Kann ein außer Kontrolle geratener Satellit verfolgt werden? Heute vor 30 Jahren haben es unsere Wissenschaftler geschafft!

Satellitenstarts sind keine Seltenheit mehr, doch manchmal geraten einige Satelliten aus dem einen oder anderen Grund „außer Kontrolle“. Doch heute vor 30 Jahren, am 25. Dezember 1993, gelang es chinesischen Wissenschaftlern, einen bergbaren Satelliten zu verfolgen und einzufangen, der vor mehr als zwei Monaten außer Kontrolle geraten war. Damit war ein Wunder in der Weltraumtechnologie meines Landes vollbracht. Kann ein Satellit „verfolgt“ werden, auch wenn er „außer Kontrolle“ ist? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zunächst die wiederherstellbaren Satelliten verstehen.

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Wiederherstellbarer Satellit : der „ Ausführer “ von Weltraummissionen, der hinausgeht und zurückkommt

Wie der Name schon sagt, ist ein wiederherstellbarer Satellit ein Satellit, dessen Teilstruktur nach Abschluss seiner Weltraumflugmission wieder in die Atmosphäre eintreten und zur Erde zurückkehren kann . Die Satellitenbergungstechnologie ist ein Pionier in der bemannten Raumfahrt. Den Vereinigten Staaten gelang es 1960 erstmals, den bergbaren Satelliten Discoverer 13 zu bergen. China startete und bergte 1975 erfolgreich den Fernerkundungssatelliten Pioneer 1 und war damit nach den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion das dritte Land, das die Technologie zur Satellitenrückführung beherrschte .

Discoverer 13 wurde am 8. Oktober 1960 von der Vandenberg Air Force Base in den Vereinigten Staaten gestartet (Quelle: Wikipedia)

Am 26. November 1975 wurde Chinas erster wiederherstellbarer Satellit erfolgreich gestartet (Quelle: Screenshot des CCTV News-Videos)

Ursprünglich war die Entwicklung rückholbarer Satelliten dazu gedacht, den Bedarf der militärischen Aufklärung und Landvermessung zu decken. Zu dieser Zeit war für die Fototechnik die Verwendung von Filmen erforderlich. Um im Weltraum aufgenommene Fotos zur Entwicklung und Analyse zur Erde zurückzusenden, wurden rückholbare Satelliten entwickelt.

Heutzutage können mit der rasanten Entwicklung mehrerer Disziplinen wie der Digitalfotografie und der Datenübertragung von Satelliten erfasste Bilddaten direkt aus dem Weltraum zur Erde übertragen werden, und wiederherstellbare Satelliten werden zunehmend in Experimenten der Weltraumwissenschaft und -technologie eingesetzt . Bergbare Satelliten können beispielsweise Mikrogravitations-Wissenschaftslabore transportieren und nach Abschluss der Experimente zur Erde zurückkehren, um so Testproben zu bergen. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden in großem Umfang bei der Forschung und Entwicklung neuer Materialien, neuer Medikamente, neuer Nutzpflanzen und anderer Produkte verwendet.

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Warum geriet der bergbare Satellit außer Kontrolle ?

Die Rückkehr eines Satelliten erfordert normalerweise Prozesse wie Modultrennung , Deorbitierung, Übergang, Wiedereintritt und Landung . Es kommt vor, dass Satelliten im Weltraum Befehle nicht befolgen. Dies kann auf eine Kombination von Faktoren zurückzuführen sein , beispielsweise auf mechanische Fehler, Softwarefehler, Kommunikationsunterbrechungen, Probleme mit der Stromversorgung usw. Der französische Satellit SPOT-3 beispielsweise geriet einmal aufgrund eines Gyroskopfehlers außer Kontrolle, und die Solarmodule konnten kein Sonnenlicht mehr empfangen und nicht mehr den Strom erzeugen, der für den normalen Betrieb des Satelliten erforderlich war. Auch Japans Satellit „Kikuka“ 6 wich aufgrund eines Defekts am Düsenantrieb von seiner geplanten Umlaufbahn ab. Darüber hinaus kann die Weltraumumgebung auch den normalen Betrieb von Satelliten beeinträchtigen. Beispielsweise können Sonnenstürme und kosmische Strahlung sehr wahrscheinlich die Kommunikationsfunktionen und das Stromversorgungssystem des Satelliten stören , was dazu führen kann, dass der Satellit die Kontrolle verliert und die Umlaufbahn verlässt.

Nehmen wir als Beispiel den von meinem Land zum ersten Mal verfolgten wiederherstellbaren Satelliten: Am 8. Oktober 1993 startete mein Land den 15. wiederherstellbaren Satelliten. Als der Satellit jedoch zurückkehrte, funktionierte der Infrarotkanal des Betriebssegments nicht richtig und die Fluglage erreichte nicht den vorgegebenen Winkel. Nachdem der Rückkehrbefehl vom Boden ausgegeben worden war, empfing der Satellit den Befehl in der falschen Position und wich somit von der vorbestimmten Umlaufbahn ab, was dazu führte, dass der Satellit nicht „nach Hause zurückkehren“ konnte.

