Diese Seminararbeit handelt von künstlichen Erdsatelliten.
Es wird auf die Geschichte der ersten Satelliten, den Aufbau und den Betrieb moderner Satelliten und die unzähligen Aufgaben, die diese erfüllen eigegangen.
Um die Erde kreisen inzwischen 1419 Satelliten, davon sind heute nach Schätzungen der NASA noch ungefähr 850 funktionstüchtig. Diese Gerätschaften erfüllen diverse Aufgaben, sie dienen zum Beispiel der Forschung oder militärischen Zwecken.
Viele nutzen aber vor allem der Zivilbevölkerung und sind aus der modernen Technik nicht mehr wegzudenken. In bestimmten Bereichen ist die Menschheit abhängig von diesen Satelliten. Trotzdem wissen die meisten Menschen nicht viel über unsere unscheinbaren Helfer.
Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung
2. Der Begriff Satellit
3. Geschichte
3.1 Das Internationale Geophysikalische Jahr
3.2 Die ersten Satelliten
3.2.1 Das Sputnik-Programm
3.2.2 Vanguard und Explorer
4. Aufbau und Betrieb
4.1 Struktur
4.3 Datenbus
4.4 Energieversorgung
4.5 Lageregelung
4.6 Kommunikation
4.7 Nutzlast
4.8 Steuerung
4.9 Sensoren
5. Aufgaben der Satelliten
5.1 Erdbeobachtung und Meteorologie
5.2 Forschungssatelliten
5.3 Kommunikationssatelliten
6. Die geosynchrone Umlaufbahn
7. Abschlussbetrachtung
8. Quellenverzeichnis
8.1 Literatur
8.2 Internetquellen
1.Einleitung
Um unsere Erde kreisen inzwischen 1419 Satelliten, davon sind heute nach Schätzungen der NASA noch ungefähr 850 funktionsfähig. Diese Gerätschaften erfüllen diverse Aufgaben, sie dienen zum Beispiel der Forschung oder militärischen Zwecken. Viele nutzen aber vor allem der Zivilbevölkerung und sind für unsere moderne Technik nicht mehr wegzudenken, wir sind also in bestimmten Bereichen abhängig von diesen Satelliten. Trotzdem wissen die meisten Menschen nicht viel über ihre unscheinbaren Helfer im Weltall. Deshalb entschied ich mich für das Thema „Künstliche Erdsatelliten“ und werde in meiner Seminararbeit über die Geschichte der ersten Satelliten, den Aufbau und Betrieb moderner Satelliten und die unzähligen Aufgaben, die diese erfüllen, informieren.
2. Der Begriff Satellit
Der Begriff Satellit bezeichnet allgemein alle astronomischen Objekte, die einen anderen Himmelskörper, zum Beispiel einen Stern, Planeten, Mond, oder Ähnliches, umkreisen. Es muss also zwischen natürlichen und künstlichen Satelliten unterschieden werden.
Jedes Objekt, das sich im Weltraum befindet und eine Umlaufbahn um einen anderen Himmelskörper besitzt kann also als natürlicher Satellit bezeichnet werden. Der wohl berühmteste von ihnen ist unser Mond - neben ihm existieren aber noch unzählige mehr.
Neben den natürlichen gibt es auch die künstlichen Satelliten, welche vom Menschen gebaut und in eine vorher bestimmte Umlaufbahn gebracht wurden. Umkreisen diese Gerätschaften die Erde, so werden sie Erdsatelliten genannt, umkreisen sie jedoch einen anderen Himmelskörper als die Erde, werden sie in der Fachsprache als Orbiter bezeichnet. Diesen Flugkörpern fehlt ein Eigenantrieb, was sie vom Raumschiff unterscheidet. Sie besitzen aber kleine Kontrollschubdüsen, um kleine Abweichungen von ihrer Position zu korrigieren.
