Oder warum Satelliten nicht fallen? Die Umlaufbahn eines Satelliten ist ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Trägheit und Schwerkraft. Die Schwerkraft zieht den Satelliten kontinuierlich in Richtung Erde, während die Trägheit des Satelliten dazu neigt, seine Bewegung in einer geraden Linie zu halten. Wenn es keine Schwerkraft gäbe, würde die Trägheit des Satelliten ihn direkt aus der Erdumlaufbahn heraus schicken Weltraum. An jedem Punkt der Umlaufbahn hält die Schwerkraft den Satelliten jedoch fest.

Um ein Gleichgewicht zwischen Trägheit und Schwerkraft zu erreichen, muss der Satellit eine genau definierte Geschwindigkeit haben. Fliegt er zu schnell, überwindet die Trägheit die Schwerkraft und der Satellit verlässt die Umlaufbahn. (Die Berechnung der sogenannten zweiten Raumgeschwindigkeit, die es dem Satelliten ermöglicht, die Erdumlaufbahn zu verlassen, spielt eine wichtige Rolle beim Start interplanetarer Raumstationen.) Wenn sich der Satellit zu langsam bewegt, gewinnt die Schwerkraft den Kampf gegen die Trägheit und der Satellit wird auf die Erde fallen. Genau das geschah 1979, als die amerikanische Raumstation Skylab aufgrund des wachsenden Widerstands zu verfallen begann. obere Schichten Erdatmosphäre. In die eisernen Zangen der Schwerkraft gefallen, stürzte die Station bald auf die Erde.

Geschwindigkeit und Distanz

Soweit Schwerkraft der Erde mit der Entfernung schwächer wird, variiert die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um einen Satelliten im Orbit zu halten, mit der Höhe. Ingenieure können berechnen, wie schnell und wie hoch ein Satellit umkreisen muss. Beispielsweise muss ein geostationärer Satellit, der sich immer über demselben Punkt auf der Erdoberfläche befindet, in 24 Stunden (das entspricht der Zeit einer Umdrehung der Erde um ihre Achse) in 357 Kilometern Höhe eine Umdrehung vollziehen.

Schwerkraft und Trägheit

Das Ausbalancieren eines Satelliten zwischen Schwerkraft und Trägheit kann simuliert werden, indem eine Last an einem daran befestigten Seil gedreht wird. Die Trägheit der Last neigt dazu, sie vom Rotationszentrum wegzubewegen, während die Spannung des Seils, die als Schwerkraft wirkt, die Last auf einer kreisförmigen Umlaufbahn hält. Wenn das Seil durchtrennt wird, fliegt die Last auf einer geraden Flugbahn senkrecht zum Radius ihrer Umlaufbahn davon.

Was ist die geostationäre Umlaufbahn? Dies ist ein kreisförmiges Feld, das sich über dem Äquator der Erde befindet, entlang dem ein künstlicher Satellit mit der Winkelgeschwindigkeit der Rotation des Planeten um seine Achse kreist. Er ändert seine Richtung im horizontalen Koordinatensystem nicht, sondern hängt bewegungslos am Himmel. Die geostationäre Umlaufbahn der Erde (GSO) ist eine Art geostationäres Feld und dient zur Unterbringung von Kommunikations-, Fernseh- und anderen Satelliten.

Die Idee, künstliche Geräte zu verwenden

Das eigentliche Konzept der geostationären Umlaufbahn wurde vom russischen Erfinder K. E. Tsiolkovsky initiiert. In seinen Arbeiten schlug er vor, den Weltraum mit Hilfe von Orbitalstationen zu bevölkern. Ausländische Wissenschaftler beschrieben auch die Arbeit von Weltraumfeldern, zum Beispiel G. Oberth. Die Person, die das Konzept der Nutzung des Orbits für die Kommunikation entwickelt hat, ist Arthur Clarke. 1945 veröffentlichte er einen Artikel in der Zeitschrift Wireless World, in dem er die Vorteile des geostationären Bereichs beschrieb. Für die aktive Arbeit in diesem Bereich zu Ehren des Wissenschaftlers erhielt die Umlaufbahn ihren zweiten Namen - "Clarks Gürtel". Viele Theoretiker haben über das Problem nachgedacht, einen qualitativen Zusammenhang zu implementieren. So äußerte Herman Potochnik 1928 die Idee, wie geostationäre Satelliten genutzt werden können.

Eigenschaften des "Clark-Gürtels"

Damit eine Umlaufbahn als geostationär bezeichnet werden kann, muss sie eine Reihe von Parametern erfüllen:

1. Geosynchronie. Diese Charakteristik umfasst ein Feld, das eine Periode hat, die der Periode der Erdumdrehung entspricht. Ein geostationärer Satellit beendet seine Umlaufbahn um den Planeten an einem Sterntag, der 23 Stunden 56 Minuten und 4 Sekunden dauert. Die gleiche Zeit benötigt die Erde, um eine Umdrehung in einem festen Raum zu vollenden.

2. Um einen Satelliten an einem bestimmten Punkt zu halten, muss die geostationäre Umlaufbahn kreisförmig und ohne Neigung sein. Ein elliptisches Feld führt zu einer Verschiebung nach Osten oder Westen, da sich das Raumfahrzeug an bestimmten Punkten der Umlaufbahn unterschiedlich bewegt.

3. Der "Schwebepunkt" des Weltraummechanismus muss auf dem Äquator liegen.

4. Die Position von Satelliten im geostationären Orbit sollte so sein, dass eine kleine Anzahl von Frequenzen, die für die Kommunikation bestimmt sind, nicht zu einer Überlappung von Frequenzen verschiedener Geräte beim Empfang und Senden führen, sowie deren Kollision auszuschließen.

5. Genügend Treibstoff, um das Raumfahrzeug stationär zu halten.

Die geostationäre Umlaufbahn eines Satelliten ist insofern einzigartig, als es nur durch die Kombination seiner Parameter möglich ist, die Unbeweglichkeit des Geräts zu erreichen. Ein weiteres Merkmal ist die Fähigkeit, die Erde in einem Winkel von siebzehn Grad von denen zu sehen, die sich darauf befinden Raumfeld Satelliten. Jedes Gerät bedeckt ungefähr ein Drittel der Umlaufbahnoberfläche, sodass drei Mechanismen in der Lage sind, fast den gesamten Planeten abzudecken.

künstliche satelliten

Das Flugzeug umkreist die Erde entlang einer geozentrischen Bahn. Um es zu starten, wird eine mehrstufige Rakete verwendet. Es ist ein kosmischer Mechanismus, der die Blindleistung des Motors antreibt. Um sich im Orbit zu bewegen, müssen künstliche Satelliten der Erde eine Anfangsgeschwindigkeit haben, die der ersten Weltraumgeschwindigkeit entspricht. Ihre Flüge werden in einer Höhe von mindestens mehreren hundert Kilometern durchgeführt. Die Umlaufdauer des Gerätes kann mehrere Jahre betragen. künstliche satelliten Erden können von Boards anderer Geräte aus gestartet werden, beispielsweise von Orbitalstationen und Schiffen. UAVs haben eine Masse von bis zu zwei zehn Tonnen und eine Größe von bis zu mehreren zehn Metern. Das 21. Jahrhundert war geprägt von der Geburt von Geräten mit ultraleichtem Gewicht – bis zu mehreren Kilogramm.

Satelliten wurden von vielen Ländern und Unternehmen gestartet. Der weltweit erste künstliche Apparat wurde in der UdSSR gebaut und flog am 4. Oktober 1957 ins All. Er trug den Namen „Sputnik-1“. 1958 brachten die Vereinigten Staaten ein zweites Gerät auf den Markt, den Explorer 1. Der erste Satellit, der 1964 von der NASA gestartet wurde, hieß Syncom-3. Künstliche Geräte sind meistens vom Umtausch ausgeschlossen, aber es gibt auch solche, die teilweise oder vollständig retournieren. Sie dienen der Durchführung wissenschaftliche Forschung und verschiedene Probleme lösen. Es gibt also Militär-, Forschungs-, Navigationssatelliten und andere. Auch Geräte, die von Universitätsmitarbeitern oder Funkamateuren erstellt wurden, werden gestartet.

