Satellit (Raumfahrt)

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NAVSTAR – GPS-Satellit der zweiten Generation

Ein (künstlicher) Satellit (lateinisch für Begleiter, Leibwächter) ist in der Raumfahrt ein künstlicher Raumflugkörper, der einen Himmelskörper – einen Planeten oder Mond – auf einer elliptischen oder kreisförmigen Umlaufbahn zur Erfüllung wissenschaftlicher, kommerzieller oder militärischer Zwecke umkreist.

Satelliten, welche die Erde umkreisen, werden Erdsatelliten genannt. Künstliche Satelliten, die einen anderen Körper als die Erde umlaufen und erforschen, werden hingegen als Orbiter bezeichnet. Dem gegenüber stehen die natürlichen Satelliten von Planeten, die auch als Monde oder Trabanten bezeichnet und – ebenso wie der Erdmond – gesondert behandelt werden. Künstliche Satelliten, die aus einer Parkbahn um Erde oder Mond in den interplanetaren Raum gelangen, können sinngemäß als „künstliche Planetoiden“ bezeichnet werden (→ Raumsonde). Ein die Sonne umkreisender Flugkörper wird bisweilen „Sonnensatellit“ genannt.

Geschichte[Bearbeiten]

Im Jahre 1955 gab US-Präsident Eisenhower die Entwicklung eines amerikanischen Erdsatelliten in Auftrag, worauf die Sowjetunion aus propagandistischen Gründen vier Tage später ein ähnliches Vorhaben ankündigte. Der erfolgreiche Start des sowjetischen Satelliten Sputnik 1 am 4. Oktober 1957 um 19:28:34 GMT (5. Oktober Ortszeit) überraschte die Weltöffentlichkeit und führte im Westen zum regelrechten Sputnikschock. Die Entwicklung von Satelliten stand seitdem lange Zeit unter dem Einfluss des Kalten Krieges. Ab 1958 wurde von den USA mit Transit das erste Satellitennavigationssystem der Welt entwickelt, das zunächst rein militärischen Zwecken diente. Das Nachfolgesystem GPS hat sich inzwischen auch im zivilen Bereich, etwa als Navigationshilfe durchgesetzt.

Im Bereich der internationalen Telekommunikation haben Nachrichtensatelliten ab den 1970er Jahren die Bedeutung anderer Verbindungen, wie etwas des Transatlantischen Telefonkabels, verdrängt.

Das Büro der Vereinten Nationen für Weltraumfragen verwaltet seit 1962 ein Verzeichnis (Index of Objects Launched into Outer Space) aller Satelliten, die in den Weltraum transportiert werden.[1]

Nach Angaben der US-amerikanischen NASA befanden sich am 31. Mai 1969 rund 1950 irdische Objekte im Weltraum, wovon 1889 die Erde umrundeten, 17 in einer Ellipse um die Erde flogen und 38 sich auf einer Bahn um die Sonne befanden. Insgesamt waren an dem Stichtag 394 Erdsatelliten und Raumsonden im Weltraum, darunter 289 der USA, 83 der Sowjetunion, 5 französische, 3 kanadische, 2 britische und 3 von der European Space Research Organisation.

Im Jahr 2006 betrug die Anzahl der bekannten aktiven Satelliten über 800.[2] Darüber hinaus befinden sich mehrere tausende weitere künstliche Objekte (ausgediente Satelliten, Teile von Raketen und anderer Weltraummüll) im Erdorbit: 1996 sollen es nach ESA-Daten rund 8500 Stück „Weltraummüll“ gewesen sein.[3] Das Joint Space Operations Center des United States Strategic Command weiß 2009 von über 18.500 vom Menschen hergestellten Himmelskörpern.[3] Trotz der großen Anzahl sind Zusammenstöße äußerst selten. Der erste bekannte Zusammenstoß eines aktiven Satelliten mit einem ausgedienten Objekt fand am 10. Februar 2009 statt: Der russische Satellit Kosmos 2251, der seit 1993 im All und wohl etwa seit 1999 außer Betrieb war, kollidierte mit dem Kommunikationssatelliten Iridium 33 der US-Firma Iridium Satellite. Beide Satelliten wurden vollständig zerstört.[3]. Am 22. Januar 2013 wurde der russische Kleinsatellit BLITS (NORAD 35871) durch Kollision mit Bruchstücken des 2007 durch eine chinesische Antisatellitenrakete zerstörten Satelliten Fengyun-1C unbrauchbar und wurde aus seiner Bahn geworfen [4]. Am 23. Mai 2013 versetzten Trümmerteile einer russischen Rakete den Satelliten NEE-01 Pegaso in eine unkontrollierte Taumelbewegung, so dass er außer Kontrolle geriet.