Zusammenfassend kann man also sagen, dass ein künstlicher Erdsatellit ein vom Menschen gebauter und auf seine Umlaufbahn um die Erde gebrachter Flugkörper, der bis auf kleine Schubdüsen keinen eigenen Antrieb besitzt, ist.1
3. Geschichte
3.1 Das Internationale Geophysikalische Jahr
Die Idee zu dem bisher größten weltweit durchgeführten Forschungsprogramm entstand am 5. April 1950 an der Kaffeetafel des amerikanischen Physikers Dr. James van Allen. Die dort zusammengekommenen Wissenschaftler stellten übereinstimmend fest, dass es an koordinierten Beobachtungsdaten fehlte, wenn man mehr über die Vorgänge auf unserer Erde, die Erdgeschichte, die kosmischen Einflüsse auf eben jene und über Klima und Wetter wissen wollte. Man müsste rund um die Erde sowohl auf der Erdoberfläche als auch in der Atmosphäre und in den Weltraum hinein Messungen vornehmen. Der an dem Treffen teilnehmende Geophysiker Dr. Llyod Berkner erinnerte an die beiden „Internationalen Polarjahre“, bei diesen beiden Forschungsprogrammen, die 1882/83 und 1932/33 durchgeführt wurden, errichteten mehrere Nationen Forschungsstationen rund um den Polarkreis. Dadurch wurden zahlreiche neue Erkenntnisse über die Erde gewonnen. Dr. Llyod Berkner wollte ein „Drittes Polarjahr“, diese Idee fand in diversen wissenschaftlichen Organisationen Anklang, nur dieses Mal stand nicht nur der Polarkreis, sondern die gesamte Erde im Fokus. Aufgrund dieser Ausweitung des Forschungsprogrammes wurde im Oktober 1952 entschieden, es in das „Internationale Geophysikalische Jahr“ (engl. „IGY“) umzubenennen. Bei einer Konferenz in Rom trafen die Mitgliedsländer die bedeutendste Entscheidung des gesamten Programms, sie beschlossen: „`die technischen Möglichkeiten für Bau und Abschuss eines künstlichen, mit wissenschaftlichen Messinstrumenten ausgerüsteten Erdsatelliten zu untersuchen´ und, wenn möglich, einen solchen Satelliten in eine Erdumlaufbahn zu bringen.“2
Bei dieser Aufgabe wurden in der Praxis allein die USA in Betracht gezogen, dass aber auch die Sowjetunion eine ausreichende Raketenkapazität haben würde wollte niemand glauben. Allen übrigen 63 Mitgliedsländern war es technisch nicht möglich einen Satelliten zu starten. Die Sowjetunion und USA planten im Rahmen des ersten „Internationalen Geophysikalischen Jahr“ beide einen Satelliten in die Erdumlaufbahn zu bringen, die USA wusste jedoch nichts von den Plänen ihres Mitstreiters und nahm die Anzeichen nicht ernst.3
3.2 Die ersten Satelliten
3.2.1 Das Sputnik-Programm
Am Abend des 4. Oktobers 1957 startete die Sowjetunion unangekündigt Sputnik 1, den ersten künstlichen Erdsatelliten. Diese unerwartete Entwicklung stellte für die USA, welche sich im „Weltraum-Wettrennen“ dem einzigen Kontrahenten weit voraus sahen, eine immense Niederlage dar.4 Sputnik 1 startete vom sowjetischen Weltraumbahnhof Baikonur aus und wurde mit einer nur leicht modifizierten einstufigen R-7 Interkontinentalrakete auf eine Höhe von 230 Kilometern befördert und dort auf über 28000 Kilometer pro Stunde beschleunigt. Somit befand sich Sputnik 1 auf einer Umlaufbahn mit einem Perigäum, dem erdnächsten Punkt, von 215 Kilometern Höhe und einem Apogäum, dem erdfernsten Punkt, in einer Höhe von 939 Kilometern. Der Aufbau war recht einfach gehalten, Sputnik 1 war ein kugelförmiger Aluminiumkörper von 58 Zentimeter Durchmesser und einer Masse von 83,6 Kilogramm mit vier langen Metallantennen zur Übermittlung seines markanten Signals. Die Energieversorgung des ersten Orbitalobjekts der Menschheit wurde nicht wie bei heutigen Satelliten durch Solarzellen sondern durch Batterien sichergestellt. Dieser erste Satellit führte zwei Experimente mit sich, ein Thermometer und einen Funksender welcher 21 Tage lang aktiv war und nicht mehr konnte als ein Signal zu senden, eine sich ständig wiederholende Folge von Piepstönen. Am 4. Januar 1958 also nach 92 Tagen verglühte Sputnik 1 in der Erdatmosphäre und umkreiste in dieser Zeit mit seiner Umlaufdauer von 96,2 Minuten ungefähr 1377-mal die Erde. Durch die Aufwiegelung der westlichen Presse und die Besorgnis der amerikanischen Bevölkerung um den sichtbaren technologischen Rückstand auf einem Gebiet welches zuvor ausschließlich durch die USA bestimmt zu sein schien, entstand ein „Rennen um den Weltraum“ zwischen den USA und der Sowjetunion.5
