Satellit

Bild på Sputnik 1 , den första konstgjorda satelliten i rymden

En satellit (från de latinska satelliterna "följeslagare, livvakt"), tidigare också en konstgjord måne , är en konstgjord rymdfarkost i rymdfärder som kretsar en himlakropp i en elliptisk eller cirkulär bana för vetenskapliga , kommersiella eller militära ändamål.

Om begreppet jordsatellit

I vidare bemärkelse är satelliter alla astronomiska föremål som kretsar kring en himlakropp - en stjärna , planet, måne eller annat.

Konstgjorda enheter som kretsar kring jorden kallas specifikt jordsatelliter på tyska. Konstgjorda satelliter som kretsar och utforskar en annan kropp än jorden kallas å andra sidan orbiters , varvid en missil som kretsar runt solen ibland också kallas en "solsatellit". Däremot finns det de naturliga satelliterna på planeter, som också är kända som månar eller satelliter och - liksom jordens måne - behandlas separat, liksom de naturliga satelliterna / satelliterna av stjärnorna, planeterna, asteroiderna och andra. Konstgjorda satelliter som kommer från en parkbana runt jorden till interplanetära rymden kan kallas "artificiella planetoider ", vi talar om rymdsonder . Detta inkluderar naturligtvis också de som sedan går in i omloppsbana som omloppsbanor vid målet.

Missiler kallas bara satelliter när de kretsar runt jorden i rymden . En satellit saknar - även efter att den har nått sin karriärväg - ett självdrivningssystem, som skiljer den från ett rymdskepp . Enkla bromsraketer som leder till en kontrollerad krasch räcker inte i teknisk mening för att förvandla en satellit till ett rymdskepp.

berättelse

Efter den framgångsrika lanseringen av Explorer 1 håller projektledarna upp en modell: William H. Pickering , James A. Van Allen och Wernher von Braun

År 1955 beställde USA : s president Eisenhower utvecklingen av en amerikansk terrestrisk satellit, varpå Sovjetunionen tillkännagav ett liknande projekt fyra dagar senare av propagandaskäl. Ändå överraskade den framgångsrika lanseringen av den sovjetiska Sputnik 1 -satelliten den 4 oktober 1957 (19:28 GMT, 5 oktober, lokal tid) världspubliken och ledde till en verklig Sputnik -chock i väst. Sputniks radiosignaler indikerade i kodad form om satelliten hade träffats av materia. Den första amerikanska amerikanska satelliten Explorer 1 följde den 1 februari 1958 och bevisade Van Allen -strålningsbältet i början av utforskningen av jonosfären . Trots detta påverkades utvecklingen av satelliter länge av det kalla kriget .

Inom internationell telekommunikation har kommunikationssatelliter sedan 1970 -talet minskat betydelsen av andra dataförbindelser som den transatlantiska telefonkabeln . Jordobservation och vädersatelliter blev lika viktiga, medan forskningssatelliter för astronomi , geodesi och kartografi hade utvecklats redan på 1960 -talet.

Beesat -satellit från Technical University of Berlin , 2009

FN: s kontor för yttre rymden har upprätthållit ett index (index över objekt som lanserats i yttre rymden) för alla satelliter som har skjutits upp i rymden sedan 1962. ^[1]

Enligt den amerikanska amerikanska NASA fanns det omkring 1950 konstgjorda föremål i rymden den 31 maj 1969 , varav 1 889 kretsade runt jorden, 17 befann sig i en ellips runt jorden och 38 var i en bana runt solen. Förutom utbrända raketstadier och andra föremål fanns 394 jordsatelliter och rymdsonder på skärningsdatumet, inklusive 289 från USA, 83 från Sovjetunionen, 5 franska, 3 kanadensare, 2 britter och 3 från Europeiska rymdforskningsorganisationen .

