Beginnen Sie mit dem freien Fall
Freier Fall bedeutet, sich unter der Wirkung der Schwerkraft zu bewegen, ohne dass eine Unterlage einen trägt. Ein Satellit auf einer idealen Umlaufbahn fällt ständig. Seine seitliche Bewegung trägt ihn so weit, dass die gekrümmte Erdoberfläche unter seiner Bahn wegfällt. Diese Beschreibung ist eine physikalische Erklärung, keine Behauptung, dass die Schwerkraft in großer Höhe verschwindet.
Ein hilfreiches Gedankenexperiment ist, von einem sehr hohen Berg aus einen Ball immer schneller zu werfen. Die Analogie lässt die Atmosphäre außer Acht und geht von einer vereinfachten Erde aus. Ihr Zweck ist es zu zeigen, wie die seitliche Geschwindigkeit die Bahn eines fallenden Objekts verändert. Echte Starts müssen außerdem Luftwiderstand, strukturelle Grenzen bewältigen und berücksichtigen, dass es einen solchen Berg nicht gibt.
Die Masse eines Raumfahrzeugs bestimmt nicht seine ideale Umlaufzeit um die Erde. Bei gegebener Position und Geschwindigkeit folgen ein kleiner und ein großer Satellit, von anderen Kräften abgesehen, derselben Gravitationsbahn. Ihre Reaktionen auf Luftwiderstand oder Antrieb können jedoch sehr unterschiedlich ausfallen.
Was die Beschreibung der Umlaufbahn verrät
Höhe
Höhe über einer Bezugsfläche. Bei einer elliptischen Umlaufbahn ändert sich die Höhe ständig; Ingenieure unterscheiden den tiefsten Punkt, das Perigäum, vom höchsten, dem Apogäum.
Bahnneigung
Der Winkel zwischen der Bahnebene und der Äquatorebene der Erde. Er hilft zu bestimmen, über welche Breitengrade das Raumfahrzeug fliegen kann.
Umlaufzeit
Die Zeit für einen Umlauf. Bei einer idealen kreisförmigen Erdumlaufbahn bedeutet ein größerer Bahnradius eine längere Umlaufzeit und eine geringere Bahngeschwindigkeit.
Diese Parameter hängen zusammen. Sie können nicht beliebige Höhe, Geschwindigkeit und Umlaufzeit unabhängig voneinander festlegen. Sie müssen eine physikalisch mögliche Flugbahn beschreiben. Betriebsvorhersagen berücksichtigen außerdem das ungleichmäßige Schwerefeld der Erde, atmosphärische Effekte und den Einfluss anderer Himmelskörper.
Wählen Sie den Blickwinkel, dann rechnen Sie die Kosten durch
Eine erdnahe Umlaufbahn eignet sich für detaillierte Beobachtungen, weil der Sensor relativ nah am Boden ist. Der Kompromiss liegt in der Bewegung: Ein Raumfahrzeug überfliegt einen Ort, statt darüber zu schweben. Bodenkontakte sind begrenzt, und die Erde dreht sich unter den aufeinanderfolgenden Bahnspuren weg. Eine Mission muss planen, wann sie Daten erfassen und wann sie diese zur Erde senden kann.
Ein geostationärer Satellit folgt einer kreisförmigen, äquatorialen, prograden Umlaufbahn mit einer Umlaufzeit, die der siderischen Erdrotation entspricht. Für einen Beobachter am Boden erscheint er am Himmel nahezu fest. Das ist wertvoll für kontinuierliche regionale Kommunikation und Wetterbeobachtung. Er steht jedoch nicht über den Polen, und seine große Entfernung führt zu anderen Anforderungen an Antenne, Auflösung und Signalverzögerung.
