Wie bleibt die ISS im Orbit?

Answer 1

Geschwindigkeit. Die Trägheit versucht, es in einer geraden Linie tangential zur Erde zu halten, während die Schwerkraft der Erde es in Richtung Erdmittelpunkt beschleunigt. Richtig ausbalanciert, erhält man eine kreisförmige Umlaufbahn, nicht so richtig, eine Ellipse, eine Parabel oder eine Hyperbel.

Answer 2

Die Frage ist ziemlich weit gefasst, daher muss meine Antwort so lauten, dass sie die möglichen Absichten abdeckt.

Was bedeutet es, im Orbit zu sein?

Einen Planeten zu umkreisen bedeutet im Wesentlichen, sich über dem Planeten zu befinden und sich ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit vorwärts zu bewegen, mit der man auf die Erde zufällt. Dadurch entsteht das Phänomen, ständig auf die Erde zu fallen, sie aber nie zu treffen.

Sir Isaac Newton nutzte die Idee einer Kanone, um dies zu veranschaulichen. Mit langsamer Geschwindigkeit abgefeuert, fiel die Kanonenkugel schnell auf die Erde. Mit höherer Geschwindigkeit abgefeuert, ging es weiter. Jeder Pfad könnte als Kurve gezeichnet werden. Da die Erde rund ist und sich vor uns nach unten krümmt, muss es, so argumentierte er, eine Vorwärtsgeschwindigkeit geben, die in Kombination mit der Schwerkraft eine Kurve erzeugen würde, die der Krümmung der Erde entspricht und daher niemals auf diese absinken würde der Boden.

Okay, was ist mit der Umlaufbahn der ISS?

Für die ISS beträgt diese Vorwärtsgeschwindigkeit in einer Höhe von etwa 250 Meilen (400 km) etwa 17.500 mph (7,8 km/s).

Für eine kreisförmige Umlaufbahn lautet die Gleichung zur Ermittlung der geeigneten Geschwindigkeit:

Wobei G die Gravitationskonstante ist. M ist die Masse des umkreisten Körpers (Erde). R ist der Abstand vom Erdmittelpunkt zum Objekt im Orbit.

Das Objekt fällt also auf die Erde zu, verfehlt aber weiterhin die Erde. Dies ist der wahre Grund, warum Astronauten in der Internationalen Raumstation (ISS) schweben – sie und das Fahrzeug befinden sich im freien Fall. Es liegt nicht daran, dass im Weltraum „Schwerelosigkeit“ herrscht, wie oft gesagt wird. Während die Erdbeschleunigung auf der Erdoberfläche etwa 9,81 m/s^2 beträgt, ist die Erdbeschleunigung in der Höhe der ISS nur auf etwa 8,75 m/s^2 gesunken.

Du schlängelst dich. Wo umkreist die ISS?

Leider haben wir die Höhe bereits erwähnt. Die ISS kreist etwa 250 Meilen (400 km) über uns. Lassen Sie uns ein wenig über seinen Weg sprechen.

Traditionell fliegen NASA-Fahrzeuge, die von Florida aus gestartet werden, in Umlaufbahnen mit einer Neigung von ~28 Grad (dem Breitengrad von Cape Canaveral). Normalerweise starten russische Fahrzeuge in Umlaufbahnen mit einer Neigung von 51,6 Grad (ich werde gleich erklären, warum).

Technisch gesehen können wir ein Raumschiff in jede beliebige Ausrichtung bringen, aber wenn wir ein Fahrzeug starten, nutzen wir gerne die Geschwindigkeit aus, die es aufgrund der Erdrotation bereits hat. Am Äquator dreht sich die Erde am schnellsten und an den Polen am langsamsten. Daher ist es deutlich günstiger, eine Umlaufbahn mit einer Neigung zu erreichen, die der Startbreite entspricht. Alles andere erfordert ein Manöver, das zusätzlichen Treibstoff verbraucht. Für den Weg zum Äquator wird mehr Treibstoff benötigt, für den Weg zu den Polen weniger.

Als die NASA und die Russen über die Platzierung der ISS verhandelten, einigte man sich daher darauf, dass es wirtschaftlicher wäre, sie in einer für die Russen günstigen Neigung zu platzieren. Es ermöglicht auch viel mehr Erdbeobachtungsexperimente, da ein größerer Teil der Erde durchquert wird.

Nun zur Frage, warum gerade 51,6 Grad. Das erscheint zunächst etwas seltsam, da wir wissen, dass die Russen von Baikonur aus gestartet sind. Aber wenn wir auf einer Karte nach Baikonur schauen, sehen wir, dass der Breitengrad etwa 46 Grad beträgt.

Aber manchmal versagen Raketen beim Aufstieg. Und wenn man einen Nachbarn hat, der das Herabfallen von Raketenkörpern als Angriff sehen könnte, ist es ratsam, beim Aufstieg zu vermeiden, über diesen Nachbarn hinwegzufliegen.

Durch den Start mit einer Neigung von 51,6 Grad wird sichergestellt, dass die Raumsonde China erst dann überfliegt, wenn sie sich eindeutig im Weltraum befindet.

Aber auf Ihrem Bild sieht es nicht so aus, als würde es über Nordamerika fliegen?

Dieses Bild ist nur eine einzelne Umlaufbahn. Für eine Umrundung der Erde benötigt die ISS etwa 90 Minuten. Während dieser 90 Minuten hat sich die Erde um etwa 22,5 Grad gedreht. Wenn sie also auf einer Umlaufbahn über eine Stadt flog, wird diese Stadt auf der nächsten Umlaufbahn nicht mehr dort sein. Wenn Sie NASA-Fernsehen schauen, sehen Sie eine Karte, die ein bisschen wie diese aussieht.