År 2016 var antalet kända aktiva satelliter redan över 1400. ^[2] Dessutom finns det flera tusen andra konstgjorda föremål (nedlagda satelliter, delar av raketer och andra rymdskräp ) i omloppsbana: 1996 borde det finnas runt 8500 stycken , enligt ESA -data "rymdskräp" (från cirka 10 cm i storlek). ^[3] 2009 visste Joint Space Operations Center i USA: s strategiska kommando om över 18 500 konstgjorda himlakroppar. ^[3]

Trots det stora antalet är kollisioner extremt sällsynta. Den första kända kollisionen mellan en aktiv satellit och ett föråldrat objekt ägde rum den 10 februari 2009: den ryska Kosmos 2251 -satelliten , som hade varit i rymden sedan 1993 och troligen ur drift sedan 1999, kolliderade med Iridium 33 -kommunikationssatelliten från Det amerikanska företaget Iridium Satellite . Båda satelliterna förstördes totalt. ^[3] Den 22 januari 2013 kolliderade den ryska lilla satelliten BLITS (NORAD 35871) med fragment av 2007 som förstördes av en kinesisk antisatellitvapensatellit Fengyun-1C oanvändbar och kastades ur sin bana. ^[4] Den 23 maj 2013 orsakade skräp från en rysk raket att NEE-01 Pegaso- satelliten tumlade okontrollerat och fick den att gå ur kontroll.

uppgifter

Beroende på satellitens uppgift skiljer man mellan följande typer:

Jordobservationssatelliter kan ge bilder och mätningar för olika ändamål, till exempel väder- och spionsatelliter . Du kommer att arbeta med olika tekniker, till exempel med radar ( radarsatelliter ), infraröd , skanningsmetoder, sensorer eller fotografering . Ofta registreras olika våglängder samtidigt ( multispektral ).
Kommunikationssatelliter uppfyller kommersiella uppgifter, medan amatörradiosatelliter tjänar privata ändamål, se även satellitkommunikation .
Radio -satelliterna sändnings radio- och tv-program direkt till tittarna, så att marksändningar och kabelnät kan undvaras.
Navigationssatelliter möjliggör global position och tidsbestämning och till och med automatisk kontroll av fordon.
Geodetiska satelliter används för att mäta jordens form och jordens tyngdkraftsfält . Idag kan du uppnå noggrannheter i intervallet mm till cm.
Astrometriska satelliter mäter position och korrekt rörelse för stjärnor, främst för vetenskapliga ändamål.
Forskningssatelliter tjänar rent vetenskapliga ändamål, t.ex. B. Mikrogravitationsexperiment . Många astrometri och några jordobservationssatelliter faller i denna kategori, liksom de flesta rymdteleskop .
Rymdstationer är också jordsatelliter som främst tjänar vetenskapliga ändamål.
Militära satelliter används för övervakning, försvar och andra militära ändamål. Här bör särskilt nämnas
- Spionatelliter för att spionera på stater, armé- och skeppsrörelser samt för övervakning av vapenbegränsningsavtal. De drivs av militära myndigheter och hemliga tjänster. Projekten och de bestämda uppgifterna är ofta topphemliga.
- Killer -satelliter är en speciell militär applikation för att förstöra fiendens missiler.

Vilken satellitbana som är bäst lämpad i varje fall beror på uppgifterna. Observationssatelliter ska flyga så lågt som möjligt. Spion -satelliternas bana är ibland så låg att friktionen i atmosfären begränsar deras livslängd till några månader.

Däremot ges kommunikationssatelliter högsta möjliga banor så att de kan täcka stora områden. Om de ska vara stationära över en punkt på jordens ekvatorn måste de kretsa runt jorden i en geosynkron bana på cirka 36 000 km höjd i jordens rotationsriktning (specialfall: " geostationär ").

konstruktion

En satellit består i huvudsak av den vetenskapliga, kommersiella eller militära nyttolasten samt satellitbussen , som innehåller de strukturer och delsystem som är nödvändiga för deras drift. Detta består av den primära struktur som de andra delsystemen är integrerade i. Detta inkluderar energiförsörjningen ( solceller , ackumulatorer ), temperaturkontrollsystemet , drivsystemet för positions- och positionsstyrning (vägkontroll) och datorsystemet för styrning och datahantering .

Energiförsörjningssystem

Satelliten levereras mestadels med el (energi) av solceller med stöd av ackumulatorer om det finns tillräckligt med ljusstyrka i området nära jorden, eller av batterier om endast korta användningstider planeras. De betydligt mindre radioisotopgeneratorerna används för satelliter som ligger längre bort från solen och därför är tillförseln av strålningsenergi för låg.

företag

Efter att satelliten har startat måste dess fortsatta drift garanteras. Detta inkluderar inte bara inbyggda kontroll- och övervakningssystem, utan även motsvarande markstationer (t.ex. Mission Control Center ) som tar över markkontroll, fjärrkontroll och utvärdering eller tillhandahållande av data från satelliterna eller deras nyttolast.