"Haltepunkt"

Geostationäre Satelliten befinden sich in einer Höhe von 35.786 Kilometern über dem Meeresspiegel. Diese Höhe liefert eine Umlaufzeit, die der Umlaufzeit der Erde in Relation zu den Sternen entspricht. Das künstliche Fahrzeug ist stationär, daher wird seine Position in der geostationären Umlaufbahn als „Stationspunkt“ bezeichnet. Das Schweben bietet eine dauerhafte und dauerhafte Verbindung, denn wenn die Antenne einmal ausgerichtet ist, wird sie immer auf den richtigen Satelliten gerichtet.

Bewegung

Mithilfe von Geotransferfeldern können Satelliten von einer niedrigen Umlaufbahn in eine geostationäre Umlaufbahn überführt werden. Letztere sind eine elliptische Bahn mit einem Punkt in geringer Höhe und einem Gipfel in einer Höhe nahe dem geostationären Kreis. Ein Satellit, der für weitere Arbeiten unbrauchbar geworden ist, wird auf eine Entsorgungsbahn geschickt, die sich 200 bis 300 Kilometer über dem GSO befindet.

Geostationäre Umlaufbahnhöhe

Ein Satellit in einem bestimmten Feld hält sich in einem bestimmten Abstand von der Erde, ohne sich zu nähern oder zu entfernen. Es befindet sich immer über einem Punkt auf dem Äquator. Aus diesen Merkmalen ergibt sich, dass sich Schwerkraft und Zentrifugalkraft die Waage halten. Die Höhe der geostationären Umlaufbahn wird mit Methoden berechnet, die auf der klassischen Mechanik basieren. Dabei wird die Entsprechung von Gravitations- und Zentrifugalkräften berücksichtigt. Der Wert der ersten Größe wird anhand des Newtonschen Gravitationsgesetzes bestimmt. Der Zentrifugalkraftindex wird berechnet, indem die Masse des Satelliten mit der Zentripetalbeschleunigung multipliziert wird. Aus der Gleichheit von schwerer und träger Masse folgt, dass die Höhe der Umlaufbahn nicht von der Masse des Satelliten abhängt. Daher wird die geostationäre Umlaufbahn nur durch die Höhe bestimmt, in der die Zentrifugalkraft im Absolutwert gleich und entgegengesetzt zur Gravitationskraft ist, die durch die Anziehungskraft der Erde in einer bestimmten Höhe erzeugt wird.

Aus der Formel zur Berechnung der Zentripetalbeschleunigung können Sie die Winkelgeschwindigkeit ermitteln. Der Radius der geostationären Umlaufbahn wird ebenfalls durch diese Formel oder durch Teilen der geozentrischen Gravitationskonstante durch die Winkelgeschwindigkeit im Quadrat bestimmt. Es sind 42164 Kilometer. Angesichts des Äquatorradius der Erde erhalten wir eine Höhe von 35786 Kilometern.

Berechnungen können auf andere Weise durchgeführt werden, basierend auf der Aussage, dass die Höhe der Umlaufbahn, die der Abstand vom Erdmittelpunkt ist, mit der Winkelgeschwindigkeit des Satelliten, die mit der Bewegung der Planetenrotation zusammenfällt, entsteht lineare Geschwindigkeit, das gleich dem ersten Leerzeichen in einer bestimmten Höhe ist.

Geschwindigkeit im geostationären Orbit. Länge

Dieser Indikator wird berechnet, indem die Winkelgeschwindigkeit mit dem Radius des Feldes multipliziert wird. Der Wert der Geschwindigkeit im Orbit beträgt 3,07 Kilometer pro Sekunde, was viel weniger ist als die erste Raumgeschwindigkeit auf der erdnahen Bahn. Um den Exponenten zu reduzieren, muss der Radius der Umlaufbahn um mehr als das Sechsfache erhöht werden. Die Länge wird berechnet, indem Pi mal Radius mit zwei multipliziert wird. Es sind 264924 Kilometer. Der Indikator wird bei der Berechnung der "Stehpunkte" der Satelliten berücksichtigt.

Einfluss von Kräften

Die Parameter der Umlaufbahn, auf der der künstliche Mechanismus zirkuliert, können sich unter dem Einfluss von gravitativen lunisolaren Störungen, der Inhomogenität des Erdfelds und der Elliptizität des Äquators ändern. Die Transformation des Feldes drückt sich in solchen Phänomenen aus wie:

1. Die Verschiebung eines Satelliten von seiner Position entlang der Umlaufbahn zu Punkten stabilen Gleichgewichts, die als potenzielle Löcher in der geostationären Umlaufbahn bezeichnet werden.
2. Der Neigungswinkel des Feldes zum Äquator wächst mit einer bestimmten Geschwindigkeit und erreicht einmal in 26 Jahren und 5 Monaten 15 Grad.

Um den Satelliten auf dem gewünschten „Standpunkt“ zu halten, ist er mit einem Antriebssystem ausgestattet, das alle 10-15 Tage mehrmals eingeschaltet wird. Um das Wachstum der Neigung der Umlaufbahn zu kompensieren, wird die "Nord-Süd"-Korrektur verwendet, und um die Drift entlang des Feldes zu kompensieren, wird die "West-Ost"-Korrektur verwendet. Um die Bahn des Satelliten während der gesamten Betriebsdauer zu regulieren, ist ein großer Treibstoffvorrat an Bord erforderlich.

Antriebssysteme

Die Geräteauswahl wird durch die individuellen technischen Eigenschaften des Satelliten bestimmt. Zum Beispiel Chemie Raketenantrieb hat eine Verdrängungskraftstoffversorgung und arbeitet mit langzeitgelagerten Hochsiedern (Diazotettroxid, unsymmetrisches Dimethylhydrazin). Plasmageräte haben einen deutlich geringeren Schub, aber aufgrund des langen Betriebs, der für eine einzelne Bewegung in mehreren zehn Minuten gemessen wird, können sie den Kraftstoffverbrauch an Bord erheblich reduzieren. Diese Art von Antriebssystem wird verwendet, um den Satelliten zu einer anderen Orbitalposition zu manövrieren. Der Hauptbegrenzungsfaktor für die Lebensdauer des Geräts ist die Treibstoffversorgung im geostationären Orbit.

Nachteile eines künstlichen Feldes

Ein wesentlicher Fehler bei der Interaktion mit geostationären Satelliten sind große Verzögerungen bei der Signalausbreitung. Bei einer Lichtgeschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde und einer Umlaufbahnhöhe von 35.786 Kilometern dauert die Bewegung des Strahls Erde-Satellit etwa 0,12 Sekunden und der Strahl Erde-Satellit-Erde 0,24 Sekunden. Unter Berücksichtigung der Signalverzögerung in den Geräten und Kabelübertragungssystemen der terrestrischen Dienste beträgt die Gesamtverzögerung des Signals "Quelle - Satellit - Empfänger" etwa 2-4 Sekunden. Ein solcher Indikator erschwert die Verwendung von Geräten im Orbit in der Telefonie erheblich und macht es unmöglich, Satellitenkommunikation in Echtzeitsystemen zu verwenden.

Ein weiterer Nachteil ist die Unsichtbarkeit der geostationären Umlaufbahn aus hohen Breiten, die die Leitung von Kommunikation und Fernsehübertragungen in den Regionen der Arktis und Antarktis stört. In Situationen, in denen die Sonne und der Sendesatellit auf einer Linie mit der Empfangsantenne stehen, kommt es zu einer Verringerung und manchmal sogar zu einem vollständigen Fehlen des Signals. In geostationären Umlaufbahnen ist dieses Phänomen aufgrund der Unbeweglichkeit des Satelliten besonders ausgeprägt.