Diese Karte zeigt mehr als eine Umlaufbahn, sie zeigt etwa fünf Umlaufbahnen. Lassen Sie sich nicht durch die Form der Karte darüber verwirren, welchen Weg das Fahrzeug nimmt. Es sieht so aus, als würde die ISS ihre Richtung ändern – das ist aber nicht der Fall. Es sieht so aus, weil die Karte flach und nicht wie ein Globus ist. Wickeln Sie es um einen Globus und es wird richtig aussehen. Wenn wir viele Umlaufbahnen zeichnen, erhalten wir etwas, das ungefähr so ​​aussieht:

Die ISS umkreist den größten Teil der Erde – im Grunde überall zwischen 51,6 Grad nördlich des Äquators und 51,6 Grad südlich des Äquators.

Okay, ich stimme dir zu. Braucht es viel Treibstoff, um dort oben zu bleiben?

Nein. Im Gegensatz zu einem Flugzeug in der Atmosphäre muss ein Raumschiff seine Triebwerke nicht ständig nutzen, um voranzukommen. Kehren wir zu unserem Freund Sir Isaac Newton zurück. Newton stellte drei Bewegungsgesetze auf. Das erste ist:

Ein ruhender Gegenstand bleibt in Ruhe, sofern nicht eine unausgeglichene Kraft auf ihn einwirkt. Ein bewegtes Objekt bleibt mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung in Bewegung, es sei denn, es wirkt eine unausgeglichene Kraft auf ihn ein.

Im Vakuum des Weltraums kann sich ein Objekt also mit seiner ursprünglichen Geschwindigkeit weiterbewegen, bis Kräfte auf es einwirken, die es verlangsamen.

Aber die ISS ist nicht sehr weit von der Erde entfernt, also gibt es immer noch ein wenig Gas, durch das wir fliegen müssen. Mit der Zeit bremst der dünne Nebel aus Gasmolekülen im Orbit das Raumschiff durch Widerstandskräfte ab. Diese Verzögerung führt dazu, dass das Fahrzeug seine Umlaufbahn senkt. Aufgrund der ständigen Kollisionen mit Gaspartikeln verliert die ISS täglich bis zu 5 cm/s (0,1 mph) an Geschwindigkeit und 100 Meter (330 ft) an Höhe.

Hier ist ein Bild, das die siebenjährige Geschichte der ISS-Höhe zeigt:

Jeder dieser vertikalen Spitzen nach oben ist ein Schub des Triebwerks (Reboost), der durchgeführt wird, um aufgrund der durch das Abbremsen verlorenen Höhe wieder an Höhe zu gewinnen. Heute führt die ISS diese Verbrennungen etwa einmal im Monat durch.

Bei translatorischen Verbrennungen handelt es sich um Triebwerkszündungen, die von Modulen im hinteren Teil der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt werden, wie z. B. dem Progress, dem ATV (siehe Abbildung unten) oder, falls erforderlich, dem Servicemodul selbst. In der Vergangenheit wurde der Space Shuttle Orbiter auch für translatorische Verbrennungen eingesetzt.

Eine translatorische Verbrennung ist eine Verbrennung, die den Geschwindigkeitsvektor der ISS beeinflusst. Der Geschwindigkeitsvektor stellt die Richtung des Fahrzeugs auf seiner Umlaufbahn dar.

Eine translatorische Verbrennung verleiht dem Fahrzeug eine Deltageschwindigkeit, die dank der Orbitalmechanik zu einer Höhenänderung der ISS führt. Dies wird entweder als Reboost (wenn die Höhe erhöht wird) oder als Deboost (wenn die Höhe verringert wird) bezeichnet.

Es gibt zwei Arten von Reboost: Single Burn und Two Burn. Ein Single-Burn-Reboost beinhaltet eine einmalige Zündung der Triebwerke. Die Auswirkung des Abschusses ist eine Höhenzunahme auf der gegenüberliegenden Seite des Planeten. Diese Art des Reboosts wird für kleine Reboosts durchgeführt, da dadurch die Exzentrizität der Umlaufbahn verändert wird.

Die allgemeine Idee ist, dass, wenn wir an einem Punkt ein Delta-V erzeugen, dieses Delta-V das Fahrzeug während seiner gesamten Umlaufbahn beeinflusst. Im obigen Bild können wir also sehen, dass es die ISS in der ersten Hälfte der Umlaufbahn (gegen den Uhrzeigersinn) aus ihrer nominellen Umlaufbahn hebt. Aber sobald wir den 180-Grad-Punkt passiert haben, können wir sehen, dass das Delta-V die ISS nun wieder auf ihren ursprünglichen Punkt absenkt.

Ein Zwei-Burn-Reboost beginnt im Wesentlichen wie ein Single-Burn-Reboost, zündet jedoch am 180-Grad-Punkt die Triebwerke erneut, um das ursprüngliche Delta-V aufzuheben. Dies führt dazu, dass sich die ISS auf der Höhe der zweiten Verbrennung auf einer neuen Kreisbahn befindet.

Am häufigsten werden Neustarts durch ein angeschlossenes Progress-Modul durchgeführt. Normalerweise verwenden wir die kleineren Triebwerke des Fahrzeugs, da wir nicht möchten, dass die Beschleunigung des Fahrzeugs die laufende Nutzlastforschung stark beeinträchtigt. Normalerweise verwenden wir vier Triebwerke, die jeweils eine Kraft von 13,3 kg-f (29,3 lbf) haben.

Wieder mal schlängeln...

Entschuldigung. Habe ich alles abgedeckt?

Sagen wir ja, weil ich aufgehört habe, auf Isaac Newton und seine Kanonen zu hören.