Dessa uppgifter inkluderar:

Hastigheter

För en cirkelbana nära jorden gäller den första kosmiska hastigheten v ₁ = 7,9 km / s.

Vid start i östlig riktning bidrar jordens rotation maximalt 0,46 km / s till omloppshastigheten. Jordens rotation utnyttjas dock inte fullt ut, eftersom missilen saktas ner på grund av luftpartiklar (vindar) som rör sig i andra riktningar. En v ₁ på 7,44 km / s kan alltså räcka för en raket. I västlig riktning måste andelen höjas, så nästan alla satelliter skjuts upp i östlig riktning. Cirkelhastigheten hos polära banor förblir opåverkad av jordens rotation.

Om man vill lämna jordens gravitationsfält måste satelliten accelereras till den andra kosmiska hastigheten på cirka 11,2 km / s. Det motsvarar det ${\sqrt {2}}$ ${\ displaystyle {\ sqrt {2}}}$ ${\ sqrt {2}}$ gånger den första kosmiska hastigheten.

Observation från jorden

Många större jordsatelliter kan observeras med blotta ögat som ljuspunkter som rör sig över natthimlen. Med teleskop som är speciellt utrustade för solobservation är det också möjligt att observera satelliternas passage framför solen. ISS , som det största artificiella föremålet i jordens bana, kan uppnå en skenbar ljusstyrka på upp till -5 mag ^[5] . Satelliterna i Iridium -systemet kan reflektera solljuset med sina antennytor som en Iridium -bloss och sedan kort uppnå en skenbar ljusstyrka på upp till −8 mag. Till skillnad från ett flygplan har en satellit inga blinkande färgade ljus. I vissa av föremålen ändras dock ljusstyrkan på grund av rotation eller en tumlande rörelse. Ibland misstänks satellitljusreflexer av misstag för stjärnor.

När det gäller observation med blotta ögat är detta vanligtvis bara möjligt strax efter solnedgången eller strax före soluppgången. Detta beror på att satelliten i sin (inte för) höga bana fortfarande måste belysas av solen så att den kan ses på marken (där den redan är / fortfarande är mörk) framför den mörka himlen; mitt på natten flyger den också i skuggan och förblir osynlig. Banan får inte heller vara för hög, eftersom avståndet kommer att göra satelliten för liten för att vara synlig även när den utsätts för strålning.

En satellit kan kännas igen av den höga hastighet med vilken den rör sig över himlen; det tar vanligtvis bara några minuter att helt flyga över den synliga delen av himlen.

Ett stort objekt som ISS kan vara särskilt ljust. Men även det syns sällan på våra breddgrader. Detta beror på flera punkter som också gäller andra satelliter:

Objektet måste ha en tillräckligt lutande bana i förhållande till ekvatorialplanet, så att det överhuvudtaget tränger in i våra breddgrader; om objektet alltid cirklar exakt över ekvatorn kan det bara ses där. ISS i synnerhet når knappt och sällan våra breddgrader.
Som nämnts ovan måste banan leda objektet till våra breddgrader vid en lämplig tidpunkt vid solnedgången eller soluppgången. Följaktligen finns det webbplatser med datumförhandsgranskningar, när och för vilket objekt nästa observationer kommer att vara möjliga.
Ju lägre föremålets bana, desto större visas den och desto ljusare är den, men också desto kortare är den i det synliga synfältet och måste vara mer exakt på sin egen plats.
Ju högre objektets bana, desto mindre och mindre ljus blir den, men den är längre och synlig från ett större område.