Doppler-Effekt

Dieses Phänomen besteht darin, die Frequenzen elektromagnetischer Schwingungen mit der gegenseitigen Weiterentwicklung von Sender und Empfänger zu ändern. Das Phänomen äußert sich durch eine zeitliche Abstandsänderung sowie durch die Bewegung künstlicher Fahrzeuge im Orbit. Der Effekt äußert sich in der Instabilität der Trägerfrequenz der Satellitenschwingungen, die zur instrumentellen Frequenzinstabilität des Bord-Repeaters und der Erdstation hinzukommt, was den Empfang von Signalen erschwert. Der Doppler-Effekt trägt zu einer nicht kontrollierbaren Frequenzänderung der modulierenden Schwingungen bei. Im Fall der Verwendung von Kommunikations- und Direktfernsehsatelliten im Orbit wird dieses Phänomen praktisch eliminiert, dh es gibt keine Änderungen des Signalpegels am Empfangspunkt.

Einstellung in der Welt zu geostationären Feldern

Die Geburt der Weltraumbahn hat viele Fragen und internationale rechtliche Probleme aufgeworfen. Eine Reihe von Ausschüssen, insbesondere die Vereinten Nationen, befassen sich mit ihnen. Einige am Äquator gelegene Länder erhoben Anspruch auf die Ausweitung ihrer Souveränität auf den Teil des Weltraumfeldes, der sich über ihrem Territorium befindet. Die Staaten haben erklärt, dass die geostationäre Umlaufbahn ein physikalischer Faktor ist, der mit der Existenz des Planeten verbunden ist und vom Gravitationsfeld der Erde abhängt, sodass die Segmente des Feldes eine Erweiterung des Territoriums ihrer Länder darstellen. Aber solche Behauptungen wurden zurückgewiesen, da es in der Welt ein Prinzip der Nichtaneignung gibt Weltraum. Alle Probleme im Zusammenhang mit dem Betrieb von Umlaufbahnen und Satelliten werden auf Weltebene gelöst.

„Der Mensch muss sich über die Erde erheben – in die Atmosphäre und darüber hinaus – denn nur so wird er die Welt, in der er lebt, vollständig verstehen.“

Sokrates machte diese Beobachtung Jahrhunderte, bevor Menschen erfolgreich ein Objekt in die Erdumlaufbahn brachten. Und doch scheint der antike griechische Philosoph erkannt zu haben, wie wertvoll ein Blick aus dem Weltraum sein kann, obwohl er überhaupt nicht wusste, wie er das erreichen sollte.

Diese Vorstellung, wie man ein Objekt „in und aus der Atmosphäre“ bringt, musste warten, bis Isaac Newton 1729 sein berühmtes Kanonenkugel-Gedankenexperiment veröffentlichte. Es sieht in etwa so aus:

„Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Kanone auf einem Berg platziert und horizontal abgefeuert. Die Kanonenkugel bewegt sich eine Weile parallel zur Erdoberfläche, erliegt aber schließlich der Schwerkraft und fällt auf die Erde zurück. Stellen Sie sich nun vor, Sie fügen der Kanone immer wieder Schießpulver hinzu. Bei weiteren Explosionen wandert der Kern immer weiter, bis er fällt. Fügen Sie die richtige Menge Schießpulver hinzu und geben Sie dem Kern die richtige Beschleunigung, und er wird ständig um den Planeten fliegen, immer in ein Gravitationsfeld fallen, aber niemals den Boden erreichen.

Im Oktober 1957 die Sowjetunion bestätigte schließlich Newtons Vermutung durch den Start von Sputnik 1, dem ersten künstlichen Satelliten in der Erdumlaufbahn. Dies initiierte den Weltraumwettlauf und zahlreiche Starts von Objekten, die um die Erde und andere Planeten im Sonnensystem fliegen sollten. Seit dem Start von Sputnik haben einige Länder, hauptsächlich die USA, Russland und China, mehr als 3.000 Satelliten ins All geschossen. Einige dieser künstlichen Objekte, wie die ISS, sind groß. Andere passen perfekt in eine kleine Brust. Dank Satelliten empfangen wir Wettervorhersagen, sehen fern, surfen im Internet und telefonieren. Auch jene Satelliten, deren Arbeit wir nicht fühlen und nicht sehen, leisten dem Militär gute Dienste.

Natürlich hat der Start und Betrieb von Satelliten zu Problemen geführt. Heute, mit mehr als 1.000 betriebsbereiten Satelliten in der Erdumlaufbahn, ist unsere nächstgelegene Weltraumregion geschäftiger geworden als Große Stadt zur Hauptverkehrszeit. Hinzu kommen nicht funktionierende Ausrüstung, verlassene Satelliten, Hardware und Fragmente von Explosionen oder Kollisionen, die den Himmel zusammen mit nützlicher Ausrüstung füllen. Diese orbitalen Trümmer, von denen wir sprechen, haben sich im Laufe der Jahre angesammelt und stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Satelliten dar, die derzeit die Erde umkreisen, sowie für zukünftige bemannte und unbemannte Starts.

In diesem Artikel werden wir in die Eingeweide eines gewöhnlichen Satelliten kriechen und in seine Augen schauen, um Ansichten unseres Planeten zu sehen, von denen Sokrates und Newton nicht einmal träumen konnten. Aber lassen Sie uns zuerst einen genaueren Blick darauf werfen, wie sich der Satellit tatsächlich von anderen Himmelsobjekten unterscheidet.

ist ein beliebiges Objekt, das sich in einer Kurve um den Planeten bewegt. Der Mond ist ein natürlicher Satellit der Erde, und neben der Erde gibt es viele Satelliten, die sozusagen von Menschenhand künstlich hergestellt wurden. Der Weg, dem der Satellit folgt, ist eine Umlaufbahn, die manchmal die Form eines Kreises hat.

Um zu verstehen, warum sich Satelliten auf diese Weise bewegen, müssen wir unseren Freund Newton besuchen. Er schlug vor, dass die Schwerkraft zwischen zwei beliebigen Objekten im Universum besteht. Wenn diese Kraft nicht vorhanden wäre, würden Satelliten, die in der Nähe des Planeten fliegen, ihre Bewegung mit der gleichen Geschwindigkeit und in die gleiche Richtung fortsetzen - in einer geraden Linie. Diese Gerade ist die Trägheitsbahn des Satelliten, die jedoch durch eine starke Gravitationskraft ausgeglichen wird, die auf das Zentrum des Planeten gerichtet ist.

Manchmal sieht die Umlaufbahn eines Satelliten wie eine Ellipse aus, ein abgeflachter Kreis, der um zwei Punkte verläuft, die als Brennpunkte bekannt sind. In diesem Fall gelten alle gleichen Bewegungsgesetze, außer dass sich die Planeten in einem der Fokusse befinden. Als Ergebnis wird die auf den Satelliten ausgeübte Nettokraft nicht gleichmäßig über seinen Weg verteilt, und die Geschwindigkeit des Satelliten ändert sich ständig. Es bewegt sich schnell, wenn es dem Planeten am nächsten ist – am Punkt des Perigäums (nicht zu verwechseln mit dem Perihel), und langsamer, wenn es am weitesten vom Planeten entfernt ist – am Punkt des Apogäums.

Satelliten sind die meisten verschiedene Formen und Größen und führen eine Vielzahl von Aufgaben aus.

