Orbit (Himmelsmechanik)

Übersicht

Ein Orbit ist die Bahn, die ein künstlicher Satellit oder ein natürlicher Himmelskörper bei Umrundung eines anderen Himmelskörpers beschreibt ("Space Shuttle befindet sich im Orbit um die Erde"). Orbits sind in erster Näherung elliptische Keplerbahnen.

Die meisten Raumflüge finden in niedrigem Orbit (einige 100 km) um die Erde statt (z.B. Space-Shuttle-Missionen). Von besonderer Bedeutung ist aber auch die geostationäre Bahn in 36.000 km Höhe. Satelliten in diesem Orbit stehen relativ zur Erdoberfläche still, was insbesondere für Kommunikationssatelliten von Vorteil ist.

Entgegengesetzte Forderungen werden an Beobachtungssatelliten wie Wettersatelliten oder Spionagesatelliten gestellt. Diese sollen nach Möglichkeit die gesamte Erdoberfläche beobachten können. Deshalb wird hier ein niedriger polarer Orbit gewählt, d.h. der Satellit fliegt ungefähr über die Pole der Erde. Durch diese Bahn können alle Breitengrade erfasst werden, und da sich die Erde unter der Bahnebene durch dreht, kann so nach und nach die gesamte Erdoberfläche untersucht werden.

Arten von Erdorbits

Low Earth Orbit (LEO)

• Höhe: 200 - 1000km
• Besonderheiten: Energieärmster Orbit und damit am leichtesten zu erreichen, Raumfahrzeuge bewegen sich schneller um die Erde, als diese sich dreht.
• Wird genutzt für:
  • Bemannte Raumfahrt (einzige Ausnahme: Die Apollo-Missionen zum Mond.) und Raumstationen.
  • Spionagesatelliten
  • astronomische Satelliten
  • Erderkundungssatelliten
  • Kommunikationssatelliten (z. B. Iridium)

Sonnensynchroner Orbit (SSO)

• Höhe: 700-1000 km
• Besonderheiten: Durch die Abweichung der Erde von der Kugelform wirkt auf jede Satellitenbahn, die nicht genau in oder senkrecht zur Äquatorebene liegt ein Drehmoment, das eine Präzessionsbewegung des Orbits um die Erdachse bewirkt. Bei Satellitenbahnen, die in die gleiche Richtung wie die Erdrotation verlaufen, verläuft die Präzessionsbewegung entgegengesetzt zur Erdrotation, bei Bahnen, die der Erdrotation entgegengesetzt verlaufen, verläuft die Präzessionsbewegung in die gleiche Richtung wie die Erdrotation. Bei einer bestimmten Inklination zwischen ca. 96° und 99° (auch abhängig von der Höhe des Orbits) beträgt die Präzession für Satelliten im LEO genau eine Umdrehung pro Jahr, sodass die Orientierung der Bahn gegenüber der Sonne immer gleich bleibt. Der Satellit passiert einen Punkt auf der Oberfläche immer zur selben Uhrzeit, wodurch Vergleiche der gewonnenen Daten erleichtert werden. Wenn der Satellit zusätzlich die Erde so umkreist, dass er den Erdschatten nicht passiert, kann er ständig von Solarzellen mit Energie versorgt werden und benötigt keine Batterien.
• Wird genutzt für:
  • Erderkundungssatelliten wie LANDSAT
  • Metereologische Satelliten
  • Spionagesatelliten

Medium Earth Orbit (MEO)

• Höhe: 1000-36000 km
• Besonderheiten: Orbit zwischen LEO und GEO
• Wird genutzt für:
  • Kommunikationssatelliten wie Globalstar
  • Navigationssatelliten wie GPS oder Glonass

Geotransfer Orbit (GTO)

• Höhe: 200-800 km Perigäum, 36000 km Apogäum
• Besonderheiten: Übergangsorbit, um einen GEO zu erreichen. Das Perigäum wird dann vom Satelliten selber angehoben.

Geostationärer Orbit (GEO)

• Höhe: 35786 km auf einer Kreisbahn über dem Äquator
• Besonderheiten: Ein Satellit im GEO umrundet die Erde genauso schnell wie diese sich dreht - befindet sich also bezüglich eines Punktes auf der Erdoberfläche immer an derselben Position.
• Wird genutzt für:
  • Kommunikationssatelliten
  • Satelliten für TV-Übertragung wie Astra oder Eutelsat

Eigenschaften der Umlaufbahnen

                                        GEO      MEO              LEO
Höhe in km:                             36.000   6.000 - 12.000   200 - 3.000
Umlaufzeit in Stunden:                  24       5 - 12           1 - 5
Empfangsfenster für Endgerät:           immer    2 - 4 Stunden    kleiner 15 Minuten
zur globalen Versorgung                 3        10 - 12          50 - 70
notwendige Anzahl an Kommunikations-
satelliten:

Eigenschaften

polare Flugbahn eines Satelliten

Da die Form eines Orbits weitgehend einer Ellipse entspricht, wird die Flugbahn eines Satelliten über die Lage dieser Ellipse bezüglich des Zentralkörpers beschrieben.

Position der Ellipse bezüglich des Zentralkörpers

• i Inklination (Bahnneigung)
• $\Omega$ Länge des aufsteigenden Knotens
• $\omega$ Winkelabstand des Perigäums

Position auf der Ellipse und Form

• $\phi$ wahre Anomalie
• a Große Halbachse
• $\epsilon$ Exzentrizität

Umlaufzeit

Die Umlaufzeit eines Orbits ist

$T={\sqrt {\frac {4\pi ^{2}a^{3}}{G\left(M_{1}+M_{2}\right)}}}$

mit

• T die Umlaufzeit,
• a die Große Halbachse,
• M₁ und M₂ die Massen des Satelliten und des Zentralkörpers,
• G die Gravitationskonstante.

Siehe auch: Bahnstörungen eines Satelliten, orbitale Ebene