Satellit (Raumfahrt)

Ein Satellit (von lateinisch satelles „Begleiter, Leibwächter“), früher auch Kunstmond, ist in der Raumfahrt ein künstlicher Raumflugkörper, der einen Himmelskörper auf einer elliptischen oder kreisförmigen Umlaufbahn zur Erfüllung wissenschaftlicher, kommerzieller oder militärischer Zwecke umkreist.

Bild von Sputnik 1, dem ersten künstlichen Satelliten im All

Zum Begriff des Erdsatelliten

Satelliten sind im erweiterten Sinne alle astronomischen Objekte, die einen Himmelskörper – einen Stern, Planeten oder Mond oder anderes – umkreisen.

Künstliche Gerätschaften, welche die Erde umkreisen, werden im deutschen speziell Erdsatellit genannt. Künstliche Satelliten, die einen anderen Körper als die Erde umlaufen und erforschen, werden hingegen als Orbiter bezeichnet, wobei beispielsweise ein die Sonne umkreisender Flugkörper bisweilen auch „Sonnensatellit“ genannt wird. Demgegenüber stehen die natürlichen Satelliten von Planeten, die auch als Monde oder Trabanten bezeichnet und – ebenso wie der Erdmond – gesondert behandelt werden, ebenso die natürlichen Satelliten/Trabanten der Sterne, die Planeten, Asteroiden und anderes. Künstliche Satelliten, die aus einer Parkbahn um die Erde in den interplanetaren Raum gelangen, können sinngemäß als „künstliche Planetoiden“ bezeichnet werden, man spricht von Raumsonde. Dazu gehören naturgemäß auch diejenigen, die dann als Orbiter am Ziel in eine Umlaufbahn eintreten.

Man bezeichnet Flugkörper nur dann als Satelliten, wenn sie die Erde im Weltraum umkreisen. Einem Satelliten fehlt – auch nach Erreichen seiner Laufbahn – ein Eigenantrieb, was ihn vom Raumschiff unterscheidet. Einfache Bremsraketen, die zu einem kontrollierten Absturz führen, reichen im fachsprachlichen Sinne nicht aus, einen Satelliten zum Raumschiff zu machen.

Geschichte

Nach dem erfolgreichen Start von Explorer 1 halten die Projektleiter ein Modell hoch: William H. Pickering, James A. Van Allen und Wernher von Braun

Im Jahre 1955 gab US-Präsident Eisenhower die Entwicklung eines amerikanischen Erdsatelliten in Auftrag, worauf die Sowjetunion aus propagandistischen Gründen vier Tage später ein ähnliches Vorhaben ankündigte. Dennoch überraschte der erfolgreiche Start des sowjetischen Satelliten Sputnik 1 am 4. Oktober 1957 19:28 GMT (5. Oktober Ortszeit) die Weltöffentlichkeit und führte im Westen zu einem regelrechten Sputnikschock. Die Funksignale von Sputnik gaben codiert an, ob der Satellit von Materie getroffen wurde. Der erste US-amerikanische Satellit Explorer 1 folgte am 1. Februar 1958 und erbrachte den Nachweis des Van-Allen-Strahlungsgürtels zum Beginn der Erforschung der Ionosphäre. Trotzdem stand die Entwicklung von Satelliten lange Zeit unter dem Einfluss des Kalten Krieges.

Im Bereich der internationalen Telekommunikation haben Nachrichtensatelliten ab den 1970er Jahren die Bedeutung anderer Datenverbindungen wie des Transatlantischen Telefonkabels verringert. Ebenso wichtig wurden die Erdbeobachtungs- und Wettersatelliten, während schon seit den 1960ern Forschungssatelliten für Astronomie, Geodäsie und Kartografie entwickelt wurden.

Satellit Beesat der Technischen Universität Berlin, 2009

Das Büro der Vereinten Nationen für Weltraumfragen verwaltet seit 1962 ein Verzeichnis (Index of Objects Launched into Outer Space) aller Satelliten, die in den Weltraum transportiert werden.