• Meteorologische Satelliten helfen Meteorologen, das Wetter vorherzusagen oder zu sehen, was gerade damit passiert. Ein gutes Beispiel ist der Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES). Diese Satelliten enthalten normalerweise Kameras, die das Wetter der Erde anzeigen.
• Kommunikationssatelliten ermöglichen die Weiterleitung von Telefongesprächen über Satellit. Das wichtigste Merkmal eines Kommunikationssatelliten ist der Transponder, ein Funkgerät, das ein Gespräch auf einer Frequenz empfängt, es dann verstärkt und auf einer anderen Frequenz zur Erde zurücksendet. Ein Satellit enthält normalerweise Hunderte oder Tausende von Transpondern. Kommunikationssatelliten sind normalerweise geostationär (dazu später mehr).
• Fernsehsatelliten übertragen Fernsehsignale von einem Punkt zum anderen (ähnlich wie Kommunikationssatelliten).
• Wissenschaftliche Satelliten, wie das einstige Hubble-Weltraumteleskop, führen alle Arten von wissenschaftlichen Missionen durch. Sie beobachten alles von Sonnenflecken bis hin zu Gammastrahlen.
• Navigationssatelliten helfen Flugzeugen beim Fliegen und Schiffen beim Segeln. Prominente Vertreter sind die Satelliten GPS NAVSTAR und GLONASS.
• Rettungssatelliten reagieren auf Notsignale.
• Erdbeobachtungssatelliten bemerken Veränderungen, von der Temperatur bis zu den Eiskappen. Die bekanntesten sind die Landsat-Serie.

Militärsatelliten befinden sich ebenfalls im Orbit, aber ein Großteil ihres Betriebs bleibt ein Rätsel. Sie können verschlüsselte Nachrichten weiterleiten, Atomwaffen überwachen, feindliche Bewegungen überwachen, vor Raketenstarts warnen, Landfunk hören und Radaruntersuchungen und Kartierungen durchführen.

Wann wurden Satelliten erfunden?

Vielleicht hat Newton in seinen Fantasien Satelliten gestartet, aber es hat lange gedauert, bis wir dieses Kunststück tatsächlich vollbracht haben. Einer der ersten Visionäre war der Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke. 1945 schlug Clark vor, einen Satelliten so in die Umlaufbahn zu bringen, dass er sich in die gleiche Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde bewegt. Zur Kommunikation könnten sogenannte geostationäre Satelliten genutzt werden.

Wissenschaftler verstanden Clark nicht - bis zum 4. Oktober 1957. Dann schickte die Sowjetunion Sputnik 1, den ersten künstlichen Satelliten, in die Erdumlaufbahn. „Sputnik“ hatte einen Durchmesser von 58 Zentimetern, wog 83 Kilogramm und hatte die Form einer Kugel. Obwohl es eine bemerkenswerte Leistung war, war der Inhalt von Sputnik nach heutigen Maßstäben mager:

• Thermometer
• Batterie
• Rundfunksender
• Stickstoffgas, das im Inneren des Satelliten unter Druck gesetzt wurde

An der Außenseite des Sputniks sendeten vier Peitschenantennen auf Kurzwellenfrequenzen über und unter dem aktuellen Standard (27 MHz). Ortungsstationen auf der Erde nahmen ein Funksignal auf und bestätigten, dass der winzige Satellit den Start überstanden hatte und sich erfolgreich auf Kurs um unseren Planeten befand. Einen Monat später brachte die Sowjetunion Sputnik 2 in den Orbit. In der Kapsel befand sich die Hündin Laika.

Im Dezember 1957 versuchte er verzweifelt, mit seinen Gegnern weiter mitzuhalten kalter Krieg, versuchten amerikanische Wissenschaftler, den Satelliten zusammen mit dem Planeten Vanguard in die Umlaufbahn zu bringen. Leider stürzte die Rakete ab und brannte in der Startphase nieder. Kurz danach, am 31. Januar 1958, wiederholten die USA den Erfolg der UdSSR, indem sie Wernher von Brauns Plan übernahmen, den Satelliten Explorer-1 mit den USA zu starten. roter Stein. Explorer 1 trug die Instrumente zum Nachweis kosmischer Strahlung und stellte in einem Experiment von James Van Allen von der University of Iowa fest, dass es weit weniger kosmische Strahlung gab als erwartet. Dies führte zur Entdeckung von zwei toroidalen Zonen (die schließlich nach Van Allen benannt wurden), die mit eingeschlossenen geladenen Teilchen gefüllt waren Magnetfeld Erde.

Ermutigt durch diese Erfolge begannen einige Unternehmen in den 1960er Jahren mit der Entwicklung und dem Start von Satelliten. Einer von ihnen war Hughes Aircraft zusammen mit Star-Ingenieur Harold Rosen. Rosen leitete das Team, das Clarkes Idee verwirklichte – einen Kommunikationssatelliten, der so in der Erdumlaufbahn platziert wurde, dass er Funkwellen von einem Ort zum anderen reflektieren konnte. 1961 erteilte die NASA Hughes den Auftrag, eine Reihe von Syncom-Satelliten (Synchronous Communications) zu bauen. Im Juli 1963 sahen Rosen und seine Kollegen, wie Syncom-2 in den Weltraum abhob und in eine grobe geostationäre Umlaufbahn eintrat. Präsident Kennedy nutzte das neue System, um mit dem nigerianischen Premierminister in Afrika zu sprechen. Bald startete Syncom-3, das tatsächlich ein Fernsehsignal senden konnte.

Das Zeitalter der Satelliten hat begonnen.

Was ist der Unterschied zwischen einem Satelliten und Weltraumschrott?

Technisch gesehen ist ein Satellit jedes Objekt, das einen Planeten oder kleineren Himmelskörper umkreist. Astronomen klassifizieren die Monde als natürliche Satelliten, und im Laufe der Jahre haben sie eine Liste mit Hunderten solcher Objekte zusammengestellt, die die Planeten umkreisen und Zwergenplaneten unser Sonnensystem. Zum Beispiel zählten sie 67 Jupitermonde. Und soweit.

Auch von Menschenhand geschaffene Objekte wie Sputnik und Explorer können als Satelliten klassifiziert werden, da sie wie die Monde um den Planeten kreisen. Leider hat die menschliche Aktivität dazu geführt, dass es sich in der Erdumlaufbahn herausstellte große Menge Müll. All diese Teile und Trümmer verhalten sich wie große Raketen – sie kreisen mit hoher Geschwindigkeit auf einer kreisförmigen oder elliptischen Bahn um den Planeten. Bei strenger Auslegung der Definition kann jedes solche Objekt als Satellit definiert werden. Aber Astronomen betrachten in der Regel solche Objekte als Satelliten, die eine nützliche Funktion erfüllen. Metallfragmente und anderer Abfall fallen in die Kategorie orbitaler Trümmer.

Trümmer aus der Umlaufbahn stammen aus vielen Quellen:

• Die Raketenexplosion, die den meisten Schrott produziert.
• Der Astronaut entspannte seinen Arm – wenn ein Astronaut etwas im Weltraum repariert und einen Schraubenschlüssel vermisst, ist dieser Schraubenschlüssel für immer verloren. Der Schlüssel geht in die Umlaufbahn und fliegt mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 km/s. Wenn es eine Person oder einen Satelliten trifft, können die Folgen katastrophal sein. Große Objekte, wie die ISS, sind ein großes Ziel für Weltraumschrott.
• Ausrangierte Gegenstände. Teile von Startcontainern, Kameraobjektivkappen und so weiter.

Die NASA startete einen speziellen Satelliten namens LDEF, um die langfristigen Auswirkungen von Einschlägen von Weltraumschrott zu untersuchen. Über einen Zeitraum von sechs Jahren zeichneten die Instrumente des Satelliten etwa 20.000 Einschläge auf, von denen einige von Mikrometeoriten und andere von Trümmern im Orbit verursacht wurden. NASA-Wissenschaftler analysieren weiterhin LDEF-Daten. Doch in Japan gibt es bereits ein riesiges Netz zum Auffangen von Weltraumschrott.

Was steckt in einem gewöhnlichen Satelliten?

Satelliten gibt es in vielen Formen und Größen und haben eine Vielzahl von Leistungen verschiedene Funktionen, aber sie sind im Grunde alle gleich. Alle von ihnen haben einen Metall- oder Verbundrahmen und eine Karosserie, die englischsprachige Ingenieure einen Bus und Russen eine Weltraumplattform nennen. Die Weltraumplattform bringt alles zusammen und bietet genügend Maßnahmen, um sicherzustellen, dass die Instrumente den Start überleben.