Spåra inspelningar av satelliter och raketöversta etapper

Mir ( Satellitkatalognummer 16609 = COSPAR-beteckning 1986-017A)
Iridium 58
(25274 = 1998-019C)
Återkommer 1-3 r
(23343 = 1994-074B)
Lacrosse 1 (19671 = 1988-106B) och Cosmos 2263r (22803 = 1993-059B)

Långsiktiga inspelningar från geostationära satelliter

Medan stjärnor rör sig på natthimlen är geostationära satelliter alltid på samma plats. Så här ser de ut som punkter på långsiktiga inspelningar:

Den amerikanska SIGINT- satelliten USA 207 (2009-047A, Palladium at Night ) och två civila, kommersiella satelliter (Paksat-1 och HellasSat 2)
SIGINT satellit USA 202 (mentor 4)
Mentor 4 med sin granne, den civila telekommunikationssatelliten Thuraya 2

Transport och järnvägens gång

Använda symboler:

$\gamma$ ${\ displaystyle \ gamma}$ $\gamma$	:	Gravitationskonstant	=	6.673 · 10 ⁻¹¹ m ³ / kg · s ²
r	:	Omloppsradie eller avstånd mellan jordens masscentrum och kroppen i omloppsbana	=	6.378 x 10 ⁶ m
M.	:	Jordens massa	=	5,9722 x 10 ²⁴ kg
m	:	Kroppens massa i omloppsbana
v	:	Kroppens omloppshastighet i omloppsbana

En jordsatellit måste ges en så hög omloppshastighet när den skjuts upp att dess centrifugalkraft (eller radialkraft ) är minst lika med dess vikt .

Centrifugalkraften beräknas enligt följande:

F_{r}={\frac {m\cdot v^{2}}{r}}\

{\ displaystyle F_ {r} = {\ frac {m \ cdot v ^ {2}} {r}} \}

{\ displaystyle F_ {r} = {\ frac {m \ cdot v ^ {2}} {r}} \}

.

Tyngdkraften beräknas enligt följande:

F_{G}=\gamma \cdot {\frac {m\cdot M}{r^{2}}}\

{\ displaystyle F_ {G} = \ gamma \ cdot {\ frac {m \ cdot M} {r ^ {2}}} \}

{\ displaystyle F_ {G} = \ gamma \ cdot {\ frac {m \ cdot M} {r ^ {2}}} \}

.

där $F_{r}=F_{G}$ ${\ displaystyle F_ {r} = F_ {G}}$ $F_ {r} = F_ {G}$ måste vara, resultat efter införandet:

\ \ {\frac {m\cdot v^{2}}{r}}=\gamma \cdot {\frac {m\cdot M}{r^{2}}}\

{\ displaystyle \ \ {\ frac {m \ cdot v ^ {2}} {r}} = \ gamma \ cdot {\ frac {m \ cdot M} {r ^ {2}}} \}

{\ displaystyle \ \ {\ frac {m \ cdot v ^ {2}} {r}} = \ gamma \ cdot {\ frac {m \ cdot M} {r ^ {2}}} \}

.

Nu kan du se att kroppens massa på cirkelbanan inte har någon relevans, eftersom den utelämnas i ekvationen. Den omloppshastighet som krävs för en viss omlopp beror därför endast på omloppshöjden:

v^{2}={\frac {\gamma \cdot M}{r}}\

{\ displaystyle v ^ {2} = {\ frac {\ gamma \ cdot M} {r}} \}

{\ displaystyle v ^ {2} = {\ frac {\ gamma \ cdot M} {r}} \}

, det följer:

\ v={\sqrt {\frac {\gamma \cdot M}{r}}}\

{\ displaystyle \ v = {\ sqrt {\ frac {\ gamma \ cdot M} {r}}} \}

{\ displaystyle \ v = {\ sqrt {\ frac {\ gamma \ cdot M} {r}}} \}

.

Den första kosmiska hastigheten eller orbitalhastigheten:

Med denna hastighet är det möjligt för en kropp att hålla denna bana på en cirkulär bana runt jorden:

v_{1}={\sqrt {\frac {\gamma \cdot M}{r}}}\

{\ displaystyle v_ {1} = {\ sqrt {\ frac {\ gamma \ cdot M} {r}}} \}

{\ displaystyle v_ {1} = {\ sqrt {\ frac {\ gamma \ cdot M} {r}}} \}

, infoga resultat

v_{1}={\sqrt {\frac {6{,}673\cdot 10^{-11}\,\mathrm {\tfrac {m^{3}}{kg\,s^{2}}} \cdot 5{,}976\cdot 10^{24}\,\mathrm {kg} }{6{,}378\cdot 10^{6}\,\mathrm {m} }}}=7905{,}4\,\mathrm {\tfrac {m}{s}} =28459{,}6\,\mathrm {\tfrac {km}{h}} \approx 7{,}9\,\mathrm {\tfrac {km}{s}} \