Nach Angaben der US-amerikanischen NASA befanden sich am 31. Mai 1969 rund 1950 künstliche Objekte im Weltraum, wovon 1.889 die Erde umrundeten, 17 sich in einer Ellipse um die Erde und 38 auf einer Bahn um die Sonne befanden. Neben ausgebrannten Raketenstufen und anderen Objekten waren es am Stichtag 394 Erdsatelliten und Raumsonden, darunter 289 der USA, 83 der Sowjetunion, 5 französische, 3 kanadische, 2 britische und 3 von der European Space Research Organisation.

Im Jahr 2016 betrug die Anzahl der bekannten aktiven Satelliten bereits über 1400. Darüber hinaus befinden sich mehrere tausende weitere künstliche Objekte (ausgediente Satelliten, Teile von Raketen und anderer Weltraummüll) im Erdumlauf: 1996 sollen es nach ESA-Daten rund 8500 Stück „Weltraummüll“ (ab ca. 10 cm Größe) gewesen sein. Das Joint Space Operations Center des United States Strategic Command weiß 2009 von über 18.500 vom Menschen hergestellten Himmelskörpern.

Trotz der großen Anzahl sind Zusammenstöße äußerst selten. Die erste bekannte Kollision eines aktiven Satelliten mit einem ausgedienten Objekt fand am 10. Februar 2009 statt: Der russische Satellit Kosmos 2251, der seit 1993 im All und wohl etwa seit 1999 außer Betrieb war, kollidierte mit dem Kommunikationssatelliten Iridium 33 der US-Firma Iridium Satellite. Beide Satelliten wurden vollständig zerstört. Am 22. Januar 2013 wurde der russische Kleinsatellit BLITS (NORAD 35871) durch Kollision mit Bruchstücken des 2007 durch eine chinesische Antisatellitenrakete zerstörten Satelliten Fengyun-1C unbrauchbar und wurde aus seiner Bahn geworfen. Am 23. Mai 2013 versetzten Trümmerteile einer russischen Rakete den Satelliten NEE-01 Pegaso in eine unkontrollierte Taumelbewegung, so dass er außer Kontrolle geriet.

Siehe auch: Liste der ersten Satelliten nach Staat

Aufgaben

Je nach Aufgabe des Satelliten unterscheidet man folgende Typen:

• Erdbeobachtungssatelliten können Bilder und Messwerte für unterschiedliche Zwecke liefern, so die Wetter- und Spionagesatelliten. Sie arbeiten mit verschiedenen Techniken, zum Beispiel mit Radar (Radarsatelliten), Infrarot, Scanning-Methoden, Sensorik oder Fotografie. Dabei werden oft verschiedene Wellenlängen gleichzeitig aufgezeichnet (multispektral).
• Kommunikationssatelliten erfüllen kommerzielle Aufgaben, Amateurfunksatelliten dienen dagegen privaten Zwecken, siehe auch Satellitenkommunikation.
• Rundfunksatelliten übertragen Radio- und Fernsehprogramme direkt an die Zuschauer, sodass erdgebundene Sende- und Kabelnetze entfallen können.
• Navigationssatelliten ermöglichen weltweite Positions- und Zeitbestimmung und sogar die automatische Steuerung von Fahrzeugen.
• Geodätische Satelliten dienen der Vermessung der Erdfigur und des Erdschwerefeldes. Sie erreichen heute Genauigkeiten im mm- bis cm-Bereich.
• Astrometriesatelliten messen die Position und Eigenbewegung von Sternen, hauptsächlich für wissenschaftliche Zwecke.
• Forschungssatelliten dienen wissenschaftlichen Zwecken, z. B. Mikrogravitations-Experimenten. Viele Astrometrie- und einige Erdbeobachtungssatelliten gehören in diese Kategorie, ebenso die meisten Weltraumteleskope.
• Raumstationen sind ebenfalls Erdsatelliten, die primär wissenschaftlichen Zwecken dienen.
• Militärische Satelliten dienen der Überwachung, Verteidigung und anderen militärischen Zwecken. Besonders zu erwähnen sind hier
  • Spionagesatelliten zum Ausspionieren von Staaten, Heeres- und Schiffsbewegungen sowie zur Überwachung von Rüstungsbegrenzungsabkommen. Sie werden von militärischen Behörden und Geheimdiensten betrieben. Die Projekte bzw. die ermittelten Daten sind oft streng geheim.
  • Killersatelliten sind eine militärische Sonderanwendung zur Zerstörung feindlicher Flugkörper.