Alle Satelliten haben eine Energiequelle (normalerweise Sonnenkollektoren) und Batterien. Solaranlagen ermöglichen das Aufladen von Batterien. Die neuesten Satelliten Brennstoffzellen umfassen. Satellitenenergie ist sehr teuer und äußerst begrenzt. Kernkraftwerke werden üblicherweise für die Schifffahrt verwendet Raumsonden zu anderen Planeten.

Alle Satelliten verfügen über einen Bordcomputer zur Steuerung und Überwachung verschiedener Systeme. Alle haben ein Radio und eine Antenne. Die meisten Satelliten haben mindestens einen Funksender und einen Funkempfänger, so dass die Bodenmannschaft den Status des Satelliten abfragen und überwachen kann. Viele Satelliten erlauben viele verschiedene Dinge, von der Änderung der Umlaufbahn bis zur Neuprogrammierung des Computersystems.

Wie zu erwarten ist, ist es keine leichte Aufgabe, all diese Systeme zusammenzubringen. Es dauert Jahre. Alles beginnt mit der Definition des Zwecks der Mission. Durch die Bestimmung seiner Parameter können Ingenieure die richtigen Werkzeuge zusammenstellen und einbauen richtige Reihenfolge. Sobald die Spezifikation (und das Budget) genehmigt sind, beginnt die Montage des Satelliten. Es findet in einem Reinraum statt, in einer sterilen Umgebung, die die richtige Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufrechterhält und den Satelliten während der Entwicklung und Montage schützt.

Künstliche Satelliten werden in der Regel auf Bestellung gefertigt. Einige Unternehmen haben modulare Satelliten entwickelt, d. h. Strukturen, die zusammengesetzt werden können, um den Einbau zusätzlicher Elemente gemäß der Spezifikation zu ermöglichen. Beispielsweise hatten die Boeing 601-Satelliten zwei Grundmodule - ein Chassis zum Transport des Antriebssubsystems, der Elektronik und der Batterien; und ein Satz Wabenregale zur Aufbewahrung der Ausrüstung. Diese Modularität ermöglicht es Ingenieuren, Satelliten nicht von Grund auf neu zusammenzubauen, sondern aus einem Rohling.

Wie werden Satelliten in die Umlaufbahn gebracht?

Heute werden alle Satelliten mit einer Rakete in die Umlaufbahn gebracht. Viele transportieren sie in der Frachtabteilung.

Bei den meisten Satellitenstarts wird die Rakete direkt nach oben abgefeuert, wodurch sie die dichte Atmosphäre schneller passieren und den Treibstoffverbrauch minimieren kann. Nachdem die Rakete abhebt, wird der Steuermechanismus der Rakete verwendet Trägheitssystem Anleitung zur Berechnung der notwendigen Einstellungen an der Raketendüse, um die gewünschte Neigung zu erreichen.

Nachdem die Rakete in einer Höhe von etwa 193 Kilometern in die verdünnte Luft eingetreten ist, löst das Navigationssystem kleine Schläge aus, die ausreichen, um die Rakete in eine horizontale Position zu bringen. Danach wird der Satellit freigegeben. Kleine Raketen werden wieder abgefeuert und sorgen für einen Abstandsunterschied zwischen Rakete und Satellit.

Umlaufgeschwindigkeit und Höhe

Die Rakete muss eine Geschwindigkeit von 40.320 Kilometern pro Stunde erreichen, um der Schwerkraft der Erde vollständig zu entkommen und ins All zu fliegen. Die Raumgeschwindigkeit ist viel größer als das, was ein Satellit im Orbit benötigt. Sie entziehen sich nicht der Schwerkraft der Erde, sondern befinden sich in einem Gleichgewichtszustand. Die Umlaufgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um ein Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft und der Trägheitsbewegung des Satelliten aufrechtzuerhalten. Das sind ungefähr 27.359 Kilometer pro Stunde in einer Höhe von 242 Kilometern. Ohne Schwerkraft würde die Trägheit den Satelliten ins All tragen. Selbst mit der Schwerkraft wird ein Satellit, wenn er sich zu schnell bewegt, in den Weltraum geschleudert. Bewegt sich der Satellit zu langsam, zieht ihn die Schwerkraft zurück zur Erde.

Die Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten hängt von seiner Höhe über der Erde ab. Je näher an der Erde, desto höher die Geschwindigkeit. In 200 Kilometern Höhe Umlaufgeschwindigkeit beträgt 27.400 Kilometer pro Stunde. Um eine Umlaufbahn in einer Höhe von 35.786 Kilometern aufrechtzuerhalten, muss sich der Satellit mit einer Geschwindigkeit von 11.300 Stundenkilometern drehen. Diese Umlaufgeschwindigkeit ermöglicht es dem Satelliten, alle 24 Stunden einen Durchgang zu machen. Da sich auch die Erde 24 Stunden dreht, befindet sich der Satellit in einer Höhe von 35.786 Kilometern relativ zur Erdoberfläche in einer festen Position. Diese Position wird als geostationär bezeichnet. Die geostationäre Umlaufbahn ist ideal für Wetter- und Kommunikationssatelliten.

Im Allgemeinen gilt: Je höher die Umlaufbahn, desto länger kann der Satellit darin bleiben. In geringer Höhe befindet sich der Satellit in der Erdatmosphäre, was einen Luftwiderstand erzeugt. Auf der Hohe Höhe es gibt praktisch keinen Widerstand, und ein Satellit kann sich wie der Mond jahrhundertelang im Orbit befinden.

Satellitentypen

Auf dem Boden sehen alle Satelliten gleich aus – glänzende Kästen oder Zylinder, die mit Flügeln von Solarpanels geschmückt sind. Doch im Weltraum verhalten sich diese klobigen Maschinen je nach Flugbahn, Höhe und Ausrichtung ganz unterschiedlich. Dadurch wird die Klassifizierung von Satelliten zu einer komplexen Angelegenheit. Ein Ansatz besteht darin, die Umlaufbahn des Fahrzeugs relativ zum Planeten (normalerweise der Erde) zu bestimmen. Denken Sie daran, dass es zwei Hauptbahnen gibt: kreisförmig und elliptisch. Einige Satelliten starten in einer Ellipse und gehen dann in eine kreisförmige Umlaufbahn. Andere bewegen sich auf einer elliptischen Bahn, die als „Blitz“-Umlaufbahn bekannt ist. Diese Objekte kreisen normalerweise von Nord nach Süd über die Pole der Erde und absolvieren eine vollständige Umlaufbahn in 12 Stunden.

Auch polarumlaufende Satelliten passieren bei jeder Umdrehung die Pole, obwohl ihre Umlaufbahnen weniger elliptisch sind. Polare Umlaufbahnen bleiben im Raum fixiert, während sich die Erde dreht. Infolgedessen passiert der größte Teil der Erde in der polaren Umlaufbahn unter dem Satelliten. Da polare Umlaufbahnen den Planeten hervorragend abdecken, werden sie für die Kartierung und Fotografie verwendet. Prognostiker verlassen sich auch auf ein globales Netzwerk von Polarsatelliten, die unseren Globus in 12 Stunden umrunden.

Sie können Satelliten auch nach ihrer Höhe über sich klassifizieren Erdoberfläche. Basierend auf diesem Schema gibt es drei Kategorien:

• Low Earth Orbit (LEO) – LEO-Satelliten besetzen eine Region des Weltraums von 180 bis 2000 Kilometer über der Erde. Satelliten, die sich nahe an der Erdoberfläche bewegen, sind ideal für Beobachtungs-, Militär- und Wetterinformationszwecke.
• Mittlere Erdumlaufbahn (MEO) - Diese Satelliten fliegen zwischen 2.000 und 36.000 km über der Erde. GPS-Navigationssatelliten funktionieren in dieser Höhe gut. Die ungefähre Umlaufgeschwindigkeit beträgt 13.900 km/h.
• Geostationäre (geosynchrone) Umlaufbahn - Geostationäre Satelliten bewegen sich in einer Höhe von mehr als 36.000 km und mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit wie der Planet um die Erde. Daher sind Satelliten in dieser Umlaufbahn immer am selben Ort auf der Erde positioniert. Viele geostationäre Satelliten fliegen entlang des Äquators, was in dieser Region des Weltraums zu vielen „Verkehrsstaus“ geführt hat. Mehrere hundert Fernseh-, Kommunikations- und Wettersatelliten nutzen die geostationäre Umlaufbahn.

