Satellit: Bewegung durch die Schwerkraft

Satellit: Bewegung durch die Schwerkraft

 

Satelliten sind unbemannte Raumflugkörper, die sich auf einer festen Umlaufbahn (Orbit) um die Erde bewegen. Wissenschaftliche Satelliten dienen der Erforschung der unmittelbaren Erdumgebung, z. B. der hohen Atmosphäre (ab ca. 200 km), des Erdmagnetfeldes, des Solarwindes, aber auch des Weltalls aus einer Erdumlaufbahn heraus, z. B. mit dem Hubble-Teleskop. Anwendungssatelliten werden für die Wetterbeobachtung, Navigation und Kommunikation (Übermittlung von Telefongesprächen, Fernsehübertragungen usw.) eingesetzt.

 

 Umlaufbahnen

 

Jeder Körper, der die Erde unter dem Einfluss der Schwerkraft umkreist, bewegt sich auf einer elliptischen Bahn, die nur von der Geschwindigkeit und dem Startwinkel abhängt. Der erdnächste Bahnpunkt heißt Perigäum, der am weitesten entfernte Apogäum. Die Bahnneigung wird durch den Winkel (Inklination) angegeben, den die Bahnebene mit der Äquatorialebene bildet. Bei einer Inklination von 0 º spricht man von einer äquatorialen Bahn, bei 90 º von einer Polarbahn. Inklination und Startort eines Satelliten hängen eng zusammen. Polare Bahnen können von jedem beliebigen Startort aus erreicht werden. Für Bahnen mit einer Inklination kleiner 90 º gilt, dass die Inklination, falls nach dem Start keine Bahnkorrekturen vorgenommen werden, nie kleiner als der Breitengrad des Abschussortes wird. Für äquatoriale oder schwach geneigte Bahnen ist deshalb ein Startplatz nahe dem Äquator günstig. Außerdem ist es bei diesen Bahnen vorteilhaft, Satelliten in östliche Richtung zu starten. Man erhält so die Erdrotationsgeschwindigkeit des Startplatzes als zusätzliche Satellitengeschwindigkeit »geschenkt«. Die Rotationsgeschwindigkeit ist am Äquator am größten (463 m/s) und nimmt zu den Polen hin ab.

 

Eine besonders wichtige Bahn ist die äquatoriale Kreisbahn in ca. 35800 km Höhe, die »geostationäre Bahn«. Auf ihr ist die Umlaufzeit eines Satelliten gleich der Dauer einer Erdumdrehung. Dies bedeutet, dass der Satellit für einen irdischen Beobachter am Himmel fixiert ist. Vorteile einer solchen Umlaufbahn sind, dass z. B. Kommunikationssatelliten 24 Stunden für ein festes Gebiet zur Verfügung stehen und Empfänger und Sender von Telefongesprächen oder Fernsehprogrammen fest ausgerichtet werden können und nicht nachgeführt werden müssen. Geostationäre Satelliten werden nicht direkt auf ihre Umlaufbahn gebracht. Bei z. B. einem Start vom Startplatz Kourou aus gelangt der Satellit zunächst auf eine Transferbahn, eine stark elliptische Bahn mit einem Perigäum von 200 km und einem Apogäum von ca. 35800 km. Im Apogäum wird ein Zusatztriebwerk (Apogäumstriebwerk) gezündet, wodurch die elliptische Bahn zu einer geostationären Kreisbahn aufgeweitet und die startplatzbedingte Anfangsinklination eliminiert wird.

 

 Satellitenaufbau

 

Die Grundbestandteile eines Satelliten sind die Systeme zur Energieversorgung, für die Kommunikation und die Lageregelung. Das Energieversorgungssystem besteht in der Regel aus Solarzellen und aufladbaren Batterien. Die Batterien sind notwendig, um die Energieversorgung aufrechtzuerhalten, wenn die Sonne von der Erde verdeckt wird. Die Antennen dienen dazu, die Telekommunikations- oder Fernsehsignale zu empfangen und weiterzuleiten oder, im Fall von Beobachtungssatelliten, gemessene Daten zur Erde zu senden. Eine weitere wichtige Aufgabe der Antennenanlage ist es, Daten über Zustand (Temperatur, Stromversorgung usw.) und Position des Satelliten (Telemetrie) zu übermitteln und Kommandosignale zu empfangen. Aufgrund der Einwirkung von Störkräften, wie z. B. des Gravitationsfeldes der Sonne oder des Mondes, würde ein Satellit mit der Zeit seinen Orbit und seine Ausrichtung verändern. Deshalb ist ein System zur Lagestabilisierung und Lageregelung notwendig. Die meisten geostationären Satelliten besitzen eine Dreiachsenstabilisierung (zum Erdmittelpunkt hin, senkrecht zur Äquatorebene und in Bahnrichtung), die auf der stabilisierenden Wirkung eines oder mehrerer schnell rotierender Schwungräder bzw. Kreisel beruht. Zur Lageregelung dienen Steuerdüsen, welche an der Außenseite des Satellitengehäuses angebracht sind. Die notwendige Treibstoffmenge begrenzt die maximale Lebensdauer eines Satelliten auf ca. 10 Jahre.

 

Moderne Satelliten wie der Fernsehsatellit TV-Sat sind modular aufgebaut. Sie bestehen aus vier Modulen: Antriebsmodul mit Treibstofftanks, Steuerdüsen und Apogäumstriebwerk, Servicemodul mit Kommando- und Kontrollsystem, Batterien, Stabilisierungsschwungrad und Stromverteilungssystem, Kommunikationsmodul zur Verstärkung und Konvertierung (Umwandlung) von Fernsehsignalen und Antennenmodul mit Antennenturm und parabolischen Reflektoren. Das Antennenmodul muss immer auf die Erde ausgerichtet sein. Der modulare Aufbau ermöglicht es, auf spezielle Anforderungen einzugehen.