Welche Satellitenbahn jeweils am besten geeignet ist, richtet sich nach den Aufgaben. Beobachtungssatelliten sollen möglichst tief fliegen. Bei Spionagesatelliten liegt die Bahn manchmal so niedrig, dass die Reibung in der Atmosphäre die Lebensdauer auf wenige Monate beschränkt.

Kommunikationssatelliten schickt man dagegen auf möglichst hohe Umlaufbahnen, damit sie weite Gebiete überdecken. Sollen sie ortsfest über einer Stelle des Erdäquators stehen, müssen sie die Erde in einer geosynchronen Umlaufbahn in etwa 36.000 km Höhe in Richtung der Erdrotation umkreisen (Sonderfall: „geostationär“).

Aufbau

Ein Satellit besteht im Wesentlichen aus der wissenschaftlichen, kommerziellen oder militärischen Nutzlast sowie dem Satellitenbus, der die zu deren Betrieb notwendigen Strukturen und Subsysteme enthält. Dieser besteht aus der Primärstruktur, in die die weiteren Subsysteme integriert werden. Dazu gehören die Energieversorgung (Solarzellen, Akkumulatoren), das Temperaturkontrollsystem, das Antriebssystem für die Lage- und Positionsregelung (Bahnregelung) und das Bordrechensystem für Steuerung und Datenmanagement.

Energieversorgungssystem

→ Hauptartikel: Energieversorgungssystem (Satellit)

Die Versorgung des Satelliten mit elektrischem Strom (Energie) erfolgt meist durch Solarzellen mit Unterstützung durch Akkumulatoren, wenn im erdnahen Raum ausreichende Helligkeit der Sonne vorhanden ist, oder durch Batterien wenn nur kurze Einsatzzeiten geplant sind. Bei Satelliten, die sich von der Sonne weiter entfernen und so das Angebot an Strahlungsenergie zu gering ist, verwendet man die erheblich kleineren Radioisotopengeneratoren.

Betrieb

Video: Satelliten und ihre Position im All

Nach dem Start des Satelliten muss dessen weiterer Betrieb gewährleistet werden. Dazu gehören nicht nur bordeigene Steuerungs- und Kontrollsysteme, sondern auch entsprechende Bodenstationen (z. B. Mission Control Center) die Bodenkontrolle, Fernsteuerung und Auswertung bzw. Bereitstellung von Daten der Satelliten bzw. deren Nutzlast übernehmen.

Zu diesen Aufgaben gehören:

• Transfer auf geostationäre Bahn
• Bahnbeschreibung
• Bahnänderungsmanöver
• Ausgleich von Bahnstörungen
• Bahn- bzw. Positionsregelung
• Stabilisation
• Thermalkontrolle

Geschwindigkeiten

Für eine erdnahe, kreisförmige Umlaufbahn gilt die erste kosmische Geschwindigkeit von v₁ = 7,9 km/s.

Bei einem Start in Ostrichtung trägt die Erddrehung mit einem Anteil von maximal 0,46 km/s zur Bahngeschwindigkeit bei. Jedoch kommt es nicht zu einem vollständigen Ausnutzen der Erdrotation, da der Flugkörper aufgrund von sich in andere Richtungen bewegenden Luftteilchen (Winden) abgebremst wird. Für eine Rakete kann somit ein v₁ von 7,44 km/s genügen. In Westrichtung wäre der Anteil zusätzlich aufzubringen, deshalb werden fast alle Satelliten in Ostrichtung gestartet. Die Kreisbahngeschwindigkeit polarer Bahnen bleibt von der Erdrotation unbeeinflusst.

Will man das Gravitationsfeld der Erde verlassen, muss der Satellit auf die zweite kosmische Geschwindigkeit von etwa 11,2 km/s beschleunigt werden. Sie entspricht dem ${\sqrt {2}}$ fachen der ersten kosmischen Geschwindigkeit.

