Satellit (Raumfahrt)

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

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.^[1] 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.^[2] Das Joint Space Operations Center des United States Strategic Command weiß 2009 von über 18.500 vom Menschen hergestellten Himmelskörpern.^[2] 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.^[2]

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.^[3]

Die ersten Satelliten

Sputnik 1

Im folgenden sind die jeweils ersten Satelliten aufgelistet, welche bisher von den bekannten Raumfahrt-Nationen und der ESRO gestartet wurden.

Start-Datum	Nation	Name
1957-10-04	Sowjetunion	Sputnik 1
1958-02-01	USA	Explorer 1
1962-04-26	Großbritannien	Ariel 1
1962-09-29	Kanada	Alouette 1
1964-12-15	Italien	San Marco 1
1965-11-26	Frankreich	Astérix
1967-05-29	ESRO	Iris 1
1967-11-29	Australien	Wresat 1
1969-11-08	Deutschland	AZUR
1970-02-11	Japan	Ōsumi
1970-04-24	China	Dong Fang Hong I
1975-04-19	Indien	Aryabhata
1988-09-19	Israel	Ofeq 1
2005-10-28	Iran	Sinah-1
2008-10-29	Venezuela	Venesat-1

Aufgaben

Satelliten bezeichnet man nach den Aufgaben, die sie übernehmen:

• Erdbeobachtungssatelliten können Bilder für unterschiedliche Zwecke liefern, so die Wetter- und Spionagesatelliten. Diese Bilder können mit verschiedenen Techniken erstellt werden, zum Beispiel mittels Radar (Radarsatelliten) oder Fotografie. Dabei werden verschiedenste Wellenlängen aufgezeichnet.
• Nachrichtensatelliten erfüllen kommerzielle Aufgaben, Amateurfunksatelliten dienen dagegen privaten Zwecken, siehe auch Satellitenkommunikation.
• Fernsehsatelliten übertragen Fernsehprogramme direkt an die Zuschauer, sodass erdgebundene Sende- und Kabelnetze entfallen können.
• Astrometriesatelliten beobachten das Weltall, hauptsächlich für wissenschaftliche Zwecke.
• Killersatelliten sind Satelliten, die dazu dienen, andere feindliche Satelliten zu zerstören.
• Forschungssatelliten dienen rein wissenschaftlichen Zwecken, z. B. Mikrogravitations-Experimenten.
• Spionagesatelliten dienen zum Ausspionieren von Staaten, Schiffsbewegungen und zur Überwachung von Rüstungsbegrenzungsabkommen. Sie werden von militärischen Behörden und Geheimdiensten betrieben. Die Projekte bzw. die ermittelten Daten sind oft streng geheim.
• Navigationssatelliten ermöglichen weltweite Positions- und Zeitbestimmung
• Raumstationen sind ebenfalls Erdsatelliten, die primär wissenschaftlichen Zwecken dienen.

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

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

→ Hauptartikel: Energieversorgungssystem (Satellit)

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

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:

• Transfer auf geostationäre Bahn
• Bahnbeschreibung
• Bahnänderungsmanöver
• Ausgleich von Bahnstörungen
• Bahn- bzw. Positionsregelung
• Stabilisation
• Thermalkontrolle

Geschwindigkeiten

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 etwa 0,46 km/s zur Bahngeschwindigkeit bei. Für eine Rakete genügt ein v₁ von 7,44 km/s. In Westrichtung wäre der Anteil zusätzlich aufzubringen, deshalb werden alle Satelliten in Ostrichtung gestartet. Die Kreisbahngeschwindigkeit polarer Bahnen bleibt von der Erdrotation unbeeinflusst.

Will man das Gravitationsfeld der Erde verlassen und beispielsweise den Mond erreichen, 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

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.

Beobachtung von der Erde aus

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^[4] 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

• 

  Mir (16609 = 1986-017A)

• 

  Iridium 58 (25274 = 1998-019C)

• 

  Resurs 1-3 r (23343 = 1994-074B)

• 

  Lacrosse 1 (19671 = 1988-106B) + Cosmos 2263r (22803 = 1993-059B)

Transport und Bahnverlauf

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

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

γ: 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

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.

Beispiele

Einige künstliche Satelliten:

Sputnik – Telstar – Azur – Dial – Aeros – Hubble-Weltraumteleskop – Landsat – Astra – Eutelsat – Intelsat (Early Bird) – Envisat – Astérix – TUBSAT – BIRD – OSCAR

Siehe auch

• Raumfahrt
• Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen
• Global Positioning System
• Satellitennavigation
• Weltraumhaftung
• Lovesche Zahlen

Literatur

• 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

• Heavens Above – Berechnung der Sichtbarkeit von Satelliten (englisch)
• J-Track 3D – Echtzeitdarstellung von Satellitenpositionen, Java ist erforderlich (englisch)
• Satelliten Bodenpfad – Echtzeitdarstellung des Bodenpfads einiger Satelliten, erfordert Java
• Real Time Satellite Tracking – Echtzeitverfolgung für etwa 17000 Satelliten, sowie 5-Tages-Vorhersagen ihrer Sichtbarkeit (englisch)
• Satellitenbilder der Erde – Flash ist erforderlich (englisch)
• Satellitenbilder – Kultur- und Naturlandschaften
• Thematische Sammlung von Satellitenbildern weltweit
• Satelliten an der Leine – Beitrag bei wissenschaft.de über die Idee, Satelliten mithilfe eines Seils in den Erdorbit zu bringen
• Orbitron – Satellite Tracking System – Windows-Software zur Berechnung der Sichtbarkeit von Satelliten
• UCS Satellite Database – Zusammenstellung aktiver Satelliten im Erdorbit inklusive kurzer Beschreibung (englisch)
• BEOSAT – Kleinsatellit einer Studentengruppe

Einzelnachweise

1. ↑ What’s in Space? Satellites: Types, orbits, countries, and debris. Auf: Union of Concerned Scientists, 17. Mai 2006.
2. ↑ ^{a b c} Russischer und US-Satellit kollidieren. Erster Satellitencrash im All? (nicht mehr online verfügbar) Auf: tagesschau.de, 12. Februar 2009.
3. ↑ Convention on Registration of Objects Launched into Outer Space United Nations Office for Outer Space Affairs (abgerufen 26. Dezember 2009)
4. ↑ Calsky Satellitenbeobachtung von der Erde aus