Schließlich kann man sich Satelliten im Sinne dessen vorstellen, wo sie "suchen". Die meisten Objekte, die in den letzten Jahrzehnten ins All geschickt wurden, blicken auf die Erde. Diese Satelliten verfügen über Kameras und Ausrüstung, die unsere Welt in verschiedenen Lichtwellenlängen sehen können, sodass wir ein atemberaubendes Spektakel in den ultravioletten und infraroten Tönen unseres Planeten genießen können. Weniger Satelliten wenden ihre Augen dem Weltraum zu, wo sie Sterne, Planeten und Galaxien beobachten und nach Objekten wie Asteroiden und Kometen suchen, die mit der Erde kollidieren könnten.

Bekannte Satelliten

Bis vor kurzem blieben Satelliten exotische und streng geheime Geräte, die hauptsächlich für militärische Zwecke zur Navigation und Spionage eingesetzt wurden. Jetzt sind sie ein fester Bestandteil unserer geworden Alltagsleben. Dank ihnen werden wir die Wettervorhersage kennen (obwohl Wettervorhersagen, oh, wie oft sie sich irren). Wir sehen fern und arbeiten auch dank Satelliten mit dem Internet. GPS in unseren Autos und Smartphones ermöglicht es uns, an den richtigen Ort zu gelangen. Lohnt es sich, über den unschätzbaren Beitrag des Hubble-Teleskops und die Arbeit der Astronauten auf der ISS zu sprechen?

Es gibt jedoch echte Helden der Umlaufbahn. Lernen wir sie kennen.

1. Landsat-Satelliten fotografieren die Erde seit Anfang der 1970er Jahre und sind Weltmeister in Sachen Beobachtung der Erdoberfläche. Landsat-1, damals bekannt als ERTS (Earth Resources Technology Satellite), wurde am 23. Juli 1972 gestartet. Es trug zwei Hauptinstrumente: eine Kamera und einen multispektralen Scanner, der von der Hughes Aircraft Company gebaut wurde und Daten in grünen, roten und zwei infraroten Spektren aufzeichnen konnte. Der Satellit machte so wunderschöne Bilder und galt als so erfolgreich, dass ihm eine ganze Serie folgte. Die NASA startete den letzten Landsat-8 im Februar 2013. Dieses Fahrzeug flog zwei Erdbeobachtungssensoren, Operational Land Imager und Thermal Infrared Sensor, und sammelte multispektrale Bilder von Küstenregionen. Polareis, Inseln und Kontinente.
2. Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES) umkreisen die Erde in einer geostationären Umlaufbahn, wobei jeder für einen festen Teil der Erde zuständig ist. Auf diese Weise können Satelliten die Atmosphäre genau überwachen und Änderungen in Wettermustern erkennen, die zu Tornados, Hurrikanen, Überschwemmungen und Gewittern führen können. Satelliten werden auch verwendet, um die Niederschlagsmenge und die Schneeansammlung abzuschätzen, den Grad der Schneebedeckung zu messen und die Bewegung von Meer- und Seeeis zu verfolgen. Seit 1974 wurden 15 GOES-Satelliten in die Umlaufbahn gebracht, aber nur zwei GOES West- und GOES East-Satelliten überwachen gleichzeitig das Wetter.
3. Jason-1 und Jason-2 haben eine Schlüsselrolle bei der Langzeitanalyse der Ozeane der Erde gespielt. Die NASA startete Jason-1 im Dezember 2001, um den NASA/CNES Topex/Poseidon-Satelliten zu ersetzen, der seit 1992 die Erde umkreiste. Jason-1 hat fast dreizehn Jahre lang Meeresspiegel, Windgeschwindigkeiten und Wellenhöhen in mehr als 95 % der eisfreien Ozeane der Erde gemessen. Die NASA hat Jason-1 am 3. Juli 2013 offiziell ausgemustert. Jason 2 ist 2008 in den Orbit eingetreten. Es trug Präzisionsinstrumente, um die Entfernung vom Satelliten zur Meeresoberfläche mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern zu messen. Diese Daten sind nicht nur für Ozeanographen wertvoll, sondern bieten auch einen umfassenden Einblick in das Verhalten der globalen Klimamuster.

Was kosten Satelliten?

Nach Sputnik und Explorer sind Satelliten größer und komplexer geworden. Nehmen Sie zum Beispiel TerreStar-1, einen kommerziellen Satelliten, der mobile Datenübertragung ermöglichen sollte Nordamerika für Smartphones und ähnliche Geräte. Der 2009 gestartete TerreStar-1 wog 6910 Kilogramm. Und wenn es vollständig entfaltet wurde, enthüllte es eine 18-Meter-Antenne und massive Solaranlagen mit einer Flügelspannweite von 32 Metern.

Der Bau einer so komplexen Maschine erfordert viele Ressourcen, sodass historisch gesehen nur Regierungsbehörden und Unternehmen mit großen Taschen in das Satellitengeschäft einsteigen konnten. Der größte Teil der Kosten eines Satelliten liegt in der Ausrüstung – Transponder, Computer und Kameras. Ein typischer Wettersatellit kostet etwa 290 Millionen Dollar. Der Spionagesatellit wird 100 Millionen Dollar mehr kosten. Hinzu kommen die Kosten für Wartung und Reparatur von Satelliten. Unternehmen müssen für Satellitenbandbreite genauso bezahlen wie Telefonbesitzer für Mobilfunk. Es kostet manchmal mehr als 1,5 Millionen Dollar pro Jahr.

Ein weiterer wichtiger Faktor sind die Anlaufkosten. Der Start eines einzelnen Satelliten in den Weltraum kann je nach Fahrzeug zwischen 10 und 400 Millionen US-Dollar kosten. Die Pegasus XL-Rakete kann für 13,5 Millionen US-Dollar 443 Kilogramm in eine erdnahe Umlaufbahn heben. Der Start eines schweren Satelliten erfordert mehr Auftrieb. Eine Ariane 5G-Rakete kann einen 18.000 Kilogramm schweren Satelliten für 165 Millionen Dollar in eine niedrige Umlaufbahn bringen.

Trotz der Kosten und Risiken, die mit dem Bau, dem Start und dem Betrieb von Satelliten verbunden sind, ist es einigen Unternehmen gelungen, ganze Unternehmen darauf aufzubauen. Boeing zum Beispiel. Im Jahr 2012 lieferte das Unternehmen etwa 10 Satelliten in den Weltraum und erhielt Aufträge für mehr als sieben Jahre, was einem Umsatz von fast 32 Milliarden US-Dollar entspricht.

Die Zukunft der Satelliten

Fast fünfzig Jahre nach dem Start von Sputnik wachsen und werden die Satelliten ebenso wie die Budgets immer stärker. Die USA zum Beispiel haben seit Beginn des militärischen Satellitenprogramms fast 200 Milliarden Dollar ausgegeben und haben jetzt trotz alledem eine Flotte veralteter Fahrzeuge, die darauf warten, ersetzt zu werden. Viele Experten befürchten, dass Bau und Stationierung von Großsatelliten mit Steuergeldern einfach nicht zu finanzieren sind. Die Lösung, die alles auf den Kopf stellen könnte, bleiben private Unternehmen wie SpaceX und andere, die eindeutig nicht in bürokratische Stagnation geraten, wie NASA, NRO und NOAA.

