Welcher ist der bessere Weg, einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen – direkt oder indirekt?

Viele Menschen haben den Eindruck, dass es für einen Satelliten sehr einfach ist, in die Umlaufbahn zu gelangen, und dass dies ein natürlicher Vorgang ist, nachdem er sich auf normale Weise von der Rakete getrennt hat. Tatsächlich wird der Prozess, bei dem ein Satellit seine Zielumlaufbahn erreicht, im Allgemeinen in zwei Wege unterteilt.

Die erste Möglichkeit ist der direkte Eintritt in die Umlaufbahn. Dabei handelt es sich um die bekannte Methode, den Satelliten mit einer Rakete direkt in die vorgegebene Umlaufbahn zu bringen. Die zweite Möglichkeit ist der indirekte Eintritt in die Umlaufbahn. Dabei bringt eine Rakete den Satelliten zunächst in eine Parkumlaufbahn in niedrigerer Höhe, dann startet der Satellit seinen eigenen Motor zur Beschleunigung und tritt schließlich in einer vorbestimmten Höhe in die Zielumlaufbahn ein. Dabei vollzieht der Satellit in der Regel den sogenannten „Hohmann-Transfer“, d.h. er beginnt im Perigäum und Apogäum der elliptischen Transferbahn mit der Beschleunigung.

Warum entscheiden sich Satelliten für einen indirekten Eintritt in die Umlaufbahn? Um dies zu verstehen, müssen wir die Vor- und Nachteile der beiden Möglichkeiten, in die Umlaufbahn zu gelangen, vergleichen.

Wenn der Satellit direkt in die Umlaufbahn eintritt, ist er schneller. Obwohl sich die Rakete während des gesamten Vorgangs nahezu im angetriebenen Flugzustand befindet und große Mengen Treibstoff verbraucht, kann der Bordtreibstoff gespart werden, da der Satellit für den Betrieb nicht eingeschaltet werden muss. Dadurch wird eine Miniaturisierung und ein geringeres Gewicht des Satelliten erreicht und seine Lebensdauer im Orbit verlängert.

Im Gegensatz dazu muss die Rakete bei der indirekten Orbitaleintrittsmethode den Satelliten nur in eine niedrigere Umlaufbahn befördern und verbraucht dabei weniger Treibstoff, sodass mit der gleichen Startmasse mehr Nutzlast transportiert werden kann. Da der Satellit jedoch eingeschaltet und funktionsfähig sein muss, steigt der Treibstoffbedarf erheblich und die Verweildauer im Orbit ist länger, was größere Risiken birgt.

So werden etwa die Bedienung und Steuerung des Satelliten komplizierter. Zünddauer und Zündzeitpunkt der beiden Starts müssen im Voraus berechnet werden, Schubstärke und -richtung müssen präzise gesteuert werden und auch die Fluglage des Satelliten, Energieversorgung und -verteilung, Wärmeverwaltung usw. müssen während des Langzeittransferorbitflugs präzise gesteuert werden.

Lehren aus Misserfolgen sind in dieser Hinsicht keine Seltenheit. Ende Februar startete das US-Unternehmen SpaceX die erste Charge von „Mini-Versionen“ der zweiten Generation von Starlink-Satelliten. Dem Plan zufolge sollen diese Satelliten zunächst in eine Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 370 Kilometern gebracht werden und einige Tage später mit Manövern zur Anhebung ihrer Umlaufbahn beginnen. Allerdings ging beim Umlaufbahntransferflug des Satelliten etwas schief. Die Höhe ihrer jeweiligen Umlaufbahnen verringerte sich allmählich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, und sie waren gezwungen, den Test zwischen Umlaufbahnhöhen von 340 und 360 Kilometern zu wiederholen. Mindestens zwei Satelliten sind wieder in die Erdatmosphäre eingetreten und verbrannt.

Ein von der Kamera der letzten Stufe der Falcon-9-Rakete aufgenommenes Foto, das die Rakete und den Starlink-Satelliten der zweiten Generation, die „Miniversion“, im Begriff ist, sich im Weltraum zu trennen. (Quelle: SpaceX)

Welche Methode ist also besser, um Satelliten direkt oder indirekt in die Umlaufbahn zu bringen? Dies wird konkret durch die Aufgabenanforderungen bestimmt. Wenn ein Notstart oder eine Weltraumrettungsmission durchgeführt wird und Zeit gespart werden muss, ist es besser, den Satelliten direkt in die Umlaufbahn zu bringen. Wenn für die Mission genügend Zeit zur Verfügung steht, mehr und schwerere Nutzlasten in den Weltraum geschickt werden sollen und das Team von der Zuverlässigkeit des Satellitenprodukts überzeugt ist, ist es besser, dem Satelliten die Möglichkeit zu geben, autonom aufzusteigen. (Autor: Zheng Xiong)