Eine sonnensynchrone Umlaufbahn nutzt eine sorgfältig gewählte Neigung und Höhe, sodass die Bahnebene mit einer nutzbaren Rate präzediert. Viele Erdbeobachtungsmissionen nutzen dies, um beim Überflug eine ähnliche lokale Sonnenzeit beizubehalten. Das bedeutet nicht, dass der Satellit über einem Ort bleibt oder ununterbrochen Sonnenlicht erhält.
Die Wiederholungszeit ist nicht gleich der Zeit bis zum nutzbaren Bild
Angenommen, unsere Vegetationsmission kehrt regelmäßig in dieselbe Beobachtungsgeometrie zurück. Dieser Zeitplan allein garantiert noch kein klares Bild. Wolkendecke, Verfügbarkeit der Instrumente, Blickwinkel und Verzögerungen bei der Bodenverarbeitung beeinflussen, wann ein brauchbares Produkt vorliegt.
Die Wiederbesuchsrate lässt sich mit einem breiteren Aufnahmestreifen, mehreren Satelliten oder Schrägblick verbessern, also dem Blick seitlich statt senkrecht nach unten. Jede Lösung verändert etwas anderes. Ein breiterer Streifen kann die Optik verkomplizieren, zusätzliche Satelliten erhöhen den Betriebsaufwand, und schräges Beobachten verändert die Bildgeometrie und kann die Messqualität beeinflussen.
Praxisbeispiel: Eine Umlaufbahn anheben, ohne „nach oben zu fahren“
In einer vereinfachten kreisförmigen Umlaufbahn erhöht ein kurzer Schub in Flugrichtung die Geschwindigkeit an dieser Stelle und erzeugt eine elliptische Bahn mit einer höher liegenden gegenüberliegenden Seite. Ein zweites, passend getaktetes Manöver kann die neue Bahn wieder kreisförmig machen. Die reale Missionsplanung muss Antriebsgrenzen, das Kollisionsrisiko und Unsicherheiten der Navigation berücksichtigen. Dies ist eine Erklärung, keine Anleitung für Manöver.
Umlaufbahnen brauchen einen Plan für das Missionsende
Die obere Atmosphäre ist extrem dünn, doch ihr Luftwiderstand kann dennoch eine Rolle spielen. Der Widerstand entzieht der Umlaufbahn Energie und senkt sie im Allgemeinen mit der Zeit ab. Die Sonnenaktivität verändert die Dichte der Atmosphäre, daher lässt sich der Bahnverfall nicht einfach aus der aktuellen Höhe ablesen.
Betreiber von Raumfahrzeugen berücksichtigen außerdem Konjunktionen, also vorhergesagte Annäherungen zwischen Objekten. Bahnverfolgungen sind mit Unsicherheiten behaftet, daher ist eine Konjunktionswarnung keine sichere Vorhersage einer Kollision. Entscheidungen verbinden das geschätzte Risiko, die Manövrierfähigkeit, die Auswirkungen auf die Mission und die Abstimmung mit anderen Betreibern.
Die Planung der Entsorgung gehört an den Anfang des Entwurfs. Eine Mission könnte Treibstoff für einen kontrollierten Wiedereintritt reservieren, ihre Umlaufbahn absenken, um die verbleibende Lebensdauer zu verkürzen, oder einem anderen, für ihren Einsatzbereich geeigneten Entsorgungsverfahren folgen. Die geltenden Anforderungen hängen von der Mission und dem rechtlichen Genehmigungsrahmen ab; es gibt keine einzelne Regel, die jede Umlaufbahn nachhaltig macht.
Der Zusammenhang im System: Ihre Umlaufbahn beeinflusst Sonnenlicht, Strombedarf der Batterien, Kommunikationsfenster, die Geometrie der Instrumente und die Entsorgung. Sie ist eine Entscheidung für die gesamte Mission und nicht nur eine Linie auf einer Karte.
Die Kette fortsetzen
Da sich das Raumfahrzeug nun durch eine vorhersehbare Reihe von Zeitfenstern bewegt, fragen Sie sich, wie es in diesen Zeitfenstern Informationen austauscht.
Der Funkverbindung folgen