Baan (hemellichaam).html |
| | | ca | | | de | | | en | | | es | | | fr | | | it | | | nl | | | no | | | pl | | | pt | | | ru | | | ro | | | fi | | | sv | | | tr | | | vo | | |
| |  |
Een baan rond een hemellichaam is de beweging die ruimtevaartuigen zoals kunstmanen en ruimtestations, maar ook manen en planeten, rond een (ander) hemellichaam uitvoeren. Vaak wordt hiervoor de Engelse term orbit gehanteerd.
bewerk Achtergrond
In het begin van de 17e eeuw formuleerde de Duitse astronoom Johannes Kepler de bewegingen van planeten in de wetten van Kepler. Later toonde Isaac Newton aan dat Keplers wetten waren af te leiden met zijn wetten van de zwaartekracht. Verder toonde hij aan dat twee lichamen banen volgen waarvan de omvang omgekeerd evenredig is aan hun massa, rondom het gezamenlijke massamiddelpunt. Wanneer één lichaam veel zwaarder is dan het andere valt dat zwaartepunt ongeveer samen met het middelpunt van het zwaarste lichaam. Zie hiervoor ook het artikel over het zwaartekrachtveld van een hemellichaam.
Bij kunstmatige satellieten rondom een planeet en bij kleine planeten rondom een ster kan het massamiddelpunt gelijk worden gesteld aan het middelpunt van het zwaarste lichaam, waardoor vanuit een satelliet gezien, de Aarde stil staat. Anders wordt het als de verschillen in massa kleiner zijn. Omdat het massamiddelpunt van de Aarde en de Maan buiten het middelpunt van de Aarde ligt, draait de Maan niet alleen rondom de Aarde, maar de Aarde ook rondom de Maan. Een vergelijkbare situatie doet zich voor bij de Zon en Jupiter.
Om te voorkomen dat een satelliet (kunstmatige of natuurlijke) als gevolg van de middelpuntvliedende kracht van het hemellichaam verwijderd raakt, of als gevolg van de zwaartekracht tegen het hemellichaam aanbotst, moeten de straal en de snelheid ervan met elkaar in overeenstemming zijn. Met de wetten van Newton kan worden berekend welke hoogte bij welke snelheid hoort om een satelliet in een stabiele baan te houden.
bewerk Baan rond de Aarde
Rond de Aarde draait één natuurlijke satelliet (de Maan) en een groot aantal kunstmatige satellieten. De vorm van deze banen varieert van zuiver cirkelvormig tot meer elliptisch. Op basis van de hoogte van deze satellieten ten opzichte van het aardoppervlak, worden zij geclassificeerd in een lage (LEO, Low Earth Orbit) of hoge (HEO, High Earth Orbit) baan. Binnen deze categorieën worden er subcategorieën onderscheiden waarbij niet alleen de hoogte van de baan, maar ook de vorm bepalend is.
bewerk LEO (Low Earth orbit, lage baan)
Alle satellieten die zich tussen ongeveer 350 en 1400 km boven het aardoppervlak bevinden worden tot LEO categorie gerekend. In nog lagere banen worden de bewegingen onstabiel als gevolg van atmosferische invloeden. Op deze hoogte worden vooral communicatiesatellieten aangetroffen en wetenschappelijke satellieten waarmee onderzoek wordt verricht aan de bovenste lagen van de atmosfeer. Het voordeel van een satelliet in deze lage baan is dat het plaatsen ervan relatief goedkoop is en aan de zenders aan boord van de satelliet hoeven minder hoge eisen te worden gesteld. Ruimtestations zoals de naar Aarde teruggekeerde Mir en het huidige Internationaal ruimtestation ISS bevinden zich op deze hoogte. Alle objecten in LEO bewegen zich voort met een snelheid van ongeveer 8 km/s, waardoor een volledige omgang rond de Aarde circa 90 minuten duurt. Hoewel de aantrekkingskracht van de Aarde op deze hoogte ruimschoots voldoende is om satellieten op hun plaats te houden, wordt hier door ruimtevaarders gewichtloosheid ervaren.
