Künstlicher Satellit

NAVSTAR – GPS-Satellit der zweiten Generation

Ein (künstlicher) Satellit (lat. Leibwächter) ist in der Raumfahrt ein künstlicher Raumflugkörper, der einen Himmelskörper – wie einen Planeten oder einen Mond – auf einer elliptischen oder kreisförmigen Umlaufbahn zur Erfüllung wissenschaftlicher, kommerzieller oder militärischer Zwecke umrundet. Künstliche Satelliten, die auf einer eigenen Umlaufbahn einen anderen Körper als die Erde zu seiner Erforschung umlaufen, werden Orbiter genannt.

Dem gegenüber stehen die natürlichen Satelliten, welche auch als Monde oder Trabanten bezeichnet und gesondert behandelt werden.

Geschichte

Nach Angaben der US-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration befanden sich am 31. Mai 1969 rund 1.950 irdische Objekte im Weltraum, wovon 1.889 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 8.500 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 russischer Satellit Cosmos 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]

Die ersten Satelliten

Im folgenden sind die 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

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 von Radarsatelliten.
• Nachrichtensatelliten erfüllen kommerzielle Aufgaben, während Amateurfunksatelliten privaten Zwecken dienen, siehe auch Satellitenkommunikation.
• Fernsehsatelliten übertragen Fernsehprogramme direkt an die Zuschauer, so dass 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. Mikrogravitationsexperimenten.
• Spionagesatelliten dienen zum Ausspionieren z. B. feindlicher Staaten, Schiffsbewegungen und der Überwachung von Rüstungsbegrenzungsabkommen. Sie werden von militärischen Behörden und Geheimdiensten betrieben und sind oft streng geheime Projekte.
• 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 die Lebensdauer auf wenige Monate beschränkt. Damit Kommunikationssatelliten ortsfest über der Erde stehen, müssen sie die Erde in einem sehr großen Abstand umkreisen.

Aufbau

Ein Satellit besteht im wesentlichen aus der wissenschaftlichen, kommerziellen oder militärischen Nutzlast sowie dem Satellitenbus der die zu deren Betrieb notwendigen Strukturen und Subsystemen 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

Siehe 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 speziellen 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 −2,3 mag 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.

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 Zentripetalkraft (oder auch Radialkraft) mindestens gleich der Erdanziehungskraft ist.

Für die Zentripetalkraft 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.

$v_1 = \sqrt[2]{ \frac{\gamma \cdot m_2}{r} }$

$v_1 = \sqrt[2]{\frac{ 6{,}673 \cdot 10^{-11}\,\mathrm{\frac{m^3}{kg\,s^2}} \cdot 5{,}976 \cdot 10^{24}\,\mathrm{kg}}{6{,}378 \cdot 10^6\,\mathrm{m}}}$

$v_1 = 7907\,\mathrm\frac{m}{s} = 21960\,\mathrm\frac{km}{h} = 7{,}9\,\mathrm\frac{km}{s}$

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 Atmosphäre 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 4–12 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 – Hubble-Weltraumteleskop – Landsat – Astra – Eutelsat – Intelsat (Early Bird) – Envisat – Astérix – TUBSAT – BIRD – OSCAR

Siehe auch

• Raumfahrt
• Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen
• Erdbeobachtungssatellit
• Geostationärer Satellit
• Kommunikationssatellit
• Fernsehsatellit
• Global Positioning System
• Satellitennavigation

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
• David B. Goldstein, Christian Schlötterer: Microsatellites - evolution and applications. Oxford Univ. Press, Oxford 2003, ISBN 0-19-850407-1
• 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
• 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? Auf: tagesschau.de, 12. Februar 2009.