Die ersten Satelliten nach Staat[Bearbeiten]

Sputnik 1

Die folgende Tabelle gibt die ersten erfolgreich betriebenen Satelliten verschiedener Staaten und der ESRO an. Teilweise wurden die Satelliten in Zusammenarbeit mit anderen Staaten gebaut oder gestartet.

Start-Datum Nation Name Startplatz
04. Okt. 1957 Sowjetunion Sputnik 1 Baikonur
01. Feb. 1958 USA Explorer 1 Cape Canaveral
26. Apr. 1962 Großbritannien Ariel 1 Vandenberg (USA)
29. Sep. 1962 Kanada Alouette 1 Vandenberg (USA)
15. Dez. 1964 Italien San Marco 1 Wallops Flight Facility (USA)
26. Nov. 1965 Frankreich Astérix Hammaguir (Algerien)
29. Nov. 1967 Australien Wresat 1 Woomera
17. Mai  1968 ESRO Iris 2 Vandenberg (USA)
08. Nov. 1969 Deutschland AZUR Vandenberg (USA)
11. Feb. 1970 Japan Ōsumi Kagoshima
24. Apr. 1970 China Dong Fang Hong I Jiuquan
15. Nov. 1974 Spanien Intasat Vandenberg (USA)
19. Apr. 1975 Indien Aryabhata Kapustin Jar (Sowjetunion)
08. Juli 1976 Indonesien Palapa A1 Cape Canaveral (USA)
24. Okt. 1978 Tschechoslowakei Magion 1 Plessezk (Russland)
07. Aug. 1981 Bulgarien Bulgarien-1300 Plessezk (Russland)
17. Juni 1985 Mexiko Morelos 1 Kennedy Space Center (USA)
19. Sep. 1988 Israel Ofeq 1 Palmachim
16. Juli 1990 Pakistan Badr-A Xichang (VR China)
18. Aug. 1990 Norwegen Thor 1 Cape Canaveral (USA)
09. Feb. 1993 Brasilien SCD-1 Cape Canaveral (USA)
26. Sep. 1993 Portugal PoSAT-1 Centre Spatial Guyanais (Französisch-Guyana)
31. Aug. 1995 Ukraine Sich-1 Plessezk (Russland)
01. Feb. 1976 Pakistan Paksat 1 Cape Canaveral (USA)
04. Nov. 1996 Argentinien SAC-B Wallops (USA)
28. Apr. 1998 Ägypten Nilesat 101 Centre Spatial Guyanais (Französisch-Guyana)
23. Feb. 1999 Dänemark Ørsted Vandenberg (USA)
10. Dez. 2001 Marokko MAROC-TUBSAT Baikonur (Russland/Kasachstan)
28. Nov. 2002 Algerien AlSat-1 Plessezk (Russland)
28. Okt. 2005 Iran Sinah-1 Plessezk (Russland)
17. Juni 2006 Kasachstan KazSat Baikonur (Russland/Kasachstan)
23. Sep. 2009 Schweiz SwissCube Sriharikota (Indien)
17. Aug. 2011 Türkei RASAT Kosmodrom Jasny (Russland)
17. Dez. 2011 Chile SSOT Centre Spatial Guyanais (Französisch-Guyana)
22. Juli 2012 Weißrussland Belka 2 Baikonur (Russland/Kasachstan)
25. Feb. 2013 Österreich TUGSAT-1 Sriharikota (Indien)
26. Apr. 2013 Ecuador NEE-01 Pegaso Jiuquan (China)
07. Feb. 2013 Aserbaidschan Azerspace Centre Spatial Guyanais (Französisch-Guyana)
07. Mai  2013 Estland ESTCube-1 Centre Spatial Guyanais (Französisch-Guyana)
20. Dez. 2013 Bolivien Tupac Katari Xichang (VR China)