Beobachtung von der Erde aus

Zahlreiche größere Erdsatelliten können mit bloßem Auge als über das nächtliche Himmelsgewölbe ziehende Lichtpunkte beobachtet werden. Mit speziell für die Sonnenbeobachtung ausgerüsteten Teleskopen ist es auch möglich, die Passage von Satelliten vor der Sonne zu beobachten. Die ISS, als größtes künstliches Objekt im Erdorbit, kann eine scheinbare Helligkeit von bis zu −5 mag erreichen. Die Satelliten des Iridium-Systems können mit ihren Antennenflächen das Sonnenlicht gerichtet als Iridium-Flare reflektieren und erreichen dann kurzzeitig eine scheinbare Helligkeit von bis zu −8 mag. Im Unterschied zu einem Flugzeug hat ein Satellit keine blinkenden, farbigen Lichter. Jedoch ändern sich bei einem Teil der Objekte die Helligkeiten durch Rotation oder eine Taumelbewegung. Teilweise werden Satellitenlichtreflexionen irrtümlich mit Sternen verwechselt.

Wenn es um die Beobachtung mit bloßem Auge geht, ist diese in der Regel nur kurz nach Sonnenuntergang oder kurz vor Sonnenaufgang möglich. Das kommt daher, dass der Satellit in seiner (nicht zu) hohen Umlaufbahn noch von der Sonne beschienen sein muss, damit man ihn am Boden (wo es schon/noch dunkel ist) vor dem dunklen Himmel überhaupt erkennen kann; mitten in der Nacht fliegt er auch im Schatten und bleibt unsichtbar. Zu hoch darf die Umlaufbahn auch nicht sein, da der Satellit dann wegen der Entfernung zu klein wird, um auch bei Bestrahlung noch sichtbar zu werden. Es müssen also ein paar Bedingungen zusammentreffen, so dass eine Sichtung eines bestimmten Satelliten nicht jeden Tag gelingen kann.

Erkennbar ist ein Satellit an der hohen Geschwindigkeit, mit der er über den Himmel zieht, er braucht typischerweise nur wenige Minuten für den kompletten Überflug des sichtbaren Himmelsteils.

Ein großes Objekt wie die ISS kann besonders hell sein. Aber auch sie ist in unseren Breiten nur selten zu sehen. Das liegt an mehreren Punkten, die auch für andere Satelliten gelten:

• Das Objekt muss eine zur Äquatorebene genügend schräggestellte Bahn aufweisen, damit es überhaupt auch einmal in unsere Breiten vorstößt; wenn das Objekt immer nur genau über dem Äquator kreist, ist es auch nur dort zu sehen. Die ISS im Speziellen erreicht unsere Breiten nur knapp und damit selten.
• Wie oben ausgeführt, muss die Umlaufbahn das Objekt gerade zu einer passenden Uhrzeit um den Sonnenuntergang bzw. -aufgang herum in unsere Breiten führen. Entsprechend gibt es Webseiten mit Terminvorschauen, wann für welches Objekt die nächsten Sichtungen möglich sein werden.
• Je niedriger die Umlaufbahn des Objekts ist, desto größer erscheint es und desto heller ist es sichtbar, aber es ist auch desto kürzer im sichtbaren Blickfeld und muss die eigene Örtlichkeit präziser treffen.
• Je höher die Umlaufbahn des Objekts ist, desto kleiner und weniger hell erscheint es, dafür ist es aber länger und von einem größeren Gebiet aus sichtbar.

