Orbit

In der Himmelsmechanik und in der Weltraummechanik ist eine Umlaufbahn ( /ɔʁ.bit/ ) die geschlossene Kurve, die die Flugbahn darstellt , die ein Himmelskörper unter der Wirkung von Schwerkraft und Trägheitskräften im Raum zieht . Eine solche Umlaufbahn wird als periodisch bezeichnet. Im Sonnensystem , die Erde , die anderen Planeten , die Asteroiden und Kometen sind in der Umlaufbahn um die Sonne . Ebenso haben Planeten natürliche Satelliten , die sie umkreisen. Von Menschenhand geschaffene Objekte wie Satelliten und Raumsonden umkreisen die Erde oder andere Körper im Sonnensystem.

Eine Umlaufbahn hat die Form einer Ellipse, von der einer der Brennpunkte mit dem Schwerpunkt des zentralen Objekts zusammenfällt. Aus relativistischer Sicht ist eine Umlaufbahn eine Geodäte in der gekrümmten Raumzeit .

Historisch

Viele Modelle werden seit der Antike vorgeschlagen , um die Bewegungen der Planeten darzustellen . Das Wort Planet – im Altgriechischen  : πλανήτης , „wandernder Stern (oder Stern)“ – unterscheidet dann diese Himmelsobjekte von „festen“ Sternen durch ihre scheinbare Bewegung auf der Himmelskugel im Laufe der Zeit. Damals umfasste dieser Begriff daher Sonne und Mond sowie fünf authentische Planeten: Merkur , Venus , Mars , Jupiter und Saturn . Alle diese Systeme sind geozentrisch , das heißt, sie stellen die Erde in den Mittelpunkt des Universums, gemäß dem astronomischen System, das Platon im Timaios enthüllt hat . Nach Simplicius (Ende V th  Jahrhundert - Anfang VI th  . Jahrhundert AD) ist Plato (427-327 v.Chr.), Der seine Schüler angeboten hatte Eudoxus von Knidos (408-355 BC AD.) Mit der Bewegung der Planeten zu studieren nur kreisförmige und gleichmäßige Bewegungen , die als perfekt angesehen werden.

Die Schwierigkeit, die Bewegungen der Planeten, insbesondere die Retrogradationsphänomene , genau zu beschreiben , führt zu komplexen Darstellungen. Die griechisch-römische Welt des astronomischen Wissens ist in zusammengefasst II th  Jahrhundert von Ptolemäus (ca. 90-168 n.Chr.), In der Arbeit in der griechischen von den Arabern unter dem Namen des übertragenen Almagest . Die als Ptolemäus- Modell bekannte Darstellung des Sonnensystems und der Bewegung der Planeten (sowie des Mondes und der Sonne ) verwendet wie seine Vorgänger ein geozentrisches Modell und ein ausgeklügeltes Kugelsystem in kreisförmiger und gleichförmiger Rotation. das epizyklische und vas durch eingeführte hipparchos ( II e  Jahrhundert  vor Christus ), verbessert durch die Vorstellung des Einführens Equant , die ein separater Punkt des Kreises ist das Zentrum deferent , gegen die ein Planet oder Mittelpunkt eines epizyklischen, bewegt sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit. Das System des Ptolemäus wird die Astronomie 14 Jahrhunderte lang beherrschen. Es liefert trotz seiner Komplexität zufriedenstellende Ergebnisse, wenn nötig durch Modifizieren und Verfeinern des Modells von Epizykeln, Deferenten und equanten Punkten. Als mit der Philosophie des Aristoteles vereinbar angesehen, wurde der Geozentrismus im Mittelalter zur offiziellen Lehre der Kirche in Europa .