Aufgaben[Bearbeiten]

Satelliten bezeichnet man nach den Aufgaben, die sie übernehmen:

Der Orbit von Erdsatelliten richtet sich nach ihren Aufgaben. Beobachtungssatelliten sollen möglichst tief fliegen. Spionagesatelliten fliegen manchmal so tief, dass die Reibung mit der Atmosphäre ihre Lebensdauer auf wenige Monate beschränkt. Damit Kommunikationssatelliten ortsfest über einer Stelle des Erdäquators stehen, müssen sie die Erde in einer geosynchronen Umlaufbahn in einem bestimmten großen Abstand in Richtung der Erddrehung umkreisen (Sonderfall: „geostationär“).

Aufbau[Bearbeiten]

Ein Satellit besteht im Wesentlichen aus der wissenschaftlichen, kommerziellen oder militärischen Nutzlast sowie dem Satellitenbus der die zu deren Betrieb notwendigen Strukturen und Subsysteme enthält. Dieser besteht aus der Primärstruktur, in die die weiteren Subsysteme integriert werden. Dazu gehören die Energieversorgung (Solarzellen, Akkumulatoren), das Temperaturkontrollsystem, das Antriebssystem für die Lage- und Positionsregelung (Bahnregelung) und das Bordrechensystem für Steuerung und Datenmanagement.

Energieversorgungssystem[Bearbeiten]

Die Versorgung des Satelliten mit elektrischem Strom (Energie) erfolgt meist durch Solarzellen mit Unterstützung durch Akkumulatoren, wenn im erdnahen Raum ausreichende Helligkeit der Sonne vorhanden ist, oder durch Batterien wenn nur kurze Einsatzzeiten geplant sind. Bei Satelliten, die sich von der Sonne weiter entfernen und so das Angebot an Strahlungsenergie zu gering ist, verwendet man die erheblich kleineren Radioisotopengeneratoren.

Betrieb[Bearbeiten]

Nach dem Start des Satelliten muss dessen weiterer Betrieb gewährleistet werden. Dazu gehören nicht nur bordeigene Steuerungs- und Kontrollsysteme, sondern auch entsprechende Bodenstationen (z. B. Mission Control Center) die Bodenkontrolle, Fernsteuerung und Auswertung bzw. Bereitstellung von Daten der Satelliten bzw. deren Nutzlast übernehmen.

Zu diesen Aufgaben gehören:

Geschwindigkeiten[Bearbeiten]

Für eine erdnahe, kreisförmige Umlaufbahn gilt die Erste kosmische Geschwindigkeit von v1 = 7,9 km/s.

Bei einem Start in Ostrichtung trägt die Erddrehung mit einem Anteil von maximal 0,46 km/s zur Bahngeschwindigkeit bei. Jedoch kommt es nicht zu einem vollständigen Ausnutzen der Erdrotation, da der Flugkörper aufgrund von sich in andere Richtungen bewegenden Luftteilchen (Winde) abgebremst wird. Für eine Rakete kann somit ein v1 von 7,44 km/s genügen. In Westrichtung wäre der Anteil zusätzlich aufzubringen, deshalb werden fast alle Satelliten in Ostrichtung gestartet. Die Kreisbahngeschwindigkeit polarer Bahnen bleibt von der Erdrotation unbeeinflusst.

Will man das Gravitationsfeld der Erde verlassen, muss der Satellit auf die zweite kosmische Geschwindigkeit von etwa 11,2 km/s beschleunigt werden. Sie entspricht dem \sqrt{2} fachen der Ersten kosmischen Geschwindigkeit.