In diesem Rennen setzten sich die Russen nach kurzer Zeit noch weiter von ihrem Kontrahenten ab. Am 3. November 1957 schossen die Russen ihren zweiten Satelliten, Sputnik 2, in seine Umlaufbahn. Er bewegte sich auf seiner Umlaufbahn in 224 bis 1661 Kilometer Höhe um die Erde und besaß eine Masse von unglaublichen 508 Kilogramm. Der Satellit hatte die Form eines Kegels mit einem Basisdurchmesser von 1,7 Metern und einer Höhe von 4 Metern. Die große Besonderheit von Sputnik 2 war die Tatsache, dass er ein Lebewesen an Bord hatte, die Polarhündin Laika, das somit erste Lebewesen im Weltall. Ihre Rückkehr war technologisch noch nicht möglich und deshalb auch nicht vorgesehen, diese Tatsache führte bei der Bevölkerung zu großem Mitleid, aber erregte auch enormes Interesse, da der aufwendige Versuch der Sowjets, ein Säugetier in die Umlaufbahn zu bringen und Aufschluss über seine Reaktion in der Schwerelosigkeit zu erhalten, nur auf die Absicht der Sowjets, schließlich einen Menschen in das Weltall zu befördern, hinweisen konnte. Den Angaben der russischen Regierung und Raumfahrtbehörde zu Folge hat der Satellit nach sieben Tagen die Übermittlung der Informationen über das Befinden des Versuchstiers eingestellt, Laika sei angeblich schmerzlos gestorben als der Vorrat an Atemsauerstoff zu Ende ging. Laika dürfte jedoch wegen Überhitzung bereits wenige Stunden nach dem Start gestorben sein, da das eingesetzte Kühlsystem überhastet entwickelt und ohne vorherige Tests eingebaut wurde.6
3.2.2 Vanguard und Explorer
Die USA hatte ebenfalls einen Satelliten für das Internationale Geophysikalische Jahr in Entwicklung. Das „Vanguard“-Programm der Marine sollte den ersten Satelliten ins Weltall befördern, als jedoch Sputnik 1 am Himmel auftauchte war dieses Vorhaben gescheitert.
Nach diesem „Sputnik-Schock“ kam in den USA die Diskussion auf, ob nicht die Armee einspringen und eine Trägerrakete, eine erweiterte Interkontinentalrakete mit Namen Jupiter C, herrichten sollte. Eine Gruppe von Forschern in Huntsville, darunter Wernher von Braun, wollte mithilfe der Armee ein ergänzendes Unternehmen zum „Vanguard“-Programm ins Leben rufen. Obwohl die Unterstützung der Armee vorerst nicht genehmigt wurde, konstruierte die Gruppe von Wernher von Braun bereits ihren Satelliten. Erst nach dem zweiten „Sputnik-Schock“ verkündete das Pentagon, dass die Armee damit beauftragt worden sei, mit der Jupiter-C-Rakete die Forschergruppe in Huntsville zu unterstützen. Kurz darauf wurde mit der Aufnahme der offiziellen Arbeiten in Huntsville ein neues Erdsatellitenprogramm geboren, das „Explorer-Programm“.7
Nach dem Start von Sputnik 1 blickte die US-Bevölkerung hoffnungsvoll zum inzwischen berühmtesten Weltraumbahnhof, Cape Canaveral. Dort sollte, laut der US-Regierung, der „Vanguard-Satellit“ bereits startfertig auf der Startrampe stehen und in wenigen Tagen in seine Umlaufbahn gebracht werden. Diese Annahme beruhte auf einem folgenschweren Fehler von James Hagerty, dem Pressesprecher des Weißen Hauses. Dieser wollte nach der Niederlage gegen die Sowjetunion der Bevölkerung eine positive Raumfahrtmeldung überbringen und behauptete deshalb, dass Amerika schon in wenigen Tagen mit den Russen gleichziehen würde, indem das „Naval Research Laboratory“ mit einer „Vanguard“-Trägerrakete ebenfalls einen Satelliten starten würde.8 Durch diesen Fehler stand die Marine unter noch größerem Zeitdruck und setzte den 4. Dezember 1957 als Starttermin des „Vanguard“-Testsatelliten fest. Der Countdown wurde an diesem Tag aufgrund technischer Probleme an der Rakete abgebrochen. Am Tag darauf wurde erneut ein Countdown gestartet, dieser lief bis zum Morgen des 6. Dezember 1957. An diesem Morgen kam es zu einer vernichtenden Niederlage für die Raumfahrtprogramme der USA. Die „Vanguard“- Trägerrakete erhob sich planmäßig von der Startplattform, doch zwei Sekunden später und knapp 1,25 Meter über der Plattform fiel die Rakete begleitet von Feuer, Lärm und Explosionen zurück. Den Satelliten, der eigentlich bereits um die Erde kreisen sollte, fand man am nahegelegenen Strand. Dieser sendete zwar noch sein Signal war aber sonst nicht mehr zu gebrauchen. Projekt „Vanguard“ war dazu bestimmt die Ehre der USA zu retten, führte aber zum genauen Gegenteil, das Ansehen der amerikanischen Raumfahrtprogramme hatte sich noch weiter verschlechtert.
