen wünschenswert. Es ist auch ein Favorit für Spionagesatelliten, und Sie werden feststellen, dass viele Nationen, die ihre ersten Satelliten aufstellen möchten, das erklärte Ziel der 'Erdbeobachtung' nutzen, um eigene Spionagesatelliten zu platzieren.
Molyina-Umlaufbahn: Eine von den Russen entworfene stark geneigte elliptische Umlaufbahn. Eine Molyina-Umlaufbahn dauert 12 Stunden, wobei der Satellit für 2/3 seiner Umlaufbahn über einer Hemisphäre platziert und alle 24 Stunden über denselben geografischen Punkt zurückgebracht wird.
Eine halbsynchrone Umlaufbahn: Eine elliptische Umlaufbahn von 12 Stunden, ähnlich einer Molyina-Umlaufbahn, eine halbsynchrone Umlaufbahn wird von Global Positioning Satellites bevorzugt.
Der Start der Nachschubmission CRS2 von SpaceX führte zur ISS. Bildnachweis: David Dickinson
Geosynchrone Umlaufbahn: Der oben genannte Punkt 35.786 km über der Erdoberfläche, an dem ein Satellit über einen bestimmten Längengrad fixiert bleibt.
Geostationäre Umlaufbahn: Platzieren Sie a GEO-Satellit in einer Umlaufbahn mit einer Umlaufbahn von null Grad und wird als geostationär betrachtet. Dieser Ort, der manchmal auch als Clarke-Umlaufbahn bezeichnet wird, ist äußerst stabil, und dort platzierte Satelliten können Millionen von Jahren in der Umlaufbahn bleiben.
Im Jahr 2012 wurde die Satellit EchoStar XVI wurde mit der Zeitkapsel-Disk auf dem Weg zu GEO gestartetDie letzten Bildergerade deshalb. Es ist durchaus möglich, dass GEO-Sats in Millionen von Jahren die wichtigsten Überbleibsel der Zivilisation des frühen 20./21. Jahrhunderts sind.
Lagrange-Punktorbits: Der Mathematiker Joseph-Louis Lagrange aus dem 18. Jahrhundert machte die Beobachtung, dass in jedem Drei-Körper-System mehrere stabile Punkte existieren. Diese Orte, die als Lagrange-Punkte bezeichnet werden, dienen als großartige stabile Positionen, um Observatorien zu platzieren. Das Solar Heliosphere Observatory (SOHO) befindet sich am L1-Punkt, um ihm einen kontinuierlichen Blick auf die Sonne zu ermöglichen; Das James-Webb-Weltraumteleskop ist 2018 für den L2-Punkt jenseits des Mondes unterwegs. Um in der Nähe eines LaGrange-Punkts auf einer Station zu bleiben, muss ein Satellit eine Lissajous- oder Halo-Umlaufbahn um den imaginären Lagrange-Punkt im Weltraum betreten.
Der L2 Lagrange-Punkt. Bildnachweis: DIES
Alle diese Umlaufbahnen haben Vor- und Nachteile. Zum Beispiel ist der atmosphärische Widerstand in einer geosynchronen Umlaufbahn kein Problem, obwohl es mehrere Boosts und Transfer-Orbit-Manöver braucht, um sie zu erreichen. Und wie bei jedem Plan erhöht die Komplexität auch die Wahrscheinlichkeit, dass Dinge fehlschlagen und einen Satelliten in der falschen Umlaufbahn stranden. Russlands Phobos-Grunt Ein solches Schicksal erlitt die Mission nach dem Start im Jahr 2011, als ihre Fregat-Oberstufe nicht richtig funktionierte und die interplanetare Raumsonde in der Erdumlaufbahn strandete. Phobos-Grunt stürzte am 15. Januar über dem Südpazifik zur Erde zurückNS, 2012.
Die Raumfahrt ist ein hartes Geschäft, und es ist unerlässlich, die Dinge in die richtige Umlaufbahn zu bringen!
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