Abgrenzung[Bearbeiten]

Man bezeichnet Flugkörper nur dann als Satelliten, wenn sie die Erde im Weltraum umkreisen. Alle Flugkörper, die den Erdorbit mit Fluchtgeschwindigkeit verlassen oder in eine Umlaufbahn um den Mond einschwenken, werden Raumsonden genannt, unabhängig davon, ob sie als Orbiter in den Orbit eines anderen Planeten eintreten oder nicht.

Einem Satelliten fehlt auch nach Erreichen seiner Laufbahn ein Eigenantrieb, was ihn vom Raumschiff unterscheidet. Einfache Bremsraketen, die zu einem unkontrollierten Absturz führen, reichen nicht aus, einen Satelliten zum Raumschiff zu machen.

Beobachtung von der Erde aus[Bearbeiten]

Zahlreiche größere Erdsatelliten können mit bloßem Auge als über das nächtliche Himmelsgewölbe ziehende Lichtpunkte beobachtet werden. Mit speziell für die Sonnenbeobachtung ausgerüsteten Teleskopen ist es auch möglich, die Passage von Satelliten vor der Sonne zu beobachten. Die ISS, als größtes künstliches Objekt im Erdorbit, kann eine scheinbare Helligkeit von bis zu −5 mag[5] erreichen. Die Satelliten des Iridium-Systems können mit ihren Antennenflächen das Sonnenlicht gerichtet als Iridium-Flare reflektieren und erreichen dann kurzzeitig eine scheinbare Helligkeit von bis zu −8 mag. Im Unterschied zu einem Flugzeug hat ein Satellit keine blinkenden, farbigen Lichter. Jedoch ändern sich bei einem Teil der Objekte die Helligkeiten durch Rotation oder eine Taumelbewegung. Teilweise werden Satellitenlichtreflexionen irrtümlich mit Sternen verwechselt.

Wenn es um die Beobachtung mit bloßem Auge geht, ist diese in der Regel nur kurz nach Sonnenuntergang oder kurz vor Sonnenaufgang möglich. Das kommt daher, dass der Satellit in seiner (nicht zu) hohen Umlaufbahn noch von der Sonne beschienen sein muss, damit man ihn am Boden (wo es schon/noch dunkel ist) vor dem dunklen Himmel überhaupt erkennen kann; mitten in der Nacht fliegt er auch im Schatten und bleibt unsichtbar. Zu hoch darf die Umlaufbahn auch nicht sein, da der Satellit dann wegen der Entfernung zu klein wird, um auch bei Bestrahlung noch sichtbar zu werden.

Erkennbar ist ein Satellit an der hohen Geschwindigkeit, mit der er über den Himmel zieht, er braucht typischerweise nur wenige Minuten für den kompletten Überflug des sichtbaren Himmelsteils.

Ein großes Objekt wie die ISS ist natürlich besonders gut zu sehen, siehe oben. Aber auch sie ist in unseren Breiten nur selten zu sehen. Das liegt an mehreren Punkten, die auch für andere Satelliten gelten:

  • Das Objekt muss eine zur Äquatorebene genügend schräggestellte Bahn aufweisen, damit es überhaupt auch einmal in unsere Breiten vorstößt; wenn das Objekt immer nur genau über dem Äquator kreist, ist es auch nur dort zu sehen. Die ISS im Speziellen erreicht unsere Breiten nur knapp und damit selten.
  • Wie oben ausgeführt, muss die Umlaufbahn das Objekt gerade zu einer passenden Uhrzeit um den Sonnenuntergang bzw. -aufgang herum in unsere Breiten führen. Entsprechend gibt es Webseiten mit Terminvorschauen, wann für welches Objekt die nächsten Sichtungen möglich sein werden.
  • Je niedriger die Umlaufbahn des Objekts ist, desto größer erscheint es und desto heller ist es sichtbar, aber es ist auch desto kürzer im sichtbaren Blickfeld und muss die eigene Örtlichkeit präziser treffen.
  • Je höher die Umlaufbahn des Objekts ist, desto kleiner und weniger hell erscheint es, dafür ist es aber länger und von einem größeren Gebiet aus sichtbar.

