Molnija-Orbit

Ein Molnija-Orbit ist ein hochelliptischer Orbit mit einer Inklination von 63,4° und einer Periode von genau einem halben Sterntag. Molnija-Orbits sind nach der Baureihe der sowjetrussischen Molnija-Kommunikationssatelliten benannt, die diese Art Umlaufbahn seit Mitte der 1960er Jahre nutzen.

Ein in einen Molnija-Orbit gesetzter Satellit verbringt durch seine apogäische Umkehrruhe einen Großteil seiner Umlaufzeit über einem bestimmten Gebiet der Erde.

Entstehung und Eigenschaften

Bodenspur eines Molnija-Satelliten

Der Großteil des Gebietes der ehemaligen UdSSR und insbesondere Russlands liegt in recht hohen nördlichen Breiten. Um dorthin von einem geostationären, also über dem Äquator stehenden, Satelliten aus zu senden, muss aufgrund des ungünstig flachen Einstrahlwinkels eine beträchtliche Sendeleistung aufgewandt werden. Ein Satellit mit polarer Umlaufbahn ist für Kommunikationszwecke in solchen Gebieten besser geeignet, da er sich senkrecht darüber hinwegbewegt. Ein typischer, kreisförmiger sonnensynchroner Orbit würde jedoch den Satelliten nur für kurze Zeit über Russland erscheinen lassen. Außerdem würde sich dieser gleichzeitig in Nord-Süd-Richtung und, durch die Erddrehung verursacht, westwärts bewegen, wodurch das Nachverfolgen mit Sende- und Empfangsantennen schwierig wird. Im Gegensatz dazu kann eine geneigte äquatoriale Bahn genutzt werden, auf der sich der Satellit in der halben Zeit nördlich des Äquators befindet und in Ost-West-Richtung, mittels einer parallaktischen Montierung, einfacher nachverfolgt werden kann. So erscheint er jedoch nur für kurze Zeit über dem Nutzungsgebiet und für eine durchgehende Abdeckung ist deshalb der Einsatz einer großen Zahl von Satelliten notwendig.

Molnija-Orbit mit Stundenmarkierungen

Die Lösung der Aufgabe, eine möglichst geringe Zahl von Satelliten möglichst hoch über dem Nutzungsgebiet zu Verfügung zu stellen, liegt in einer stark elliptischen Umlaufbahn. Da die Bahngeschwindigkeit eines Satelliten nach den Keplerschen Gesetzen umgekehrt proportional seiner Entfernung zum Gravizentrum (in diesem Fall dem Erdmittelpunkt) ist, durchläuft dieser den erdnahen Teil seiner Bahn schnell und den entfernt liegenden langsam. Durch eine ostgerichtete Umlaufbahn liegt die Winkelgeschwindigkeit nahe an der Drehgeschwindigkeit der Erde und so verändert sich die scheinbare Position des Satelliten rund um den höchsten Punkt seiner Umlaufbahn, dem Apogäum, über einen längeren Zeitraum nur sehr schwach.

Bedingt durch die Erdrotation liegt das Apogäum nicht immer über dem gleichen Punkt und um nicht nutzbare Apogäen zu vermeiden, wird die Periode der Umlaufbahn so gewählt, dass sie einen ganzzahligen Teiler oder ein Vielfaches eines Tages beträgt und das Apogäum regelmäßig über demselben Gebiet auf der Erde zu liegen kommt. Die typischen Molnija-Orbits haben eine Periode von ca. 12 Stunden, wodurch die Satelliten jeden zweiten Umlauf, also einmal täglich, für ca. 8 Stunden über dem Nutzungsgebiet erscheinen. So kann für ein bestimmtes Gebiet mit nur 3 Satelliten eine 24-stündige Abdeckung gewährleistet werden. Eine diesem Konzept ähnliche Umlaufbahn mit einer Periode von 24 Stunden ist der sogenannte Tundra-Orbit. Durch die Abgeflachtheit der Erde werden bei Satelliten in der Regel Bahnstörungen verursacht, die das Argument der Periapsis und damit die Lage des Apogäums verschieben und durch Lagekorrekturen ausgeglichen werden müssen. Dies wird beim Molnija-Orbit durch die Wahl einer Inklination von 63,4°, bei der sich die Bahnstörungen aufheben, vermieden.

Verwendung

Die hauptsächliche Anwendung des Molnija-Orbits lag in der Verwendung für die gleichnamige Reihe sowjetischer Kommunikationssatelliten. Nachdem 1964 zwei Starts missglückt waren, wurde mit Molnija 1-01 am 23. April 1965 der erste Satellit in diese Umlaufbahn gebracht. Die Molnija-1-Satelliten kamen ab 1968 für militärische Langstreckenkommunikation zum Einsatz, hatten jedoch nur eine kurze Lebensdauer und mussten laufend ersetzt werden. Das Nachfolgesystem, Molnija-2, erlaubte sowohl militärische als auch zivile Übertragungen und diente zum Aufbau des UdSSR-weiten Orbita-Fernsehübertragungssystems. Der weitere Nachfolger ist die Reihe Molnija-3. Unter verschiedenen Quellen herrscht Unstimmigkeit über die Bezeichnung der Baureihen, wobei nahegelegt wird, dass alle im Einsatz befindlichen Satelliten Molnija-3 sind und auf Basis ihrer Anwendung zwischen Molnija-1 bis -3 unterschieden wird.

Mit leichten Anpassungen wurden dieselben Umlaufbahnen von sowjetischen Spionagesatelliten genutzt, deren Apogäum über den USA lag. Geostationäre Umlaufbahnen bieten sich zwar zur Beobachtung der USA an, jedoch waren, bedingt durch die eingesetzte Sensortechnik, kontraststarke Beobachtungswinkel notwendig, die nur von höheren Breiten aus erreicht werden konnten. Beispielhaft hierfür ist der US-KS-Frühwarnsatellit zur Erkennung von US-Raketenstarts, wobei deren spätere Verbesserungen die Nutzung geostationärer Umlaufbahnen erlaubten.

Teilweise nutzten die USA Molnija-Orbits ihrerseits für Spionagesatelliten, wobei die lange Aufenthaltsdauer der Satelliten in den nördlichen Breiten, die für die sowjetische Kommunikation so vorteilhaft ist, genutzt wurde, um eben diese abzuhören. Die elektronischen Aufklärungssatelliten Jumpseat und deren Nachfolger Trumpet nutzten ebenfalls Molnija-Orbits. Eine weitere Anwendung ist das Satellite-Data-System, SDS, zur Weiterreichung der Daten von über Russland operierenden Spionagesatelliten an US-Bodenstationen. Das SDS ermöglichte die Echtzeit-Datenübertragung von den tief fliegenden KH-11-Aufklärungssatelliten während deren Vorbeifluges auf ihren polnahen Bahnen unterhalb der SDS-Satelliten.

Für die bemannte Raumfahrt sind Molnija-Orbits ungeeignet, da diese wiederholt den hochenergetischen Van-Allen-Gürtel kreuzen.