Das Forscherteam und die Armee in Huntsville hatten sich inzwischen mit dem Jet Propulsion Laboratory (JPL), einem Laboratorium für Strahlantriebe, zusammengeschlossen. Mit ihrer modifizierten „Jupiter C“-Trägerrakete, die als Satellitenträger den Namen „Juno 1“ erhielt, hat diese Gruppe immense Fortschritte gemacht und einige Erfolge erzielt. Die Modifikationen an der Rakete waren nicht allzu groß, sie bestanden aus einer Verlängerung der Treibstofftanks um 2,5 Meter und einem Austausch des Treibstoffes Alkohol gegen das energiereichere Dimethyl-Hydrazin, ein Kohlenwasserstoff der für den Raketenantrieb gut geeignet ist. Die beiden Teams der USA, Armee und Marine, unterstützten sich nicht sondern begannen einen neuen Wettlauf. Der nächste Versuch des „Vanguard“-Projekts sollte am 23. Januar 1958 stattfinden. Da der Weltraumbahnhof Cape Canaveral nur ein Kommunikationsnetz, eine Serie von Verfolgungskameras und eine Unterstützungsmannschaft für die Starvorbereitung bereitstellen konnte, war es nicht möglich dass Armee und Marine ihre Raketen gleichzeitig für den Start vorbereiteten. Der geplante „Vanguard“-Starttermin konnte aufgrund heftiger Regenstürme und mehreren kleinen Problemen nicht realisiert werden. Nach weiteren fehlgeschlagenen Versuchen beschloss die Marine dass ihr nächster geplanter Start erst am 3. Februar stattfinden wird. Dadurch hatte die Armee ein Zeitfenster von sechs Tagen um „Explorer“ zu starten. Die „Juno 1“ wurde schnellstmöglich aufgerichtet und überprüft. Nachdem der Satellit, „Explorer 1“ überprüft und mit der Trägerrakete verbunden war, wurde der Starttermin der Öffentlichkeit 24 Stunden vor dem Start bekannt gegeben. Am 29. Januar 1958 sollte „Explorer 1“ starten, schlechte Wetterverhältnisse verhinderten aber den geplanten Start. Erst am 31. Januar waren die benötigten Startbedingungen gegeben und die Trägerrakete mit „Explorer 1“ wurde gestartet. Der Start lief problemlos ab und nach einer Stunde und 54 Minuten erhielten Wernher von Braun und seine Kollegen das erwartete Signal, der Satellit war also in seiner Umlaufbahn und hatte zum ersten Mal die kalifornische Bodenstation, welche das Signal empfangen hatte, überflogen.9 Die USA hatte mit „Explorer 1“ ihren ersten Satelliten ins Weltall gebracht, dieser zylinderförmige Satellit mit abgerundeter Spitze hatte einen Durchmesser von 16 Zentimetern und eine Länge von 205 Zentimetern. Er hatte eine Masse von 13,9 Kilogramm und wurde durch Batterien mit Energie versorgt. „Explorer 1“ führte im Gegensatz zu „Sputnik 1“ schon 4 Experimente mit sich, darunter ein Registriergerät für Mikrometeoriten und kosmische Strahlung und ein Thermometer.10 Für den Erfolg des „Explorer“-Programmes waren drei Leute von großer Bedeutung. Dr. William H. Pickering , früherer Leiter des Jet Propulsion Laboratory , Dr. James A. van Allen, welcher die Instrumente und Experimente konstruierte, und Wernher von Braun, der Leiter des Teams dass die erste Stufe der Trägerrakete gebaut hat. Diese drei Personen wurden in den USA als Helden gefeiert da sie mit „Explorer 1“ die Ehre der Nation gerettet hatten.11 Die Marine wollte am 5. Februar nachziehen und führte den zweiten „Vanguard“-Startversuch durch. Nach 57 Sekunden Flug trat ein Fehler im Lenksystem auf und die Trägerrakete zerbrach durch die resultierenden Schwankungen, somit war auch der zweite Versuch der Marine missglückt.
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1 Vgl. https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-a-satellite-58.html
2 Siehe Geschichte der Raumfahrt S.333f
3 Vgl. Geschichte der Raumfahrt S.333ff
4 Vgl. Geschichte der Raumfahrt S.340f
5 Vgl. Typenkompass: Satelliten seit 1957 S.8
6 Vgl. Typenkompass: Satelliten seit 1957 S.8f
7 Vgl. Geschichte der Raumfahrt S.345
8 Vgl. Typenkompass: Satelliten seit 1957 S.18
9 Vgl. Geschichte der Raumfahrt S. 345ff
10 Vgl. Typenkompass: Satelliten seit 1957 S.13-17
11 Vgl. https://www.nasa.gov/mission_pages/explorer/explorer-overview.html
- Quote paper
- Anonymous,, 2016, Künstliche Erdsatelliten. Der Werdegang moderner Satelliten, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/992713