Strichspuraufnahmen von Satelliten bzw. Raketenoberstufen[Bearbeiten]

Transport und Bahnverlauf[Bearbeiten]

Einem Erdsatelliten muss beim Start eine so hohe Bahngeschwindigkeit mitgegeben werden, dass seine Zentrifugalkraft (oder auch Radialkraft) mindestens gleich der Gewichtskraft ist.

Für die Zentrifugalkraft gilt:

 F_r =  \frac{m_1 \cdot v^2}{r}

m1: Masse des Körpers auf der Umlaufbahn

v: Geschwindigkeit

r: Bahnradius

Die Erdanziehungskraft ist

 F_G = \gamma \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{r^2}

 \gamma : Gravitationskonstante =  6{,}673 \cdot 10^{-11}\,\mathrm{\frac{m^3}{kg \cdot s^2}}

m1, m2: Massen der Körper

r: Abstand der beiden Massenmittelpunkte

 F_r = F_G
 \frac{m_1 \cdot v^2}{r} = \gamma \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{r^2}

m1: Masse des Körpers auf der Kreisbahn

m2: Masse der Erde

Nun erkennt man, dass die Masse des Körpers auf der Kreisbahn keine Relevanz hat, da diese in der Gleichung entfällt. Die für eine bestimmte Umlaufbahn nötige Bahngeschwindigkeit hängt also nur von der Bahnhöhe ab.

 v^2 = \frac{\gamma \cdot m_2}{r}
 v = \sqrt[2]{\frac{\gamma \cdot m_2}{r}}

1. kosmische Geschwindigkeit

Mit dieser Geschwindigkeit ist es einem Körper auf einer Kreisbahn um die Erde möglich, diese Bahn zu halten.

 v_1 = \sqrt[2]{ \frac{\gamma \cdot m_2}{r} }
 v_1 = \sqrt[2]{\frac{ 6{,}673 \cdot 10^{-11}\,\mathrm{\frac{m^3}{kg\,s^2}} \cdot 5{,}976 \cdot 10^{24}\,\mathrm{kg}}{6{,}378 \cdot 10^6\,\mathrm{m}}}
 v_1 = 7907\,\mathrm{\frac{m}{s}} = 28465,2\,\mathrm{\frac{km}{h}} = 7{,}9\,\mathrm{\frac{km}{s}}

Mit der 2. kosmischen Geschwindigkeit oder Fluchtgeschwindigkeit kann er das Schwerefeld der Erde verlassen. Sie liegt bei:

 v_2 = 11{,}2\,\mathrm{\frac{km}{s}}

Der Transport in die Umlaufbahn erfolgt mit Hilfe von Raketen, die aus technisch-energetischen Gründen als Stufenraketen ausgeführt sind. Der Satellit ist auf die oberste (meist dritte) Raketenstufe aufgesetzt und aerodynamisch günstig verkleidet. Er wird entweder direkt in die Bahn geschossen oder durch ein anderes Raumfahrzeug ausgesetzt. Solange die Rakete arbeitet, läuft er auf der so genannten „aktiven Bahn“. Nach Brennschluss der Raketenmotoren folgt die „Freiflugbahn“ (oder passive Bahn).

Satellitenbahnen[Bearbeiten]

Siehe auch: Satellitenorbit

Die antriebslose Bewegung eines Satelliten gehorcht genähert den Gesetzen des Zweikörperproblems der Himmelsmechanik – weitere Kräfte bewirken jedoch Bahnstörungen. Wäre die Erde eine exakte Kugel ohne Erdatmosphäre und gäbe es keine anderen Himmelskörper, folgte die Satellitenbahn einer mehr oder weniger exzentrischen Ellipse um die Erde gemäß den Keplerschen Gesetzen. Die Bahnebenen der Erdsatelliten gehen durch den Erdmittelpunkt und sind näherungsweise raumfest, also gegenüber den Fixsternen unverändert, während die Erde darunter rotiert.