Eine andere Lösung besteht darin, die Größe und Komplexität der Satelliten zu reduzieren. Wissenschaftler des Caltech und der Stanford University arbeiten seit 1999 an einem neuartigen CubeSat-Satelliten, der auf Bausteinen mit einer Kantenlänge von 10 Zentimetern basiert. Jeder Cube enthält vorgefertigte Komponenten und kann mit anderen Cubes kombiniert werden, um die Effizienz zu steigern und den Arbeitsaufwand zu reduzieren. Durch die Standardisierung von Designs und die Reduzierung der Kosten für den Bau jedes einzelnen Satelliten von Grund auf kann ein einzelner CubeSat nur 100.000 US-Dollar kosten.

Im April 2013 beschloss die NASA, dieses einfache Prinzip und drei CubeSats auf Basis kommerzieller Smartphones zu testen. Ziel war es, Mikrosatelliten in die Umlaufbahn zu bringen eine kurze Zeit und machen Sie ein paar Fotos mit Ihren Handys. Die Agentur plant nun, ein umfangreiches Netzwerk solcher Satelliten einzusetzen.

Ob groß oder klein, die Satelliten der Zukunft müssen in der Lage sein, effektiv mit Bodenstationen zu kommunizieren. In der Vergangenheit hat sich die NASA auf die HF-Kommunikation verlassen, aber die HF hat ihre Grenzen erreicht, da die Nachfrage nach mehr Leistung gestiegen ist. Um diese Hürde zu überwinden, entwickeln NASA-Wissenschaftler ein bidirektionales Kommunikationssystem, das auf Lasern statt auf Funkwellen basiert. Am 18. Oktober 2013 starteten Wissenschaftler erstmals einen Laserstrahl zur Übertragung von Daten vom Mond zur Erde (in einer Entfernung von 384.633 Kilometern) und erhielten eine Rekordübertragungsrate von 622 Megabit pro Sekunde.

Es mag den Anschein haben, dass Satelliten in der Erdumlaufbahn das Einfachste, Vertrauteste und Liebste auf dieser Welt sind. Immerhin hängt der Mond seit mehr als vier Milliarden Jahren am Himmel und es gibt nichts Übernatürliches in seinen Bewegungen. Aber wenn wir selbst Satelliten in die Erdumlaufbahn bringen, bleiben sie dort nur wenige oder Jahrzehnte, treten dann wieder in die Atmosphäre ein und verglühen oder stürzen ins Meer und auf die Erde.

Wenn Sie sich außerdem natürliche Satelliten auf anderen Planeten ansehen, halten sie alle viel länger als die von Menschenhand geschaffenen Satelliten, die die Erde umkreisen. International Raumstation(ISS) zum Beispiel dreht sich alle 90 Minuten um die Erde, unser Mond braucht dafür etwa einen Monat. Selbst planetennahe Satelliten – wie Jupiters Io, dessen Gezeitenkräfte die Welt erwärmen und mit Vulkankatastrophen auseinanderreißen – sind stabil auf ihren Bahnen.

Es wird erwartet, dass Io für den Rest der Lebensdauer des Sonnensystems in Jupiters Umlaufbahn bleibt, aber die ISS wird, wenn nichts unternommen wird, weniger als 20 Jahre in ihrer Umlaufbahn bleiben. Dasselbe Schicksal gilt für praktisch alle Satelliten im erdnahen Orbit: Bis zum Beginn des nächsten Jahrhunderts werden fast alle heutigen Satelliten in die Erdatmosphäre eingedrungen und verglüht sein. Die größten (wie die ISS mit ihren 431 Tonnen Gewicht) werden in Form von großen Trümmern auf Land und ins Wasser fallen.

Warum passiert es? Warum kümmern sich diese Satelliten nicht um die Gesetze von Einstein, Newton und Kepler und warum wollen sie nicht immer eine stabile Umlaufbahn aufrechterhalten? Es stellt sich heraus, dass es eine Reihe von Faktoren gibt, die diese orbitalen Turbulenzen verursachen.

Dies ist vielleicht der wichtigste Effekt und auch der Grund, warum Satelliten im erdnahen Orbit instabil sind. Andere Satelliten - wie geostationäre Satelliten- auch aus dem Orbit gehen, aber nicht so schnell. Wir sind gewohnt, alles als „Raum“ zu betrachten, was über 100 Kilometer liegt: über der Karman-Linie. Aber jede Definition der Grenze des Weltraums, wo der Weltraum beginnt und die Atmosphäre des Planeten endet, wäre weit hergeholt. In Wirklichkeit erstrecken sich die Teilchen der Atmosphäre weit und hoch, nur dass ihre Dichte immer kleiner wird. Schließlich sinkt die Dichte - unter ein Mikrogramm pro Kubikzentimeter, dann ein Nanogramm, dann ein Pikogramm – und dann können wir es immer selbstbewusster Raum nennen. Aber atmosphärische Atome können Tausende Kilometer entfernt vorhanden sein, und wenn Satelliten mit diesen Atomen kollidieren, verlieren sie an Schwung und werden langsamer. Daher sind Satelliten im erdnahen Orbit instabil.

Teilchen des Sonnenwindes

Die Sonne sendet ständig einen Strom hochenergetischer Teilchen aus, hauptsächlich Protonen, aber es gibt auch Elektronen und Heliumkerne, die mit allem kollidieren, was ihnen begegnet. Diese Kollisionen wiederum verändern den Impuls der Satelliten, mit denen sie kollidieren, und bremsen sie allmählich ab. Nach genügend Zeit beginnen auch die Bahnen zusammenzubrechen. Und obwohl dies nicht der Hauptgrund für das Deorbit von Satelliten zu LEO ist, hat es für weiter entfernte Satelliten mehr Bedeutung, je näher sie kommen, und damit steigt der atmosphärische Widerstand.

Das unvollkommene Gravitationsfeld der Erde

Wenn die Erde keine Atmosphäre wie Merkur oder Mond hätte, könnten unsere Satelliten dann für immer im Orbit bleiben? Nein, auch nicht, wenn wir den Sonnenwind entfernt hätten. Denn die Erde ist – wie alle Planeten – keine Punktmasse, sondern ein Gebilde mit einer Nichtpermanenz Schwerkraftfeld. Dieses Feld und Änderungen, wenn die Satelliten den Planeten umkreisen, führen zu Gezeitenkräften, die auf sie einwirken. Und je näher der Satellit an der Erde ist, desto größer ist die Wirkung dieser Kräfte.

Gravitationseinfluss des restlichen Sonnensystems

Offensichtlich ist die Erde kein vollständig isoliertes System, in dem die einzige Gravitationskraft, die auf die Satelliten einwirkt, auf der Erde selbst entsteht. Nein, der Mond, die Sonne und all die anderen Planeten, Kometen, Asteroiden und mehr tragen in Form von Gravitationskräften bei, die die Umlaufbahnen auseinander drücken. Selbst wenn die Erde ein perfekter Punkt wäre – sagen wir, in ein nicht rotierendes Schwarzes Loch komprimiert – ohne Atmosphäre und die Satelliten zu 100 % vom Sonnenwind abgeschirmt wären, würden diese Satelliten allmählich beginnen, sich spiralförmig in den Mittelpunkt der Erde zu drehen. Sie wären länger im Orbit geblieben, als es die Sonne selbst gegeben hätte, aber auch dieses System wäre nicht vollkommen stabil; die Umlaufbahnen der Satelliten würden schließlich gestört werden.

Relativistische Effekte

Die Newtonschen Gesetze – und die Keplerschen Bahnen – sind nicht das einzige, was die Bewegung regelt Himmelskörper. Dieselbe Kraft, die bewirkt, dass die Umlaufbahn von Merkur um zusätzliche 43 Zoll pro Jahrhundert präzediert, bewirkt, dass Umlaufbahnen durch Gravitationswellen gestört werden. Die Rate dieser Unterbrechung ist unglaublich langsam für schwache Gravitationsfelder (wie die, die wir im Sonnensystem gefunden haben) und für lange Distanzen: Es wird 10.150 Jahre dauern, bis sich die Erde spiralförmig in Richtung Sonne bewegt, und der Grad der Störung der Umlaufbahnen erdnaher Satelliten ist hunderttausendmal geringer. Aber diese Kraft ist vorhanden und eine unvermeidliche Folge Allgemeine Theorie Relativitätstheorie, die sich effektiv auf den näheren Satelliten des Planeten manifestiert.