Wir verdanken es Kopernikus (1473-1543), der in seinem Hauptwerk De revolutionibus Orbium Coelestium bei seinem Tod im Jahr 1543 das geozentrische Dogma in Frage stellte und ein heliozentrisches System vorschlug, in dem sich die Planeten und die Erde auf kreisförmigen Bahnen mit konstanter Geschwindigkeit bewegen , da der Mond der einzige Stern ist, der sich um die Erde dreht. Obwohl unvollkommen, erweist sich diese Vision als sehr fruchtbar: Die Bewegungen der Planeten sind in einem heliozentrischen Bezugssystem leichter zu beschreiben. Die Menge der Bewegungsunregelmäßigkeiten wie Retrogradationen kann nur durch die Bewegung der Erde in ihrer Umlaufbahn erklärt werden, genauer gesagt in moderner Begrifflichkeit durch den Effekt des Übergangs vom heliozentrischen Bezugssystem zum geozentrischen Bezugssystem. Das Kopernikus-System lässt uns auch vermuten, dass die Sterne der "festen Kugel" einen viel größeren Abstand von der Erde (und der Sonne) haben als bisher angenommen, um das Fehlen eines beobachteten Effekts ( Parallaxe ) der Bewegung von . zu erklären die Erde über die Position der Sterne. Es sei darauf hingewiesen, dass das System des Kopernikus, das in der astronomischen Praxis darin bestand, die Positionen von Erde und Sonne zu vertauschen, anfangs keinen prinzipiellen Widerstand der Kirche auslöste, bis diese bemerkte, dass dieses Modell Aristoteles' Philosophie . Kepler (1571-1630) wird dieses Modell dank der sorgfältigen Analyse der genauen Beobachtungen seines Meisters Tycho Brahe (1541-1601), insbesondere der Bewegung des Planeten Mars, perfektionieren . Er veröffentlichte 1609, 1611, 1618 seine drei berühmten Gesetze (vgl. Kepler's Laws ):

Keplersche Umlaufbahn

Eine Keplerbahn ist die Bahn eines punktförmigen Körpers - d. h. dessen Massenverteilung kugelsymmetrisch ist - und dem von einer punktförmigen Masse erzeugten Gravitationsfeld ausgesetzt, wobei letztere als Ursprung von angenommen wird das Repository. Mit anderen Worten, es ist die Bahn eines Körpers in gravitativer Wechselwirkung mit einem einzelnen anderen Körper, wobei jeder Körper einem Punkt assimiliert wird.

Die Keplerbahn jedes Körpers ist eine konische Bahn, von der einer der Brennpunkte mit dem Massenmittelpunkt des anderen Körpers zusammenfällt, der als Ursprung des Bezugssystems genommen wird.

Bahnparameter

Eine elliptische Umlaufbahn wird durch zwei Ebenen beschrieben - die Umlaufbahnebene und die Bezugsebene - und sechs Parameter, die Elemente genannt werden: die große Halbachse , Exzentrizität , Neigung , Länge des aufsteigenden Knotens , das Argument der Periapsis und die Position des Objekts in seiner Umlaufbahn. Zwei dieser Parameter - Exzentrizität und große Halbachse - definieren die Flugbahn in einer Ebene, drei andere - Neigung, Länge des aufsteigenden Knotens und Argument des Perizentrums - definieren die Ausrichtung der Ebene im Raum und den letzten - Moment des Durchgangs at pericenter - definiert die Position des Objekts.

Die Referenzebene oder Referenzebene ist eine Ebene, die den Schwerpunkt des Hauptkörpers enthält. Die Referenzebene und die Bahnebene sind somit zwei sich schneidende Ebenen. Ihr Schnittpunkt ist eine gerade Linie, die als Knotenlinie bezeichnet wird. Die Umlaufbahn schneidet die Referenzebene an zwei Punkten, die als Knoten bezeichnet werden. Der aufsteigende Knoten ist derjenige, durch den der Körper auf einer aufsteigenden Bahn geht; der andere ist der absteigende Knoten.

Der Durchgang zwischen der Bahnebene und der Bezugsebene wird durch drei Elemente beschrieben, die den Eulerwinkeln entsprechen  :

Der sechste Parameter ist die Position des umlaufenden Körpers in seiner Umlaufbahn zu einem bestimmten Zeitpunkt. Es kann auf verschiedene Arten ausgedrückt werden:

Perioden

Wenn wir über die Periode eines Objekts sprechen, ist es normalerweise seine siderische Periode, aber es gibt mehrere mögliche Perioden:

Beziehungen zwischen Anomalien und Strahlen

Im Folgenden sind die Exzentrizität, die wahre Anomalie , die exzentrische Anomalie und die durchschnittliche Anomalie aufgeführt .

Der Radius der Ellipse (von einem Fokus aus gemessen) ist gegeben durch:

Zwischen Anomalien bestehen folgende Beziehungen:

oder

Eine häufige Anwendung ist zu finden aus . Es genügt dann, den Ausdruck zu iterieren:

Wenn wir einen Anfangswert verwenden , ist die Konvergenz garantiert und ist immer sehr schnell (zehn signifikante Stellen in vier Iterationen).

