Warum kommen defekte Satelliten zur Erde zurück?

Kurz gesagt, der GOCE -Satellit (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) der Europäischen Weltraumorganisation wurde zuletzt in einer extrem niedrigen elliptischen Erdumlaufbahn (LEO) mit einem Perigäum von 195 Kilometern (121 Meilen) und einem Apogäum von 201 Kilometern (125 mi) Höhe über dem Meeresspiegel. In dieser Höhe herrscht immer noch ein gewisser atmosphärischer Druck, wenn auch äußerst schwach, aber angesichts der Geschwindigkeit und der Oberfläche des Satelliten immer noch genug, um zu einem bedeutenden Luftwiderstand und einer Verringerung seiner Umlaufgeschwindigkeit zu führen. Zusätzlich erhöhte Aktivität der Sonnewährend der letzten Wochen führten dazu, dass Sonnenwinde mit erhöhter Partikeldichte die Erde erreichten (Eruptionen und koronale Massenauswürfe) und die Umlaufgeschwindigkeit der Satelliten aufgrund des erhöhten atmosphärischen Widerstands etwas erhöht haben.

   ^{Künstlerische Darstellung des Satelliten Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer der Europäischen Weltraumorganisation im Orbit.}

GOCE ist sogar ein aerodynamisch stromlinienförmiger Satellit, um diesen Luftwiderstand auf ein Minimum zu reduzieren und weniger seiner Treibmittel zu benötigen, um ständig orbitale Reboosts durchzuführen , um seine Geschwindigkeit und damit die Höhe zu erhöhen, aber da ihm sein Treibmittel ausgegangen ist (GOCE verwendete Xenon -Ionen-Antriebstriebwerke angetrieben durch fest installierte 1.300-W-Solarpaneele), wird seine Umlaufbahn aufgrund des atmosphärischen Widerstands langsam abfallen und es wird sein Leben beenden, indem es in die untere und dichtere Atmosphäre fällt, wo es vermutlich vollständig verglüht.

Diese Orbital-Reboosts sind ein Standardverfahren auch für die Internationale Raumstation (ISS), die derzeit in einer Höhe von 230 Meilen (370 km) umkreist, und für jedes neue besuchende Raumschiff (wie die heutige Sojus TMA-11M, die gerade vom Kosmodrom Baikonur gestartet wurde). ) hilft ihm mit eigenen Triebwerken, nachdem das Raumschiff erfolgreich an die Station angedockt hat.

Einige Werte und ein Diagramm des atmosphärischen Drucks in LEO-Höhen und darüber hinaus sind auf der Wikipedia-Seite zu International Standard Atmosphere aufgelistet . Zitieren eines Dokuments der Cornell University über die Schätzung der simultanen Umlaufbahn und der atmosphärischen Dichte für eine Satellitenkonstellation (PDF):

Bei vielen Satelliten im erdnahen Orbit (LEO) ergibt sich die größte dynamische Modellunsicherheit aus dem atmosphärischen Luftwiderstand. Beschleunigung durch Luftwiderstand$a_D$hängt mit der atmosphärischen Dichte zusammen$p$durch die gleichung:

$$a_D = - {1\over2}({C_D{A_v(t)\over{m_s}}})\ {pv_r}^2e_v$$

wo$C_D$ist ein Luftwiderstandsbeiwert,$A_v(t)$ist die Querschnittsfläche des Satelliten in Fahrtrichtung,$m_s$ist die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs,$v_r$ist die Geschwindigkeitsgröße relativ zur umgebenden Atmosphäre und$e_v$ein Einheitsvektor in Richtung der relativen Geschwindigkeit ist. Unsicherheit tritt in diese Gleichung auf drei Arten ein. Zuerst das Skalarprodukt$({C_D{A\over{m_s}}})$, bekannt als inverser ballistischer Koeffizient, ist im Allgemeinen ungewiss und kann zeitlich variieren. Zweitens kann die relative Geschwindigkeit unsicher sein, entweder weil sie noch nicht genau geschätzt wurde oder weil der lokale Wind nicht perfekt mit der Erde rotiert. Schließlich ist die atmosphärische Dichte sehr schwer zu bestimmen. Es gibt drei grundlegende Paradigmen für den Umgang mit der Widerstandsunsicherheit: Sie kann modelliert, direkt oder indirekt gemessen oder in Verbindung mit Satellitenumlaufbahnen geschätzt werden.

