Erdumlaufbahn

Eine Erdumlaufbahn ist die Umlaufbahn, der ein Objekt folgt, das um die Erde kreist . Seit Beginn des Weltraumzeitalters (1957) wurden mehrere tausend Satelliten im Orbit um unseren Planeten platziert. Die Umlaufbahnen von Raumfahrzeugen haben unterschiedliche Eigenschaften, um die Ziele ihrer Mission zu erfüllen. Millionen von Weltraumschrott aller Größen, die aus Weltraumaktivitäten resultieren, umkreisen ebenfalls die Erde. Neben von Menschenhand geschaffenen Objekten umkreist ein Naturobjekt, der Mond , die Erde.

Bahnparameter eines Satelliten um die Erde

Die elliptische Bahn eines Satelliten um die Erde wird durch zwei Ebenen - die Bahnebene ( Bahnebene ) und die Äquatorebene (die Ebene, die durch den Äquator der Erde verläuft) - und durch sechs Parameter (die Elemente) beschrieben ): die große Halbachse , Exzentrizität , Neigung , Länge des aufsteigenden Knotens , das Perigäumargument 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 das letzte - Moment des Durchgangs at pericenter - definiert die Position des Objekts.

Die Referenzebene oder Referenzebene ist für Erdumlaufbahnen die Ebene, die durch den Äquator verläuft. 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 ist notwendig, es in Zukunft definieren zu können. Es kann auf verschiedene Weise ausgedrückt werden:

Darstellung von Bahnparametern

Die Parameter Orbitalobjekte in der Erdumlaufbahn werden standardmäßig als Orbitalparameter auf zwei Linien dargestellt (in Englisch Two-Line Elements oder TLE). Die NORAD und die NASA führen einen Katalog dieser Parameter nicht nur für künstliche Satelliten , sondern auch für Weltraumschrott größer als 10 Zentimeter im LEO und 1 Meter im geostationären Orbit (in dieser Größe kann Trümmer nicht einzeln von Blitzern verfolgt werden). Die in diesem Katalog enthaltenen Daten ermöglichen es, jederzeit die Position von Objekten im Orbit zu berechnen. Aufgrund der vielen Störungen, denen sie unterliegen (Einflüsse der Anziehung von Mond und Sonne , atmosphärische Bremsung , Sonnenwind , Photonendruck usw. aber auch Bahnmanöver , müssen diese Parameter jedoch regelmäßig aktualisiert werden und sind nicht nur gültig für einen begrenzten Zeitraum.

Die im Katalog verwalteten Parameter sind wie folgt:

Katalog der Objekte im Orbit

Der Katalog listete Mitte 2019 rund 44.000 Objekte auf, darunter 8.558 seit 1957 gestartete Satelliten. 17.480 werden regelmäßig überwacht Im Januar 2019 schätzte die Europäische Weltraumorganisation , dass die amerikanische Organisation 34.000 Weltraumschrott aufspüren konnte. Millionen kleinerer Trümmer sind nicht aufgeführt.

In diesem Katalog hat jedes Objekt im Orbit zwei Kennungen, die dem Start des Satelliten oder dem Auftauchen neuer Trümmer zugeordnet sind: die COSPAR-Kennung und die NORAD-Kennung . Die COSPAR-Kennung ist eine internationale Kennung, die jedem im Orbit platzierten Objekt mit einer unabhängigen Flugbahn zugewiesen wird. Seine Struktur ist wie folgt: Startjahr, Startnummer, Buchstabe, der es ermöglicht, die verschiedenen gestarteten Satelliten zu unterscheiden. 2021-05C bezeichnet somit einen Satellit, der 2021 während des fünften Starts des Jahres in die Umlaufbahn gebracht wurde und mindestens drei Satelliten umfasste (da ihm der Buchstabe C zugewiesen wurde). Die NORAD-Kennung ist eine Seriennummer, die von der amerikanischen Organisation vergeben wird, wenn Weltraummüll abgeschossen oder entdeckt wird.

Revolutionszeit

Die Umlaufperiode (Umlaufzeit) eines Satelliten um die Erde ist die Zeit, die benötigt wird, um eine vollständige Umdrehung um die Erde zu vollenden. Sein Wert nimmt mit der Entfernung zwischen der Erde und dem Satelliten ab. Sie reicht von 90 Minuten in einer niedrigen Umlaufbahn in einer Höhe von 200 Kilometern bis zu 23 Stunden 56 Minuten in einer geostationären Umlaufbahn. In dieser letzten Umlaufbahn fällt sie mit der Umlaufperiode der Erde zusammen. Der Satellit bleibt somit permanent über derselben terrestrischen Region. Die Umlaufzeit des Mondes beträgt 27,27 Tage.

