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Satellit im Orbit

Three... Two... One... Zero... Ignition... and Lift-off! Welche Rakete kann das Gravitationsfeld der Erde verlassen? Wie muss eine Rakete gebaut sein, um einen Satelliten in eine bestimmte Umlaufbahn zu schießen? In welcher Umlaufhöhe kreist ein Satellit und wie schnell ist er? Antworten auf diesen Fragen bietet das Experiment "Satellit im Orbit". Hier kann man verschiedene Raketen bauen und ihre Funktionstüchtigkeit im Weltall testen.

Satelliten-Simulation starten

In diesem Szenario wurde eine dreistufige Rakete mit einer Stufenverteilung von 60% (Stufe 1) zu je 20% (Stufe 2 und 3) gewählt. Die Ausstoßgeschwindigkeit beträgt 3.500 Meter pro Sekunde, als Nutzlast wurde eine Tonne angegeben. Mit dieser Rakete ist es gelungen, einen Satelliten auf die geostationäre Umlaufbahn in einer Höhe von 35756 km zu bringen. Der Satellit kreist in 24 Stunden einmal um die Erde. Liegt seine Bahn direkt über dem Äquator, scheint er am Himmel auf der Stelle zu stehen.

Funktionsweise des Experiments "Satellit im Orbit"

Detailaufnahme des Satelliten-Experiments: Schieberegler zur Einstellung der Stufenverteilung

Mehrstufenraketen besitzen mehrere Antriebsaggregate und werfen nach Abbrand des Treibstoffs einer Stufe die komplette Stufe ab. Diese Raketen erzielen größere Endgeschwindigkeiten und Flughöhen als einstufige Modelle.

Ziel des Experiments ist es, einen Satelliten in eine Erdumlaufbahn zu bringen. Möglich ist der Einsatz einer ein- oder einer dreistufigen Rakete. Wurde die dreistufige Rakete gewählt, kann mit den Schiebereglern das Verhältnis der einzelnen Antriebsstufen zueinander bestimmt werden. Die einstufige Rakete ermöglicht keine Wahl der Antriebsstufen.

Bei beiden Raketenarten lassen sich Nutzlast (zwischen einer und 15 Tonnen) und Ausstoßgeschwindigkeit (von 2.000 bis 3.500 Meter pro Sekunde) über Schieberegler verändern.

Nun wird es spannend: Der Raumflug kann beginnen! Hierfür einfach den "Start-Button" drücken.

Je nach Wahl der Stufenverteilung und Ausstoßgeschwindigkeit des Treibstoffs kann die Rakete einen Satelliten in unterschiedliche Umlaufbahnen transportieren, das Gravitationsfeld der Erde verlassen oder gar auf die Erde stürzen! Ausgegeben werden Daten wie das Gesamtgewicht der Rakete, die Endgeschwindigkeit des Satelliten, die Höhe der Umlaufbahn sowie die Umlaufzeit des Satelliten. Im "Kommentar-Fenster" werden die Auswirkungen der gewählten Parameter auf die Mission erläutert.

Der Knopf "Neue Rakete" setzt die Einstellungen zurück und unterbricht den aktuellen Raketenstart.

Weiterführende Informationen - Kosmische Geschwindigkeiten

Detailaufnahme des Satelliten-Experiments: Regulierung der Ausstoßgeschwindigkeit

Raketenantriebe mit Flüssig- und Festbrennstoffen erreichen derzeit Ausstoßgeschwindigkeiten von ca. 2.820 - 3.200 m/s, das sind ca. 10.000 - 10.820 km/h. Forscher sind dabei, Triebwerke mit höheren Geschwindigkeiten zu entwickeln. Für den Versuch wurde eine maximale Ausstoßgeschwindigkeit von 3.500 m/s angenommen.

Raketen müssen das Schwerefeld der Erde und die Reibung der Erdatmosphäre überwinden, um in den Weltraum zu kommen. Die benötigten Geschwindigkeiten hängen davon ab, wie weit sich die Rakete von der Erde entfernen soll. Für die verschiedenen Flugbahnen gibt es dabei ganz bestimmte Anfangsgeschwindigkeiten, mit denen sich ein Raumflugkörper von der Erde entfernen muss, die so genannten vier kosmischen Geschwindigkeiten.