Strichspuraufnahmen von Satelliten bzw. Raketenoberstufen

• 
  Mir (Satellite Catalog Number 16609 = COSPAR-Bezeichnung 1986-017A)
• 
  Iridium 58
  (25274 = 1998-019C)
• 
  Resurs 1–3 r
  (23343 = 1994-074B)
• 
  Lacrosse 1 (19671 = 1988-106B) und Cosmos 2263r (22803 = 1993-059B)

Langzeitaufnahmen von geostationären Satelliten

Während Sterne sich am Nachthimmel bewegen, befinden sich geostationäre Satelliten dort immer am selben Ort. So erscheinen sie auf Langzeit-Aufnahmen als Punkte:

• 
  Der amerikanische SIGINT-Satellit USA 207 (2009-047A, Palladium at Night) und zwei zivile, kommerzielle Satelliten (Paksat-1 und HellasSat 2)
• 
  SIGINT-Satellit USA 202 (Mentor 4)
• 
  Mentor 4 mit seinem Nachbarn, dem zivilen Telekommunikations­satelliten Thuraya 2

Transport und Bahnverlauf

Verwendete Symbole:

$\gamma$	:	Gravitationskonstante	=	6,673 · 10−11m3/kg·s2
r	:	Bahnradius bzw. Abstand der Massenmittelpunkte der Erde und des Körpers in der Umlaufbahn	=	6,378 · 106 m
M	:	Masse des Erde	=	5,9722 · 1024 kg
m	:	Masse des Körpers in der Umlaufbahn
v	:	Bahngeschwindigkeit des Körpers in der Umlaufbahn

Einem Erdsatelliten muss beim Start eine so hohe Bahngeschwindigkeit mitgegeben werden, dass seine Zentrifugalkraft (oder auch Radialkraft) mindestens gleich der Gewichtskraft ist.

Die Zentrifugalkraft berechnet sich zu:

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

Die Erdanziehungskraft berechnet sich zu:

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

Da $F_{r}=F_{G}$ sein muss, ergibt sich nach Einsetzen:

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

Nun erkennt man, dass die Masse des Körpers auf der Kreisbahn keine Relevanz hat, da diese in der Gleichung entfällt. Die für eine bestimmte Umlaufbahn nötige Bahngeschwindigkeit hängt also nur von der Bahnhöhe ab:

$v^{2}={\frac {\gamma \cdot M}{r}}\$, daraus folgt: $\ v={\sqrt {\frac {\gamma \cdot M}{r}}}\$.

Die erste kosmische Geschwindigkeit oder Kreisbahngeschwindigkeit:

Mit dieser Geschwindigkeit ist es einem Körper auf einer Kreisbahn um die Erde möglich, diese Bahn zu halten:

$v_{1}={\sqrt {\frac {\gamma \cdot M}{r}}}\$, einsetzen ergibt

$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}} \$.

Mit der zweiten kosmischen Geschwindigkeit oder Fluchtgeschwindigkeit kann er das Schwerefeld der Erde verlassen. Sie beträgt:

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

Der Transport in die Umlaufbahn erfolgt mit Hilfe von Raketen, die aus technisch-energetischen Gründen als Stufenraketen ausgeführt sind. Der Satellit ist auf die oberste (meist dritte) Raketenstufe aufgesetzt und aerodynamisch günstig verkleidet. Er wird entweder direkt in die Bahn geschossen oder durch ein anderes Raumfahrzeug ausgesetzt. Solange die Rakete arbeitet, läuft er auf der so genannten „aktiven Bahn“. Nach Brennschluss der Raketenmotoren folgt die „Freiflugbahn“ (oder passive Bahn).

Satellitenbahnen

Siehe auch: Satellitenorbit

Die antriebslose Bewegung eines Satelliten gehorcht genähert den Gesetzen des Zweikörperproblems der Himmelsmechanik – weitere Kräfte bewirken allerdings Bahnstörungen. Wäre die Erde eine exakte Kugel ohne Erdatmosphäre und gäbe es keine anderen Himmelskörper, folgte die Satellitenbahn einer mehr oder weniger exzentrischen Ellipse um die Erde gemäß den Keplerschen Gesetzen. Die Bahnebenen der Erdsatelliten gehen durch den Erdmittelpunkt und sind näherungsweise raumfest, also gegenüber den Fixsternen unverändert, während die Erde darunter rotiert.

