Ugens ekspertspørgsmål: Hvordan holder satellitter deres bane?

I denne uges præmierede spørgsmål til Scientariet får du svar på, hvordan satellitter kan holde den samme position over Jordens overflade.

John Kruse spørger, hvordan satellitter kan holde sig på et fast punkt over Jorden:

Jeg ofte tænkt på hvordan satellitter holder sig på deres plads, når Jorden roterer.

Tv-satellitter er placeret i rummet åbenbart på en sådan måde, at de følger Jordens rotation, som var de monteret på en lang mast på Jorden, så vi kan pejle dem med en parabol. Hvordan kan de blive "hængende" der?

Til forskel fra de "faste" satellitter, mener jeg, at bl.a. GPS-satellitterne ikke hænger faste steder.

Rumfartsekspert, fagmedarbejder og blogger på Ingeniøren, Thomas A. E. Andersen, svarer:

Kommunikationssatellitter sendes normalt ud i det, der kaldes geostationær bane. Det er en bane rundt om Jorden langs ækvator, hvor radius er afstemt, således at satellittens kredsløb følger Jordens.

Satellitten befinder sig faktisk i et frit fald omkring Jorden. Det er omkring 42.000 km fra Jordens centrum. Normalt siger man blot "ca. 40.000 km" over Jorden, selvom Jordens radius er ca. 6.400 km.

Men der er en række faktorer der gør, at det ikke er en stabil position: Jorden ikke er helt kuglerund, Solen og Månens tiltrækning og trykket fra solvinden, som er en strøm af partikler fra Solen.

Derfor er næsten alle satellitter udstyret med styreraketter med brændstof, som benyttes til at korrigere satellitternes position for disse påvirkninger. Typisk omkring 0,1° hver 14 dag. Det er som regel mængden af styrebrændstof, der afgør satellittens levetid.

Moderne kommunikationssatellitter holder i dag omkring 15 år, hvis der ikke opstår andre problemer.

GPS-satellitter kredser i 20.200 kilometers højde, hvilket giver to omløb om dagen. Her er de 24 satellitter fordelt i seks forskellige baneplan med en hældning på 55 grader over ækvator.

Disse skal bruge mere styrebrændstof for at holde placeringen. I de lave baner (som for rumfærgen og rumstationen, ca. 450 km) skal der benyttes langt mere banekorrektion, da banen er nede i den yderste tynde del af Jordens ydre atmosfære, hvor selv de få molekyler, der findes her, giver en lille gnidningsmodstand.

John Kruse vinder to billetter til Experimentarium for sit spørgsmål.

Er du rigtig klog? Nu kan du udfordre dine venner med ekspert-spørgsmål fra Scientariet i Ingeniørens nye Facebook-quiz "Så ka' du lære det!". Klik her for at deltage i quizzen og teste dine venner.

Spørg Scientariet er redigeret af Julian Henlov, juh@ing.dk.

Spørg Scientariet

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til Scientariet.

Kommentarer (17)

Objekter i kredsløb om jorden bliver påvirket af 2 kræfter.
Den første kræft er centrifugalkraften, og er den slyngekrat som jorden skaber da den roterer.
centrifugalkraftens styrke er større jo længere væk fra jorden man kommer. og dens retning afhænger af hvor på jorden man befinder sig. (den er lodret op ved ækvator)

Den anden kræft er tyngdekraften som altid peger ind mod jordens centrum. tyngekraften aftager jo længere man kommer væk man kommer fra jordens centrum

dermed kan vi så se at ved ækvator og kun ved ækvator peger de 2 krafters retninger er modsat hinanden, og da den ene kraft tiltager jo længere man kommer væk fra jorden, og da den anden aftager, må der væk en afstand, eller en ring over ækvator hvor tyngekraften simpelhen ophæves af rotationskraften.

Det er denne ring, som Thomas Andersen beksriver som joprdens geostationær bane
I denne bane kan man hænge satelitter op, og de vil blive hængene det samme sted relativt til jorden, og man kan derfor indstille sin parabol til at pege på en satelit i denne bane, og blive ved med at pege direkte på den
og forblive i denne

  • 0
  • 0

.. er sjældent ser her i dette forum. Det er sikker godt ment, men....men!

Dertil kan det tilføjes at dine indlæg ville vinde hvis du skrev dem i Word og underkastede dem en stavekontrol.