Umlaufgeschwindigkeit

Die Umlaufgeschwindigkeit um die Erde ist umso geringer, da die Umlaufbahn dazu führt, dass sich der Satellit in erheblichem Abstand von der Erde entfernt. In einer kreisförmigen Erdumlaufbahn beträgt diese Geschwindigkeit 7,9 km / s bei 200 km und 3,1 km / s auf der Ebene der geostationären Umlaufbahn. Der Mond bewegt sich mit einer Umlaufgeschwindigkeit, die zwischen 0,97 und 1,08 km / s pendelt, weil er leicht elliptisch ist. Tatsächlich variiert die Geschwindigkeit bei einer elliptischen Umlaufbahn während der gesamten Umlaufbahn: Sie erreicht ihr Maximum im Perigäum und ihr Minimum im Apogäum . So kann ein Satellit, der sich in einer Umlaufbahn von Molnia befindet, dessen Perigäum sich 500 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt und sein Apogäum bei 39.900 Kilometern befindet, seine Geschwindigkeit von 10 km / s in Erdnähe auf 1,5 km / s in der Spitze erhöhen.

Klassifizierung von Erdumlaufbahnen

Klassifizierung nach Höhe by

Einteilung nach Neigung

Eine geneigte Umlaufbahn ist eine relativ zur Äquatorialebene geneigte Umlaufbahn .

Klassifizierung nach Exzentrizität

Prograde oder retrograde Umlaufbahn

Wenn sich der Satellit mit einer Rotationsbewegung um die Erde dreht, die mit der der Erde identisch ist (im Uhrzeigersinn vom Nordpol aus gesehen), wird seine Umlaufbahn als prograd bezeichnet . Die allermeisten Satelliten befinden sich in einer prograden Umlaufbahn, weil man so von der Rotationsgeschwindigkeit der Erde (0,46 km / s am Äquator) profitieren kann. Ausnahmen sind israelische Satelliten, die nicht nach Westen (= in Richtung der Erdrotation) gestartet werden können, weil die Trägerrakete über bewohntes Land fliegen würde. Sie zirkulieren in einer retrograden Umlaufbahn.

Einfügung in die Erdumlaufbahn

Damit ein Raumfahrzeug in eine Erdumlaufbahn gebracht werden kann, muss ihm eine Mindestgeschwindigkeit mitgeteilt werden. Diese minimale Umlaufgeschwindigkeit beträgt etwa 7,9 km / s für einen Satelliten in einer kreisförmigen Umlaufbahn in 200 km Höhe (dies ist eine horizontale Geschwindigkeit, ein Objekt, das mit dieser oder einer höheren Geschwindigkeit vertikal gestartet wird, würde auf die Erde zurückfallen).

Beträgt die Horizontalgeschwindigkeit weniger als 7,9 km/s, beschreibt die Maschine vor der Rückkehr zur Erde eine je nach Geschwindigkeit unterschiedlich lange Parabel . Wenn die Geschwindigkeit größer ist als die Auslösegeschwindigkeit (11,2 km / s oder 40.320 km / h) seine Flugbahn beschreibt eine Hyperbel und es lässt Erdbahn sich in einer platzieren heliozentrischen Umlaufbahn (rund um die Sonne ).

Orbitabnahme

Lebensdauer eines Satelliten in niedriger Umlaufbahn
Höhe Lebensdauer
200 km Ein paar Tage
250 km ~ 60 Tage
300 km ~ 220 Tage
500 km Ein paar Jahren
1000 km Mehrere Jahrhunderte (indikativ)
1500 km 10.000 Jahre (indikativ)

Die Umlaufbahn eines Satelliten um die Erde ist nicht stabil. Es erfährt Kräfte, die es allmählich verändern. Insbesondere in der niedrigen Erdumlaufbahn wirkt die Restatmosphäre, obwohl sehr dünn, auf das Raumfahrzeug, indem sie eine aerodynamische Kraft erzeugt, die aus zwei Komponenten besteht: dem Auftrieb , senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor, dessen Wert vernachlässigbar ist, bis die dichten Schichten der Atmosphäre erreicht werden (in einer Höhe von ca. 200 km und darunter) und der Luftwiderstand, der die Geschwindigkeit verringert und damit eine Höhenabnahme bewirkt. Der Wert des Luftwiderstands nimmt mit abnehmender Höhe zu, da die Atmosphäre dichter wird. Wenn die Sonnenaktivität intensiver ist, nimmt die Dichte der Atmosphäre in großer Höhe zu, was den Widerstand erhöht. Schließlich hängt der Luftwiderstand auch vom ballistischen Koeffizienten des Raumfahrzeugs ab, dh vom Verhältnis zwischen seinem Querschnitt, wie er in Verschiebungsrichtung erscheint, und seiner Masse. Aufgrund dieser Kraft wird ein Raumschiff in 200 Kilometer Höhe nur wenige Tage im Orbit bleiben, bevor es in die dicken Schichten der Atmosphäre eindringt und zerstört wird (oder landet, wenn es für hohe Temperaturen ausgelegt ist). Bei einer Flughöhe von 1.500 Kilometern tritt dieses Ereignis erst nach etwa 10.000 Jahren ein (siehe Tabelle).