Und dies ist ein berechnetes Dichte- und Referenzdichte-gegen-Höhen-Diagramm für Circular Equatorial Orbit (Direkter PDF-Download: Determination of Atmospheric Density in Low-Earth Orbit Using GPS Data , United States Naval Academy, John L. Young III):

Satelliten, die über jedem atmosphärischen Widerstand kreisen, wie die im Geosynchronous (GSO) oder Geostationary Orbit (GEO), normalerweise Kommunikationssatelliten, werden jedoch nicht entsorgt, indem sie in die Atmosphäre deorbitiert werden, wo sie brennen könnten, sondern auf einem Friedhof oder Schrott platziert Entsorgungsbahn einige hundert Kilometer über dem GEO-Gürtel.

Es ist falsch, dass es auf einem erdumkreisenden Satelliten keine Gegenkräfte gibt. Im erdnahen Orbit ist der Luftwiderstand ein wesentlicher Faktor, der dazu führen wird, dass die meisten Satelliten innerhalb von Jahren bis Jahrzehnten nach dem Start wieder eintreten. Tatsächlich haben LEO -Satelliten eine maximale Lebensdauer von 25 Jahren . Um die Erlaubnis der US-Regierung zum Start eines Satelliten zu erhalten, muss der Betreiber eine Analyse durchführen, um zu zeigen, dass der Satellit voraussichtlich innerhalb von 25 Jahren wieder eintreten wird.

Die genaue Höhe, bei der der Wiedereintritt sicher ist, ist schwer anzugeben, da sie von vielen Variablen abhängt (daher die Notwendigkeit einer Analyse und keine strenge Höhengrenze). Die wichtigste Variable ist, wann während des ungefähr 11-jährigen Sonnenzyklus der Satellit in Betrieb sein wird. Der Sonnenzyklus korreliert mit Änderungen der atmosphärischen Dichte in großer Höhe, wodurch sich die Widerstandskräfte auf einen Satelliten um mehr als eine Größenordnung ändern .

Erhöhte Sonnenerwärmung lässt die Thermosphäre aufblähen, da sich dichtere Schichten aus niedrigeren Höhen nach oben ausdehnen. Die Dichte der Thermosphäre kann während des Sonnenmaximums um den Faktor 50 ansteigen, mit einem entsprechenden Anstieg des atmosphärischen Widerstands auf Satelliten.

Der Sonnendruck kann auch dazu dienen, einen Satelliten aus der Umlaufbahn zu bringen; Die Nettoeffekte sind jedoch weniger offensichtlich, da der Sonnendruck in Richtung des einfallenden Sonnenlichts ausgeübt wird und daher für eine beliebige Umlaufbahn keine deterministische Richtung in Bezug auf den Geschwindigkeitsvektor des Raumfahrzeugs hat. Im Gegensatz dazu dient der Widerstand immer dazu, einen Satelliten zu verlangsamen und damit seine Umlaufbahn zu senken. Darüber hinaus ist der Sonnendruck typischerweise eine viel kleinere Kraft als der Luftwiderstand: Während niedriger Sonnenzyklen ist der Sonnendruck typischerweise gleich hoch wie der Luftwiderstand, während der Luftwiderstand während hoher Sonnenzyklen um einen Faktor von 10 oder mehr höher ist.

Allerdings kommt alles unter 500 km definitiv nach Hause; es ist nur eine Frage des wann. Darüber hinaus könnten bis zum Wiedereintritt mehrere Jahrzehnte vergehen. Denken Sie daran, dass, da das Dichteprofil als Funktion der Höhe ungefähr exponentiell ist, der Wiedereintritt auf die gleiche Weise erfolgt, wie ein Mann bankrott geht :

Zwei Wege. Allmählich, dann plötzlich.

Geosynchrone Satelliten, die in der Nähe von 42.000 km betrieben werden, haben praktisch keinen Luftwiderstand. Sie werden in keinem erwägenswerten Zeithorizont wieder eintreten. Deshalb sollen GEO-Vögel in eine Friedhofsbahn gebracht werden , wenn sie das Lebensende erreicht haben, aber bevor sie nicht mehr in der Lage sind, auf Bodenbefehle zu reagieren. GPS-Satelliten arbeiten mit halbem GEO; Sie kommen auch nicht nach Hause.

Schließlich könnte die Begründung für eine LEO-Umlaufbahn ein ganzer Posten sein, aber die kurze Antwort lautet, dass viele Missionen bei GEO keinen Sinn ergeben. So ist es zum Beispiel schwierig, hochauflösende Bilder von der Erde aus dieser Entfernung zu machen. Für die Telekommunikation werden fast ausschließlich GEO-Satelliten eingesetzt. LEO-Satelliten werden für alle möglichen anderen Missionen eingesetzt, von der Erdfernerkundung über die Messung des Erdmagnetfelds bis hin zu spezialisierten wissenschaftlichen Nutzlasten.