Als gevolg van de jarenlange ruimtevaartmissies is de LEO vervuild geraakt met ruimteafval zoals afgestoten rakettrappen en restanten van geëxplodeerde satellieten. Onderzoek van het United States Space Command in 1987 heeft aangetoond dat er zich toen zo'n 7000 objecten met een doorsnede van meer dan 10 cm in deze baan bevinden. In de categorie 1 tot 10 cm overtrof het zelfs de 50.000!
bewerk ICO (Intermediate circular orbit, middelhoge cirkelvormige baan)
Alle vaartuigen die zich tussen ongeveer 1400 en 36.000 km boven het aardoppervlak bevinden worden tot de ICO gerekend. In deze middelhoge baan, die ook wel wordt aangeduid met de Engelse term Medium Earth Orbit (MEO), worden vooral GPS satellieten aangetroffen. De banen van de GPS satellieten zijn zo georganiseerd dat vanaf elke plaats op het aardoppervlak minstens drie satellieten boven de horizon staan.
bewerk GSO (Geostationary orbit, geostationaire baan)
Op een satelliet, die in een baan rond de aarde draait, werkt een aantrekkingskracht (of gravitatiekracht) van de aarde, die precies de nodige middelpuntzoekende kracht vertegenwoordigt die nodig is om de satelliet bij deze snelheid in zijn baan te houden. Het is belangrijk dat de snelheid en de gravitatiekracht op elkaar zijn afgestemd. Als ze trager zou draaien, zou ze op de aarde vallen, indien sneller, zou ze van de aarde wegvliegen. Men kan vrij gemakkelijk berekenen (zie Middelpuntzoekende kracht en Zwaartekracht) op welke hoogte een satelliet moet hangen, om precies even snel als de aarde te draaien (circa 3,07 km/s) en bijgevolg t.o.v. de aarde niet te bewegen. Alle satellieten op die hoogte, namelijk 35.785 km boven zeeniveau (in een baan op de evenaar) worden geo-stationaire satellieten genoemd. Dit is zeer handig voor bijvoorbeeld weer- en telecommunicatiesatellieten. Indien deze niet geostationair waren, zouden wij permanent de stand van TV-schotelantennes moeten wijzigen en regelmatig naar een andere satelliet overschakelen. Dit verklaart ook waarom in het noordelijk halfrond TV-schotelantennes altijd naar het zuiden gericht zijn. Geostationaire satellieten kunnen immers enkel op de evenaar 'staan'. Twee nadelen daarvan zijn dat de GSO intussen behoorlijk druk bevolkt is en dat beelden van de polen zwaar vertekend worden.
In 1945 werd door de sciencefictionschrijver Arthur C. Clarke voorspeld dat het mogelijk was om met in totaal drie telecommunicatie satellieten ieder punt op aarde met ieder ander punt te verbinden door middel van radiosignalen, via maximaal 2 satellieten. De geostationaire baan wordt om die reden ook wel de Clarke-Belt genoemd. In 1993 is een patent (US Patent 5,183,225) verleend op het principe van de "statiet"; een hypothetische satelliet die zelfstandig van hoogte verandert om in een geostationaire baan te blijven, waardoor van de evenaar afwijkende geostationaire banen mogelijk worden. In 2004 wordt er van dit principe nog geen gebruik gemaakt.
bewerk GEO (Geosynchronous orbit, geosynchrone baan)
Een geostationaire baan is een bijzonder soort geosynchrone baan. Een satelliet in een geosynchrone baan heeft een omlooptijd van 23,945 uur om en heeft dezelfde draairichting als de aarde. De satelliet kan dus vanaf een enkel punt op aarde gedurende de gehele omloop gezien worden.
De eerste satelliet in een geosynchrone baan werd in 1963 gelanceerd. Sindsdien is het aantal satellieten in een geosynchrone baan gestaag gegroeid. In deze baan bevinden zich vooral weersatellieten en communicatiesatellieten die eenrichtingsverkeer zoals televisie verzorgen. Voor bidirectionele communicatie zoals telefoon zijn geosynchrone satellieten minder geschikt omdat als gevolg van hun hoogte de vertraging in het signaal (ongeveer 250 ms) veelal als storend wordt ervaren.