Abhängig von ihrer Flughöhe werden Satelliten in verschiedene Typen aufgeteilt:

• GEO (Geostationary Orbit): geostationäre Satelliten mit einer Flughöhe von etwa 35.790 km. Hier beträgt die Umlaufzeit genau einen Tag. In Bezug auf die Erdoberfläche sind diese Satelliten ortsfest. Beispiele: Astra, Eutelsat, Inmarsat, Meteosat etc.
• MEO (Medium Earth Orbit): Satelliten mit einer Flughöhe von 6.000–36.000 km und einer Umlaufdauer von 4–24 Stunden. Beispiele: GPS, GLONASS, Galileo etc.
• LEO (Low Earth Orbit): Satelliten mit einer Flughöhe von 200–1500 km und einer Umlaufdauer von 1,5–2 Stunden. Beispiele: Iridium, Globalstar, GLAST etc.
• SSO (Sun Synchronous Orbit): ERS, Landsat, Envisat

Durch die Abplattung der Erde sowie die Inhomogenität der Erdoberfläche und des Erdschwerefeldes weichen die Satellitenbahnen von der idealen Ellipsenform um einige Kilometer ab. Aus der Beobachtung dieser Abweichungen kann die Satellitengeodäsie die genaue Erdform bestimmen – das Geoid weicht vom fiktiven Erdellipsoid um bis zu 100 m ab. Für diese Abweichungen (auf 6357–6378 km Erdradius nur 0,001 %) wurden die etwas unglücklichen Begriffe Kartoffel- bzw. Birnenform geprägt.

Zusätzlich bewirkt die Erdatmosphäre eine ständige leichte Bremsung der Satelliten, sodass sich Bahnen unter einer Höhe von etwa 1000 km spiralförmig der Erde nähern. Die Lebensdauer hängt auch vom Verhältnis Oberfläche/Masse ab und reicht von einigen Wochen oder Jahren (LEOs) bis zu Jahrtausenden (MEOs). Weitere Bahnstörungen werden von der Gravitation des Mondes verursacht, vom Strahlungsdruck der Sonne und von Effekten in der Ionosphäre. Die Satellitenbahn muss deshalb ständig kontrolliert und gegebenenfalls nachgeregelt werden (Attitude Determination and Control System). Wenn der Gasvorrat für die Korrekturdüsen aufgebraucht ist, verlässt der Satellit seine Umlaufbahn und wird dadurch meist wertlos.

Siehe auch

• Rundfunksatellit
• Satellitenbeobachtung
• Weltraumhaftung
• Weltraummüll
• Listen von Satelliten

Literatur

• Michel Capderou: Satellites – orbits and missions. Springer, Paris 2005, ISBN 2-287-21317-1
• Louis J. Ippolito: Satellite communications systems engineering – atmospheric effects, satellite link design and system performance. Wiley & Sons, Chichester 2008, ISBN 978-0-470-72527-6
• R. Bender: Launching and operating satellites – legal issues. Nijhoff, Dordrecht 1998, ISBN 90-411-0507-7
• Bruno Pattan: Satellite systems – principles and technologies. Van Nostrand Reinhold, New York 1993, ISBN 0-442-01357-4
• C. B. Pease: Satellite imaging instruments – principles, technologies and operational systems. Ellis Horwood, New York 1991, ISBN 0-13-638487-0

Weblinks

• Heavens Above – Berechnung der Sichtbarkeit von Satelliten (Englisch und andere Sprachen)
• Satelliten Bodenpfad – Echtzeitdarstellung des Bodenpfads einiger Satelliten, erfordert Java
• Real Time Satellite Tracking – Echtzeitverfolgung für etwa 17000 Satelliten, sowie 5-Tages-Vorhersagen ihrer Sichtbarkeit (englisch)
• Satflare Echtzeitverfolgung 3D (englisch)
• Satellitenbilder – Kultur- und Naturlandschaften
• Orbitron – Satellite Tracking System – Windows-Software zur Berechnung der Sichtbarkeit von Satelliten
• UCS Satellite Database – Zusammenstellung aktiver Satelliten im Erdorbit inklusive kurzer Beschreibung (englisch)
• ESRI – Anzeige der aktuellen Satellitenpositionen in 3D, sowie Stuff in Space – inklusive Space Debris
• Satellite Orbiting Earth – Aktuelle Flughöhe vieler Satelliten in 1D, gruppiert nach Höhe