Bei einer Geschwindigkeit von 7,9 km pro Sekunde (die erste kosmische Geschwindigkeit) erreicht zum Beispiel ein Satellit eine Kreisbahn um die Erde in etwa 100 km Höhe. Satelliten bewegen sich im Schwerefeld der Erde durch das Wechselspiel von Fliehkraft und Schwerkraft. Die Bahn ist stabil, wenn der Satellit weder infolge der Schwerkraft auf die Erde stürzt noch infolge der Zentrifugalkraft (Fliehkraft), die durch die kreisförmige Bewegung entsteht, aus der Bahn herausgeschleudert wird – wenn sich die beiden Kräfte also genau die Waage halten. Ist die Geschwindigkeit höher, aber unterhalb von 11,2 km/s, ist die Flugbahn um die Erde elliptisch.

Detailaufnahme des Satelliten-Experiments: Die Rakete verlässt das Gravitationsfeld der Erde.

Die Stufenverteilung der Rakete beträgt bei diesem Versuch 5% (1. Stufe) zu 90% (2. Stufe) zu 5% (3. Stufe). Als Ausstoß-Geschwindigkeit wurden 3,5 km/h gewählt, als Nutzlast ein Gewicht von 1 Tonne. Die Rakete verlässt hier das Gravitationsfeld der Erde, der Satellit kann deshalb nicht auf eine Umlaufbahn gebracht werden.

Um vom Erdboden aus das Schwerefeld der Erde zu verlassen, muss eine Rakete auf etwa 11,2 km/s (die zweite kosmische Geschwindigkeit oder Fluchtgeschwindigkeit, entspricht etwa 40 000 km in der Stunde) beschleunigt werden. Damit bliebe der Flugkörper aber noch innerhalb des Planetensystems. Ein von der Erde gestartetes Raumschiff könnte das Schwerefeld der Sonne verlassen, wenn seine Anfangsgeschwindigkeit mindesten der dritten kosmischen Geschwindigkeit von etwa 16,6 km/s entspricht. Die vierte kosmische Geschwindigkeit (etwa 100 km/s) ist die Geschwindigkeit, mit der ein Flugkörper von der Erde gestartet werden muss, damit er die Milchstraße, also unsere eigene Galaxie, verlassen kann.

Was sind Satelliten?

Satelliten sind unbemannte Raumflugkörper, die sich auf einer festen Umlaufbahn um die Erde bewegen. Ein Satellit braucht Energie, muss mit der Erde kommunizieren und seine Position bestimmen und verändern können. Um ihn mit Energie zu versorgen, werden heute vor allem Solarzellen und aufladbare Batterien eingesetzt - diese sind notwendig, um die Energieversorgung aufrechtzuerhalten, wenn die Sonne von der Erde verdeckt wird.

Detailaufnahme des Satelliten-Experiments: erdnahe Satelliten-Umlaufbahn

Bei einer Ausstoßgeschwindigkeit von 3,5 km/s und einer Nutzlast von 3 Tonnen transportiert die einstufige Rakete den Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn. Der Satellit umrundet mehrmals am Tag die Erde. Die Flughöhe von 200 km überlebt der Satellit jedoch nur eine gute Woche, da ihn die restliche Atmosphäre bremst.

Antennen dienen dazu, die Telekommunikations- oder Fernsehsignale zu empfangen und weiterzuleiten oder gemessene Daten zur Erde zu funken. Außerdem haben die Antennen die Funktion, Daten über Temperatur und Stromversorgung und die Position des Satelliten zu übermitteln und Kommandosignale von der Erde zu empfangen. Das ist notwendig, weil die meisten Satelliten ohne Korrektur langsam ihre Umlaufbahn und ihre Ausrichtung verlassen würden, und zwar wegen der Bremswirkung der Erdatmosphäre oder der Schwerkraftfelder von Sonne und Mond.

Um die Position zu halten, gibt es bei den meisten Satelliten Steuerdüsen, die an den Außenseiten des Gehäuses angebracht sind. Da der Treibstoff natürlich begrenzt ist, haben die meisten Satelliten eine maximale Funktionsdauer von zehn Jahren. Danach verlassen sie langsam ihre Position und werden dadurch unbrauchbar; irgendwann werden sie von der Erdatmosphäre so stark abgebremst, dass sie schließlich abstürzen und verglühen. Je nach Bahnhöhe kann dieser Prozess bis zu einigen Tausend Jahren dauern.

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