Er zijn verschillende soorten geosynchrone banen:
bewerk Circulaire banen
Circulaire banen die niet in het vlak van de evenaar liggen. De hoogte van een dergelijke baan is zoals bij een geostationaire baan 35785 km. Een satelliet in een dergelijke baan zal steeds achtjes in de buurt van dezelfde lengtegraad maken, met het kruispunt recht boven het snijpunt van die meridiaan met de evenaar. De uiterste N- en Z-posities liggen recht boven deze lengtegraad, waarbij de satelliet in oostelijke richting beweegt.
bewerk Elliptische banen
De snelheid van de satelliet in een elliptische baan verandert steeds. Volgens de perkenwet van Kepler zal die maximaal zijn in het perigeum (laagste punt boven de aarde) en minimaal in het apogeum (hoogste punt boven de aarde). Apogeum en perigeum kunnen heel verschillend zijn maar hebben steeds een dusdanige relatie dat de omlooptijd van de satelliet 24 uur is. Als de baan in het vlak van de evenaar ligt zal vanaf een punt op de aarde gezien, de satelliet een oost - west beweging maken. Als de vlakken van baan en evenaar niet samenvallen zal vanaf de aarde gezien de satelliet een cirkel- ellips- of achtvormige beweging maken.
bewerk GTO (Geostationary transfer orbit, geostationaire overdrachtbaan)
Om satellieten in een geostationaire baan te brengen worden ze eerst in een LEO gebracht. Vanuit de LEO wordt de baan elliptischer gemaakt waarbij het laagste punt (perigeum) gelijk blijft aan de LEO en het hoogste punt (apogeum) gelijk wordt gemaakt aan de hoogte van een GSO (35785 km). Dit wordt de geostationaire overdrachtbaan of Hohmann transferbaan genoemd. Vanuit deze tijdelijke toestand wordt de baan langzaam uitgerekt tot een zuiver geostationaire baan. Sommige lanceervoertuigen, waaronder de diverse uitvoeringen van de Ariane kunnen een satelliet direct in een GTO brengen.
Van dit principe werd ook onder andere door de Apollo missies naar de maan gebruik gemaakt en ook ruimtesondes worden eerst in een GTO geplaatst voordat ze hun lange reis beginnen.
bewerk PO (Polar orbit, polaire baan)
Een polaire baan staat haaks op de evenaar (inclinatie van ongeveer 90°). Als de baan niet geosynchroon is, zal zo'n satelliet elke locatie op aarde kunnen observeren. Hiervan wordt vooral gebruik gemaakt door (militaire) spionagesatellieten en satellieten die worden gebruik bij onderzoek naar het milieu. Een bekende satelliet in Zon-synchrone polaire baan was de LandSat 7 die zich gemiddeld 700 km boven het aardoppervlak bevindt. Ook de Nederlandse astronomische satellieten ANS en IRAS bewogen in een polaire baan. Polaire banen die sterk elliptisch zijn worden ook wel Molniya banen genoemd (inclinatie van ongeveer 63,5°), naar het Russische woord voor bliksem. Rusland heeft vanwege de noordelijke ligging van het land veel satellieten in een polaire baan gebracht.
bewerk Baan rond andere hemellichamen
De verschillende soorten banen die rond de Aarde gerealiseerd worden, kunnen ook bij andere hemellichamen worden toegepast. Bij de Apollo missies naar de maan bleef er altijd een "orbiter" rond de maan cirkelen terwijl de "lander" neerstreek op het maanoppervlak. Andere hemellichamen waar kunstmatige satellieten in een stabiele baan omheencirkel(d)en zijn Venus, Mars en de Zon. Ruimtesondes met verre bestemmingen maken vaak gebruik van de aantrekkingskracht van planeten. Voyager 1 en 2 hebben van Jupiter en Saturnus een slingshot gekregen om van koers te wijzigen en extra snelheid te krijgen. Om zo zuinig mogelijk te reizen door het zonnestelsel is er een model dat bekend staat als de Interplanetaire snelweg.
bewerk Planetaire banen
Binnen een planetenstelsel zoals het zonnestelsel bewegen alle planeten, planetoïden en kometen in een baan rondom een centrale ster zoals de Zon. Deze banen zijn zelden zuiver cirkelvormig, veelal zijn ze min of meer elliptisch, parabolisch of hyperbolisch. Als gevolg van allerlei zwaartekrachtinvloeden variëren deze banen van tijd tot tijd (orde van duizenden tot miljoenen jaren). Venus en Neptunus vertonen relatief kleine afwijkingen, maar bijvoorbeeld Pluto heeft een dusdanig excentrische baan, dat deze de baan van Neptunus kruist.