{\ displaystyle v_ {1} = {\ sqrt {\ frac {6 {,} 673 \ cdot 10 ^ {- 11} \, \ mathrm {\ tfrac {m ^ {3}} {kg \, s ^ {2}}} \ cdot 5 {,} 976 \ cdot 10 ^ {24} \, \ mathrm {kg}} {6 {,} 378 \ cdot 10 ^ {6} \, \ mathrm {m}}}} = 7905 {,} 4 \, \ mathrm {\ tfrac {m} {s}} = 28459 {,} 6 \, \ mathrm {\ tfrac {km} {h}} \ approx 7 {,} 9 \, \ mathrm {\ tfrac {km} {s}} \}

{\ displaystyle v_ {1} = {\ sqrt {\ frac {6 {,} 673 \ cdot 10 ^ {- 11} \, \ mathrm {\ tfrac {m ^ {3}} {kg \, s ^ {2}}} \ cdot 5 {,} 976 \ cdot 10 ^ {24} \, \ mathrm {kg}} {6 {,} 378 \ cdot 10 ^ {6} \, \ mathrm {m}}}} = 7905 {,} 4 \, \ mathrm {\ tfrac {m} {s}} = 28459 {,} 6 \, \ mathrm {\ tfrac {km} {h}} \ approx 7 {,} 9 \, \ mathrm {\ tfrac {km} {s}} \}

.

Med den andra kosmiska hastigheten eller flyktfart kan han lämna jordens gravitation . Det uppgår till:

v_{2}=v_{1}\cdot {\sqrt {2}}=11{,}18\,\mathrm {\tfrac {km}{s}} \

{\ displaystyle v_ {2} = v_ {1} \ cdot {\ sqrt {2}} = 11 {,} 18 \, \ mathrm {\ tfrac {km} {s}} \}

{\ displaystyle v_ {2} = v_ {1} \ cdot {\ sqrt {2}} = 11 {,} 18 \, \ mathrm {\ tfrac {km} {s}} \}

.

Transporten i omloppsbana sker med hjälp av raketer , som är utformade som steg raketer för tekniska och energiska skäl. Satelliten placeras på den översta (mestadels tredje) raketstadiet och är aerodynamiskt förklädd. Det skjuts antingen direkt in i omloppsbanan eller släpps av ett annat rymdfarkoster . Så länge raketen fungerar, kör den på det som kallas "aktiv väg". Efter att raketmotorerna har brunnit ut följer den "fria flygbanan" (eller den passiva vägen).

Satellitbanor

Den orörliga rörelsen av en satellit lyder lagarna i tvåkroppsproblemet med den himmelska mekaniken - men andra krafter orsakar orbitalstörningar . Om jorden var en exakt sfär utan jordens atmosfär och om det inte fanns några andra himmelska kroppar , skulle satellitbanan följa en mer eller mindre excentrisk ellips runt jorden enligt Keplers lagar . Jordsatelliternas omloppsplan går genom jordens centrum och är ungefär fixerade i rymden, dvs. oförändrade jämfört med de fasta stjärnorna , medan jorden roterar nedanför.

Beroende på deras höjd är satelliter indelade i olika typer:

GEO (Geostationary Orbit): geostationära satelliter med en höjd av cirka 35 790 km. Här är cykeltiden exakt en dag. Dessa satelliter är stationära med avseende på jordens yta. Exempel: Astra , Eutelsat , Inmarsat , Meteosat etc.
MEO (Medium Earth Orbit): satelliter med en höjd av 6 000–36 000 km och en orbitalperiod på 4–24 timmar. Exempel: GPS , GLONASS , Galileo etc.
LEO (Low Earth Orbit): satelliter med en höjd av 200–1500 km och en orbitalperiod på 1,5–2 timmar. Exempel: Iridium , Globalstar , GLAST etc.
SSO (Sun Synchronous Orbit): ERS , Landsat , Envisat

På grund av planningen av jorden och inhomogeniteten på jordytan och jordens tyngdkraftsfält avviker satellitbanorna från den ideala elliptiska formen med några kilometer. Från observationen av dessa avvikelser kan satellitgeodesi bestämma jordens exakta form - geoiden avviker från den fiktiva jordelipsoiden med upp till 100 m. För dessa avvikelser (med en radie av 6357–6378 km endast 0,001%) myntades de lite olyckliga termerna potatis- och päronform .