All dies wirkt sich nicht nur auf die von uns geschaffenen Satelliten aus, sondern auch auf die natürlichen Satelliten, die wir finden, die andere Welten umkreisen. Der dem Mars am nächsten gelegene Mond, Phobos, zum Beispiel, ist dazu verdammt, von den Gezeitenkräften auseinandergerissen zu werden und spiralförmig in die Atmosphäre des Roten Planeten abzusinken. Obwohl die Atmosphäre nur 1/140 der Erde entspricht, ist die Atmosphäre des Mars groß und diffus, und außerdem hat der Mars keinen Schutz vor dem Sonnenwind (anders als die Erde mit ihrem Magnetfeld). Daher ist Phobos nach zig Millionen Jahren alles. Es mag den Anschein haben, dass dies nicht so bald geschehen wird, aber in weniger als 1 % der Fälle hat das Sonnensystem bereits existiert.

Aber der nächste Satellit von Jupiter ist nicht Io: Es ist Metis, der Mythologie zufolge, die erste Frau von Zeus. Näher an Io befinden sich vier kleine Satelliten, von denen Metis am nächsten ist - nur 0,8 Jupiterradien von der Atmosphäre des Planeten entfernt. Im Fall von Jupiter sind es nicht atmosphärische Kräfte oder der Sonnenwind, die für die Unterbrechung der Umlaufbahnen verantwortlich sind; Mit einer halben Umlaufbahn von 128.000 Kilometern erfährt Metis gewaltige Gezeitenkräfte, die für den spiralförmigen Abstieg dieses Mondes in Richtung Jupiter verantwortlich sind.

Als Beispiel dafür, was passiert, wenn starke Gezeitenkräfte überwiegen, kann der Komet Shoemaker-Levy 9 und sein Einschlag auf Jupiter im Jahr 1994 erwähnt werden, nachdem er von den Gezeitenkräften vollständig auseinandergerissen wurde. Das ist das Schicksal aller Satelliten, die spiralförmig auf ihre Heimatwelt zusteuern.

Die Kombination all dieser Faktoren macht jeden Satelliten grundlegend instabil. Bei ausreichender Zeit und dem Fehlen anderer stabilisierender Effekte werden absolut alle Umlaufbahnen verletzt. Schließlich sind alle Umlaufbahnen instabil, aber einige sind instabiler als andere.

Um einen Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, muss ihm eine Anfangsgeschwindigkeit gegeben werden, die gleich der ersten Raumgeschwindigkeit oder etwas höher als diese ist. Dies geschieht nicht sofort, sondern nach und nach. Eine mehrstufige satellitentragende Rakete nimmt langsam Fahrt auf. Wenn die Fluggeschwindigkeit den berechneten Wert erreicht, wird der Satellit von der Rakete getrennt und beginnt seine freie Bewegung im Orbit. Die Form der Umlaufbahn hängt von der ihr gegebenen Anfangsgeschwindigkeit und ihrer Richtung ab: ihren Abmessungen und ihrer Exzentrizität.

Wenn es keinen Widerstand der Umgebung und die störende Anziehungskraft von Mond und Sonne gäbe und die Erde eine Kugelform hätte, würde sich die Umlaufbahn des Satelliten nicht ändern und der Satellit selbst würde sich ewig darauf bewegen. In Wirklichkeit ändert sich jedoch die Umlaufbahn jedes Satelliten unter dem Einfluss verschiedener Gründe.

Die Hauptkraft, die die Umlaufbahn des Satelliten verändert, ist die Verzögerung, die sich aus dem Widerstand des verdünnten Mediums ergibt, durch das der Satellit fliegt. Mal sehen, wie sich das auf seine Bewegung auswirkt. Da die Umlaufbahn eines Satelliten in der Regel elliptisch ist, ändert sich seine Entfernung zur Erde periodisch. Sie nimmt zum Perigäum hin ab und erreicht am Apogäum ihre maximale Entfernung. Die Dichte der Erdatmosphäre nimmt mit zunehmender Höhe rapide ab, weshalb der Satellit in der Nähe des Perigäums auf den größten Widerstand trifft. Nachdem er einen Teil der kinetischen Energie aufgewendet hat, um diesen, wenn auch geringen, Widerstand zu überwinden, kann der Satellit nicht mehr auf seine vorherige Höhe steigen, und sein Apogäum nimmt allmählich ab. Die Abnahme des Perigäums tritt ebenfalls auf, aber viel langsamer als die Abnahme des Apogäums. Somit nehmen die Abmessungen der Umlaufbahn und ihre Exzentrizität allmählich ab: elliptische Umlaufbahn nähert sich einem Kreis. Der Satellit bewegt sich in einer sich langsam windenden Spirale um die Erde und beendet schließlich seine Existenz in den dichten Schichten der Erdatmosphäre, wo er sich erwärmt und wie ein Meteoroid verdunstet. Bei großen Größen kann es die Erdoberfläche erreichen.

Es ist interessant festzustellen, dass die Verzögerung des Satelliten seine Geschwindigkeit nicht verringert, sondern im Gegenteil erhöht. Machen wir ein paar einfache Berechnungen.

Aus Keplers drittem Gesetz folgt das

wobei C eine Konstante ist, M die Masse der Erde ist, m die Masse des Satelliten ist, P die Periode seiner Umdrehung ist und a die große Halbachse der Umlaufbahn ist. Vernachlässigung

durch die Masse des Satelliten im Vergleich zur Masse der Erde erhalten wir

Nehmen wir zur Vereinfachung der Berechnungen die Umlaufbahn des Satelliten als kreisförmig an. Bei einer konstanten Geschwindigkeit υ durchläuft der Satellit während einer vollständigen Umdrehung die Strecke υ Р = 2 πа auf der Umlaufbahn, woraus Р = 2πa/υ folgt. Setzen wir diesen Wert von P in Formel (9.1) ein und führen Transformationen durch, finden wir

Mit abnehmender Größe der Umlaufbahn a nimmt also die Geschwindigkeit des Satelliten v zu: Die kinetische Energie des Satelliten nimmt aufgrund der schnellen Abnahme der potentiellen Energie zu.

Die zweite Kraft, die die Form der Umlaufbahn des Satelliten verändert, ist der Druck der Sonnenstrahlung, also Licht- und Korpuskularströme (Sonnenwind). Bei kleinen Satelliten wirkt sich diese Kraft praktisch nicht aus, aber bei Satelliten wie Pageos ist sie sehr bedeutsam. Beim Start hatte Pageos eine kreisförmige Umlaufbahn und wurde zwei Jahre später zu einer sehr langgestreckten Ellipse.

Die Bewegung des Satelliten wird auch durch das Erdmagnetfeld beeinflusst, da der Satellit etwas erfassen kann elektrische Ladung und wenn es sich in einem Magnetfeld bewegt, sollten Änderungen in der Flugbahn auftreten.

All diese Kräfte sind jedoch beunruhigend. Die Hauptkraft, die den Satelliten auf seiner Umlaufbahn hält, ist die Schwerkraft. Und hier treffen wir auf einige Features. Das wissen wir daher axiale Drehung die Figur der Erde von einer Kugelform abweicht und die Schwerkraft der Erde nicht exakt auf den Erdmittelpunkt gerichtet ist. Dies betrifft keine sehr weit entfernten Objekte, aber ein erdnaher Satellit reagiert auf das Vorhandensein von „äquatorialen Ausbuchtungen“ in der Nähe der Erde. Die Ebene seiner Umlaufbahn dreht sich langsam, aber recht regelmäßig um die Rotationsachse der Erde. Dieses Phänomen ist aus Beobachtungen, die über einen Zeitraum von einer Woche gemacht wurden, deutlich sichtbar. All diese Änderungen der Umlaufbahnen sind von großem wissenschaftlichem Interesse, und daher werden systematische Beobachtungen der Bewegung künstlicher Satelliten durchgeführt.