Abhängig von ihrer Flughöhe werden Satelliten in verschiedene Typen aufgeteilt:

  • GEO (Geostationary Orbit): geostationäre Satelliten mit einer Flughöhe von etwa 35 790 km. Hier beträgt die Umlaufzeit genau einen Tag. In Bezug auf die Erdoberfläche sind diese Satelliten ortsfest. Beispiele: Astra, Eutelsat, Inmarsat, Meteosat etc.
  • MEO (Medium Earth Orbit): Satelliten mit einer Flughöhe von 6.000–36.000 km und einer Umlaufdauer von 4–24 Stunden. Beispiele: GPS, GLONASS, Galileo etc.
  • LEO (Low Earth Orbit): Satelliten mit einer Flughöhe von 200–1 500 km und einer Umlaufdauer von 1,5–2 Stunden. Beispiele: Iridium, Globalstar, GLAST etc.
  • SSO (Sun Synchronous Orbit): ERS, Landsat, Envisat

Durch die Abplattung der Erde sowie die Inhomogenität der Erdoberfläche und des Erdschwerefeldes weichen die Satellitenbahnen von der idealen Ellipsenform um einige Kilometer ab. Aus der Beobachtung dieser Abweichungen kann die Satellitengeodäsie die genaue Erdform bestimmen – das Geoid weicht vom fiktiven Erdellipsoid um bis zu 100 m ab. Für diese Abweichungen (auf 6 357–6 378 km Erdradius nur 0,001 %) wurden die etwas unglücklichen Begriffe Kartoffel- bzw. Birnenform geprägt.

Zusätzlich bewirkt die Erdatmosphäre eine ständige leichte Bremsung der Satelliten, sodass sich Bahnen unter einer Höhe von etwa 1 000 km spiralförmig der Erde nähern. Die Lebensdauer hängt auch vom Verhältnis Oberfläche/Masse ab und reicht von einigen Wochen oder Jahren (LEOs) bis zu Jahrtausenden (MEOs). Weitere Bahnstörungen werden von der Gravitation des Mondes verursacht, vom Strahlungsdruck der Sonne und von Effekten in der Ionosphäre. Die Satellitenbahn muss deshalb ständig kontrolliert und gegebenenfalls nachgeregelt werden (Attitude Determination and Control System). Wenn der Gasvorrat für die Korrekturdüsen aufgebraucht ist, verlässt der Satellit seine Umlaufbahn und wird dadurch meist wertlos.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Michel Capderou: Satellites - orbits and missions. Springer, Paris 2005, ISBN 2-287-21317-1
  • Louis J. Ippolito: Satellite communications systems engineering - atmospheric effects, satellite link design and system performance. Wiley & Sons, Chichester 2008, ISBN 978-0-470-72527-6
  • R. Bender: Launching and operating satellites - legal issues. Nijhoff, Dordrecht 1998, ISBN 90-411-0507-7
  • Bruno Pattan: Satellite systems - principles and technologies. Van Nostrand Reinhold, New York 1993, ISBN 0-442-01357-4
  • C. B. Pease: Satellite imaging instruments - principles, technologies and operational systems. Ellis Horwood, New York 1991, ISBN 0-13-638487-0

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Convention on Registration of Objects Launched into Outer Space United Nations Office for Outer Space Affairs (abgerufen 26. Dezember 2009)
  2. What’s in Space? Satellites: Types, orbits, countries, and debris. Auf: Union of Concerned Scientists, 17. Mai 2006.
  3. a b c Russischer und US-Satellit kollidieren. Erster Satellitencrash im All? (Die ursprüngliche Seite ist nicht mehr abrufbar.)[1] [2] Vorlage:Toter Link/www.tagesschau.de → Erläuterung Auf: tagesschau.de, 12. Februar 2009.
  4. [3]
  5. Calsky Satellitenbeobachtung von der Erde aus