Umlaufbahn eines künstlichen Satelliten und Spur am Boden

Die Bodenbahn eines künstlichen Satelliten ist die Projektion seiner Flugbahn in seiner Umlaufbahn entlang einer Vertikalen auf den Boden, die durch das Zentrum des Himmelskörpers verläuft, um den er sich dreht. Seine Form bestimmt die Teile der Oberfläche, die von Satelliteninstrumenten abgetastet werden, und die Satelliten-Sichtbarkeitsschlitze von Bodenstationen. Das Zeichnen der Spur ergibt sich sowohl aus der Verschiebung des Satelliten in seiner Umlaufbahn als auch aus der Rotation der Erde.

Klassifizierung der Umlaufbahnen künstlicher Satelliten

Die Bahnen künstlicher Satelliten lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren:

Höhe (Kreisbahn)

Wenn die Umlaufbahn fast kreisförmig ist, wird sie als niedrige Umlaufbahn (LEO, von Englisch Low Earth Orbit ) bezeichnet, wenn ihre Höhe weniger als 1.500 km beträgt  , mittlere Umlaufbahn (MEO, von Medium Earth Orbit ), wenn sie zwischen 1.500 und 20.000  km liegt , und als hoch Umlaufbahn darüber hinaus. Die häufigste hohe Umlaufbahn, weil der Satellit dauerhaft über derselben Region der Erde bleiben kann, befindet sich in einer Höhe von 36.000 km und wird als geostationäre Umlaufbahn (oder GEO für Englisch Geostationnary Earth Orbit ) bezeichnet. Es erfordert, dass die Bahnneigung 0° beträgt. Eine Umlaufbahn in dieser Höhe mit oder ohne Umlaufbahn ist eine geosynchrone Umlaufbahn . Die meisten Satelliten befinden sich auf einer kreisförmigen Umlaufbahn um die Erde oder befinden sich auf einer niedrigen Umlaufbahn ( Satelliten-Erdbeobachtung , Aufklärungssatellit ) auf einer mittleren Umlaufbahn bei 20 000 km ( Satellitennavigation ) auf einer geostationären Umlaufbahn ( Telekommunikationssatellit , Wettersatellit ).

Höhe (elliptische Umlaufbahn)

Unter den hohen elliptischen Umlaufbahnen (oder HEO für Englisch High Earth Orbit ) finden wir Umlaufbahnen, die sehr präzise Ziele erfüllen, wie die Molnia-Umlaufbahn, die eine bessere Sichtbarkeit aus hohen Breiten ermöglicht als die geostationäre Umlaufbahn oder die Tundra-Umlaufbahn, die eine Variante ist. Der Transferorbit (oder GTO steht für Geostationary Transfer Orbit ) ist eine transiente Umlaufbahn, deren Apogäum 36.000 km beträgt und die von Satelliten genutzt wird, die in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht werden müssen.

Sonderfall von Umlaufbahnen um die Lagrange-Punkte

Die Umlaufbahn um einen Lagrange-Punkt (Raumbereich, in dem sich der Gravitationseinfluss von 2 Himmelskörpern ausgleicht) ist eine Halo- Umlaufbahn (oder Lissajous-Umlaufbahn in Anspielung auf seine Form, die einer Lissajous-Kurve ähnelt ) und wird als L1LO (L1 Lissajous Orbit .) bezeichnet ) oder L2LO, wobei L1 und L2 die beiden Lagrange-Punkte des Systems Erde-Sonne sind, die insbesondere von Satelliten zur astronomischen Beobachtung oder zum Studium der Sonne verwendet werden. Diese instabilen Umlaufbahnen werden in etwa 200 Tagen zurückgelegt und erfordern regelmäßige Korrekturmanöver.

Orbitale Neigung

Je nach Wert des Bahnneigungswinkels i spricht man von äquatorialer Bahn (i = 0°), quasi-äquatorialer Bahn (i <10 °), polarer oder quasi-polarer Bahn (i nahe 90°). Wenn die Bahnneigung kleiner oder gleich 90° ist, was bei den meisten Satelliten der Fall ist, wird die Bahn als direkt (oder prograd) bezeichnet, ansonsten als retrograd.