Dessutom orsakar jordens atmosfär konstant lätt bromsning av satelliterna, så att banor under en höjd av cirka 1000 km spiral närmare jorden. Livslängden beror också på förhållandet yta / massa och sträcker sig från några veckor eller år (LEO) till årtusenden (MEO). Ytterligare orbitalstörningar orsakas av månens gravitation, strålningstrycket från solen och effekterna i jonosfären . Satellitbanan måste därför ständigt övervakas och vid behov justeras om ( Attitude Determination and Control System ). När gastillförseln för korrigeringsmunstyckena är förbrukad, lämnar satelliten sin bana och är vanligtvis värdelös.

Se även

litteratur

Michel Capderou: Satelliter - banor och uppdrag. Springer, Paris 2005, ISBN 2-287-21317-1
Louis J. Ippolito: Teknik för satellitkommunikationssystem - atmosfäriska effekter, satellitlänkdesign och systemprestanda. Wiley & Sons, Chichester 2008, ISBN 978-0-470-72527-6
R. Bender: Uppskjutning och drift av satelliter - juridiska frågor. Nijhoff, Dordrecht 1998, ISBN 90-411-0507-7
Bruno Pattan: Satellitsystem - principer och teknik. Van Nostrand Reinhold, New York 1993, ISBN 0-442-01357-4
CB Pease: Satellitavbildningsinstrument - principer, teknik och operativsystem. Ellis Horwood, New York 1991, ISBN 0-13-638487-0

webb-länkar

Himlen ovan - Beräkning av satelliternas synlighet (engelska och andra språk)
Satellitjordväg - visning i realtid av markvägen för vissa satelliter kräver Java
Realtidssatellitspårning-spårning i realtid för cirka 17 000 satelliter, samt 5-dagars prognoser för deras synlighet
Satflare 3D - spårning i realtid
Satellitbilder - kulturella och naturliga landskap
Orbitron - Satellite Tracking System - Windows -programvara för att beräkna satelliternas synlighet
UCS Satellite Database - sammanställning av aktiva satelliter i jordbana inklusive en kort beskrivning
ESRI - visning av de nuvarande satellitpositionerna i 3D, liksom saker i rymden - inklusive rymdskräp
Satellit som kretsar kring jorden - Nuvarande höjd för många satelliter i 1D, grupperat efter höjd

Individuella bevis

^ Konvention om registrering av objekt som lanserades i yttre rymden Förenta nationernas kontor för yttre rymdfrågor; Hämtad 26 december 2009.
^ Laura Grego: Ny uppdatering av UCS -satellitdatabasen. Union of Concerned Scientists, 21 april 2017, öppnade 3 januari 2018 .
↑ ^a ^b ^c Ryska och amerikanska satelliter kolliderar. Första satellitkrasch i rymden? ( Memento från 13 februari 2009 i Internetarkivet ) tagesschau.de , 12 februari 2009.
↑ Merryl Azriel: Fengyun 1C skräp kolliderade med BLITS Satellite
↑ Calsky: Visibility of International Space Station ISS ( Memento från 5 augusti 2018 i Internetarkivet )

[1] Konvention om registrering av objekt som lanserades i yttre rymden Förenta nationernas kontor för yttre rymdfrågor; Hämtad 26 december 2009.

[2] Laura Grego: Ny uppdatering av UCS -satellitdatabasen. Union of Concerned Scientists, 21 april 2017, öppnade 3 januari 2018 .

[tagesschau.de12.2.2009-3] Ryska och amerikanska satelliter kolliderar. Första satellitkrasch i rymden? ( Memento från 13 februari 2009 i Internetarkivet ) tagesschau.de , 12 februari 2009.

[4] Merryl Azriel: Fengyun 1C skräp kolliderade med BLITS Satellite

[5] Calsky: Visibility of International Space Station ISS ( Memento från 5 augusti 2018 i Internetarkivet )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]