Am 25. Dezember 1993 gelang es chinesischen Wissenschaftlern, einen bergbaren Satelliten einzufangen, der vor mehr als zwei Monaten außer Kontrolle geraten war. Das Bild zeigt die Szene, als die Rakete Langer Marsch 2C vom Jiuquan-Startzentrum am 8. Oktober 1993 den Satelliten ins All schoss (Quelle: Screenshot der Zeitung)

Um zu verhindern, dass der bergbare Satellit außer Kontrolle gerät, haben Luft- und Raumfahrtingenieure eine Reihe standardisierter Verfahren entwickelt. Zunächst werden höhere Standards für die Konstruktion und Herstellung bergbarer Satelliten festgelegt und die Zuverlässigkeit von Software und Hardware umfassend verbessert. Die zweite Aufgabe besteht darin, technische Optimierungen an den Kommunikations- und Überwachungssystemen des Satelliten vorzunehmen, um den Gesundheitszustand und Betriebsstatus des Satelliten rechtzeitig zu verstehen und rasch reagieren zu können. In den letzten Jahren wurden auch fortschrittliche Technologien wie maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz eingeführt, um eine intelligente Steuerung von Satelliten zu erreichen.

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Wie kann man einen Satelliten verfolgen, der sich erholt, nachdem er die Kontrolle verloren hat ?

Der Versuch, einen außer Kontrolle geratenen Satelliten im weiten Weltraum aufzuspüren, gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Die Suche nach diesen verlorenen Satelliten ist noch immer eines der schwierigsten Probleme, die Luft- und Raumfahrtingenieure lösen müssen.

Zunächst können wir versuchen, den Funkkontakt zum Satelliten wiederherzustellen . Durch Technologien wie den Doppler-Effekt, die Phasendifferenzmessung und die Codeverfolgung können wir wichtige Informationen wie die Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Satelliten erhalten.

Darüber hinaus ist es in den letzten Jahren durch die Entwicklung von Technologien wie künstlicher Intelligenz und Big Data gelungen, eine hohe Effizienz und Genauigkeit bei der kontinuierlichen und automatischen Verfolgung von Satelliten zu erreichen.

Die Suche nach Satelliten mithilfe der Radarerkennungstechnologie ist außerdem eine der zuverlässigsten und effektivsten Methoden zur Satellitenverfolgung. So nutzte die NASA beispielsweise im Jahr 2017 moderne landgestützte Radargeräte, um die indische Raumsonde Chandrayaan-1 zu entdecken, die acht Jahre lang vermisst war.

Indiens Sonde Chandrayaan-1 (Quelle: Wikipedia)

Darüber hinaus kann auf dem Satelliten intelligente Hard- und Software installiert werden, die es ihm ermöglicht, bei Kontrollverlust rechtzeitig eine Selbstrettung durchzuführen und die Kommunikation mit der Erde aktiv wiederherzustellen.

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Wenn die Verfolgung fehlschlägt, wohin wird der außer Kontrolle geratene Satellit fliegen ?

Wenn ein außer Kontrolle geratener, bergbarer Satellit nicht verfolgt werden kann, kann er aufgrund seiner erschöpften Energie von selbst in die Erdatmosphäre stürzen oder lange Zeit im Weltraum verbleiben und zu Weltraumschrott werden. Da bergbare Satelliten oft verschiedene Testgeräte an Bord haben, ist es wahrscheinlich, dass diese Testgeräte schädliche Chemikalien oder radioaktive Substanzen enthalten. Sobald sie in die Erdatmosphäre oder den Boden gelangen, verschmutzen sie daher unweigerlich die Luft, den Boden und die Wasserressourcen und verursachen unermesslichen Schaden für die menschliche Gesundheit und die ökologische Umwelt . Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass außer Kontrolle geratene Satelliten von anderen Ländern kontrolliert und genutzt werden und so die internationale Sicherheit und die regionale Stabilität gefährden . Im Jahr 2008 zerstörten die Vereinigten Staaten einen außer Kontrolle geratenen Aufklärungssatelliten, um zu verhindern, dass die an Bord befindlichen hochmodernen Bildsensoren technische Geheimnisse preisgaben.

Schematische Darstellung von Weltraumschrott (Quelle: Wikipedia)

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Wenn die Verfolgung erfolgreich ist , wie kehrt der außer Kontrolle geratene Satellit dann nach Hause zurück ?

Wenn ein Satellit außer Kontrolle gerät, können wir versuchen, ihn mithilfe technischer Mittel wieder unter Kontrolle zu bringen. Das wichtigste davon ist die Fernsteuerung, d. h. die Fernsteuerung des Satelliten durch das Bodenkontrollzentrum, um seine Lage und Umlaufbahn zu steuern. Doch wer den Satelliten wieder sicher zur Erde bringen will, muss noch viele Hürden überwinden.

Der erste Schritt besteht darin, die Lage anzupassen, d. h. die Lage des Satelliten genau an die Rückkehrlage anzupassen und stabil zu halten .

Die zweite ist das Bremsen, also das präzise Zünden der Bremsrakete, damit der Satellit aus der ursprünglichen Fehlumlaufbahn ausbrechen und in die vorgegebene Rückkehrumlaufbahn eintreten kann.

Aufgrund der begrenzten Leistung des wiederherstellbaren Satelliten ist es jedoch schwierig, den oben beschriebenen Prozess durchzuführen. Doch selbst wenn es noch immer im Weltraum festsitzt, kann es bei normaler Satellitenkommunikation seine eigenen Betriebsdaten und Testüberwachungsdaten zur Erde senden und weiterhin „seine Restwärme nutzen“.

Autor: Zhu Lei, PhD in Luft- und Raumfahrtantriebstheorie und -technik, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Gutachter: Deng Xiaotao, leitender Ingenieur, AECC Hunan Power Machinery Research Institute

Produziert von: Science Popularization China

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