Eigentum

Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn, in einer festen Position über der Erde, stehen manchmal im Gegensatz zu sich bewegenden Satelliten . In der Kategorie der polaren Umlaufbahnen ist eine weit verbreitete Umlaufbahn, die sonnensynchrone Umlaufbahn , durch die Bewegung ihrer Umlaufbahn gekennzeichnet, die unter dem Einfluss der Knotenpräzession synchron mit der Bewegung der Erde um die Sonne rotiert . Ein solcher Satellit überfliegt immer wieder zur gleichen Sonnenzeit ein beleuchtetes Gebiet. Eine phasengesteuerte Umlaufbahn ist eine Kategorie der sonnensynchronen Umlaufbahn, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Satellit nach einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen genau über dem gleichen Punkt vorbeifliegt.

Andere Bezeichnungen, die nichts mit den Eigenschaften der Umlaufbahn zu tun haben

Ein Raumfahrzeug kann in eine Standby-Umlaufbahn (normalerweise eine niedrige Umlaufbahn) gebracht werden, um eine günstige Position für das nächste Orbitalmanöver zu erreichen. Eine Driftbahn ist eine vorübergehende Umlaufbahn, die von Satelliten zurückgelegt wird, um passiv ihre endgültige Position in einer geostationären Umlaufbahn zu erreichen. Am Ende seiner Lebensdauer wird der Satellit schließlich in eine Friedhofsumlaufbahn (oder Abfallumlaufbahn) gebracht, um zu vermeiden, dass er sich im Weg der aktiven Satelliten befindet.

Etymologie und mathematische Bedeutung

Das weibliche Substantiv "Orbit" ist eine Anlehnung an das lateinische orbita und bezeichnet die Spur eines Rades.

Ursprünglich ist der Begriff Orbit ein Begriff aus der Mathematik, um die Menge von Punkten zu bezeichnen, die von einer Trajektorie , also einer parametrisierten Kurve, durchlaufen werden . Der Unterschied zwischen "Bahn" und "Bahn" besteht darin, dass die Bahn die Entwicklung des Punktes ausdrückt, während die Bahn ein "statisches" Konzept ist. Für eine Flugbahn ist die Umlaufbahn also das Ganze .

Eine Umlaufbahn kann daher je nach Dynamik des untersuchten Systems jede beliebige Form haben, aber im Laufe der Zeit wurde der Begriff geschlossenen Umlaufbahnen in der Astronomie und Raumfahrt vorbehalten .

Hinweise und Referenzen

  1. Lexikographische und etymologische Definitionen von "Orbit" (Bedeutung II-A) des computergestützten französischen Sprachschatzes , auf der Website des Nationalen Zentrums für Text- und lexikalische Ressourcen Resource
  2. So schreibt er in seinen Kommentaren zur Abhandlung Du ciel von Aristoteles :

    „Platon […] stellt dann den Mathematikern dieses Problem: Welche kreisförmigen und gleichmäßigen und vollkommen regelmäßigen Bewegungen sollten als Hypothesen angenommen werden, damit wir die Erscheinungen der wandernden Sterne retten können? "

    Simplicius , Kommentare zu Aristoteles' Abhandlung Du ciel , II, 12, 488 und 493.

    .
  3. Siehe zum Beispiel Encyclopedia Universalis , Ausgabe 2002, Band 3, Artikel "Astronomy and Astrophysics" ( ISBN  2-85229-550-4 ) oder Notionnaires Universalis - Ideas , ( ISBN  2-85229-562-8 ) , Encyclopedia Universalis France SA, Paris, 2005.
  4. "Anreicherung des Wortschatzes von Weltraumtechniken" , in Ministerium für Industrie (Frankreich) , Bereicherung des Wortschatzes von Erdöl-, Nuklear- und Weltraumtechniken ( online lesen ) , p.  33 (Zugriff am 6. April 2014)
  5. "  Klépérienne Orbite  " , auf http://www.culture.fr/ (Zugriff am 6. April 2014 )
  6. (fr) Luc Duriez, „The problem of two bodies revisited“, in Daniel Benest und Claude Froeschle (Hrsg.), Modern Methods of celestial Mechanics , Gif-sur-Yvette, Frontières, 2. Aufl., 1992, S . 18 ( ISBN  2-86332-091-2 )
  7. Michel Capderou, Satelliten: von Kepler zu GPS , Paris / Berlin / Heidelberg etc., Springer,2012, 844  S. ( ISBN  978-2-287-99049-6 , online lesen ) , p.  321-322
  8. "Orbite" , im Wörterbuch der Französischen Akademie , über das Nationale Zentrum für textuelle und lexikalische Ressourcen .
  9. [1] (Zugriff am 6. April 2014)

Literaturverzeichnis

Siehe auch

Verwandte Artikel

Externe Links

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