Wenn der Satellit aufgrund seiner Höhe in die dichteren Schichten der Atmosphäre eindringt, erreicht die vom Widerstand aufgrund seiner Geschwindigkeit von rund 8 km / s erzeugte Wärme mehrere Tausend Grad. Wenn das Raumfahrzeug nicht dafür ausgelegt ist, seinen atmosphärischen Wiedereintritt zu überleben , verbrennt es, während es in mehrere Teile zerspringt, von denen einige den Boden erreichen können. Aufgrund des atmosphärischen Widerstands beträgt die niedrigste Höhe über der Erde, bei der ein Objekt in einer kreisförmigen Umlaufbahn mindestens eine volle Umdrehung ohne Antrieb machen kann, etwa 150  km, während das niedrigste Perigäum einer elliptischen Umlaufbahn etwa 90 km beträgt  .

Erdungsspur

Die Bodenspur eines künstlichen Satelliten ist eine imaginäre Linie, die aus allen Punkten besteht, die auf einer Vertikalen liegen, die durch den Erdmittelpunkt und den Satelliten verläuft. Die Spur ermöglicht es, die Sichtbarkeitsorte des Satelliten vom Boden aus zu bestimmen und umgekehrt die vom Satelliten bedeckten Teile der Oberfläche zu bestimmen. Seine Eigenschaften werden durch die Parameter der Umlaufbahn bestimmt. Die vom Satelliten erfüllten Missionsziele, die Position der mit dem Satelliten kommunizierenden Bodenstationen tragen dazu bei, die Form der Bodenspur und damit im Gegenzug die erhaltenen Bahnparameter zu bestimmen.

Zusammenfassung: Höhe, Energie, Periode und Umlaufgeschwindigkeit

Startverlauf
Umlaufbahntyp Höhe über der Oberfläche Entfernung vom Erdmittelpunkt Umlaufgeschwindigkeit Umlaufzeit Orbitale Energie
Erdoberfläche (als Referenz, dies ist keine Umlaufbahn) 0 km 6.378 km 465 m/s (1674 km/h) 23:56 Min. 4,09 Sek. -62,6 Mj / kg
Umlaufbahn auf Oberflächenniveau (theoretisch) 0 km 6.378 km 7,9 km/s (28.440 km/h) 1h24min 18s. -31,2 Mj / kg
Niedrige Umlaufbahn 200 bis 2000 km km 6.600 bis 8.400 km 7,8 bis 6,9 km/s 1h29min bis 2h8min -29,8 Mj / kg
Geostationäre Umlaufbahn 35.786 km 42.000 km 3,1 km / s 23h56m. 4s. -4,6 Mj / kg
Umlaufbahn des Mondes 357.000 - 399.000 km 363.000 - 406.000 km 0,97-1,08 km / s 27,27 Tage -0,5 Mj / kg
Molnia-Umlaufbahn 500–39.900 km 6.900–46.300 km 0,97-1,08 km / s 11h58m. -4,7 Mj / kg

Hinweise und Referenzen

  1. (fr) Luc Duriez, „The problem of two bodies revisited“, in Daniel Benest und Claude Froeschle (Hrsg.), Modern Methoden der Himmelsmechanik , Gif-sur-Yvette, Frontières, 2. Aufl., 1992, S . 18 ( ISBN  2-86332-091-2 )
  2. (in) TS Kelso, "  SATCAT Boxscore  " , CelesTrak (Zugriff am 23. Juni 2019 )
  3. (in) TS Kelso, "  TLE History Statistics  " , CelesTrak (Zugriff am 23. Juni 2019 )
  4. (in) "  Weltraumschrott in Zahlen  " , ESA ,Januar 2019
  5. Weltraummechanik - B - Orbitale Störungen - Kap 3 - Atmosphärisches Bremsen - Lebensdauer , S.  123-128

Literaturverzeichnis

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

Externe Links

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