Og hvis ikke så send et bidrag til kræftens bekæmpelse :-)

  • 0
  • 0

Objekter i kredsløb om jorden bliver påvirket af 2 kræfter. Den første kræft er centrifugalkraften,

Hmmmm.. det er altså ikke korrekt, det du skriver der. Objektet bliver påvirket af tyngdekraften og alt afhængigt af højden bliver det påvirket af friktion mod atmosfæren.
Centerfugalkraften findes ikke men er en fiktiv kraft som "kommer fra" satellitens inerti, lyst til at fortsætte i en lige linie mens tyngdekraften hele tiden drejer banen.

Det særlige ved ækvatoriale baner er også kun at et objekt i en sådan bane roterer omkring samme akse som Jorden selv gør (aksen gennem polerne). Dermed kan satelliten følge et punkt på jordoverfladen, hvis omløbstiden er den samme. Det gælder for baner med en radius på ca 36.000 km.

Hvis du virkelig gerne vil se det som "en ring hvor tyngdekraften ophæves af rotationskraften", så gælder det faktisk for enhver cirkulær bane uanset højde og baneplan. Ved at stille tyngdeacceleration lig med centerfugal acceleration og løse for r, så finder du let baneradius for enhver hastighed.

Jeg er sikker på at din uddybning var vel ment, men det var altså noget vrøvl du fik skrevet.

  • 0
  • 0

Dertil kan det tilføjes at dine indlæg ville vinde hvis du skrev dem i Word og underkastede dem en stavekontrol.

Har alle moderne browsere ikke indbygget stavekontrol i dag?

  • 0
  • 0

Skal vi ikke lige for fuldstændighedens skyld slå fast hvad centrifugalkraften er:
I et initialsystem er der ikke en centrifugalkraft. Men hvis man befinder sig i et roterende system - f. eks et koordinatsystem, der ligger fast i en hammerkaster, så opleves der en kraft radiært ud fra centrum det er denne fiktive kraft, der kaldes centrifugalkraften. Beviset for at det ikke er en kraft får hammerkasteren, når han slipper - for så bevæger hammeren sig i en ret linie i et koordinatsystem, der ligger fast i forhold til jordoverfladen - et i denne sammenhæng tilnærmet initialsystem.

  • 0
  • 0

Objekter i kredsløb om jorden bliver påvirket af 2 kræfter. Den første kræft er centrifugalkraften, [...] Den anden kræft er tyngdekraften som altid peger ind mod jordens centrum. tyngekraften aftager jo længere man kommer væk man kommer fra jordens centrum

Som det allerede er pointeret er dette en kæmpe gang vrøvl.

En satellit (ordet satellit betyder i øvrigt i denne sammenhæng "objekt i kredsløb") bliver påvirket af 4 kræfter:

  • Atmofærisk luftmodstand (1)
  • Magnetic residual (2)
  • Solvind (3)
  • Jordens gravitation (4)

Jeg har brugt et enkelt af udtrykkene på engelsk da jeg ikke kender til en retvisende oversættelse af dette.

(1) er af størst betydning i lave kredsløb. Dvs. jo højere kredsløb, jo mindre betydning har denne forstyrrelse, eftersom atmosfærens densitet aftager.

(2) opstår især pga. de elektriske kredsløb i en satellit som kan komme til at virke som en elektromagnet hvis ikke korrekt balanceret. Satellitten vil herved interagere med jordens magnetfelt.

(3) opstår som følge af partikler fra solen som en anden debattør også nævner. Denne forstyrrelse forøges med afstanden til jorden og er således at stor betydning i et geostationært kredsløb.

(4) opstår som følge af at jorden ikke er en perfekt kugle og at dens masse ikke er jævnt fordelt. Denne forstyrrelse opstår også på baggrund af månens tyngdeacceleration.

På grund af disse forstyrrelser kan man kun approksimere et geostationært kredsløb, og man er, som Thomas A. E. Andersen skriver, nødt til at korrigere for disse med jævne mellemrum.

  • 0
  • 0

Jeg synes i øvrigt at Thomas A. E. Andersen bevæger sig ud på dybt vand i følgende:

GPS-satellitter kredser i 20.200 kilometers højde, hvilket giver to omløb om dagen. Her er de 24 satellitter fordelt i seks forskellige baneplan med en hældning på 55 grader over ækvator. Disse skal bruge mere styrebrændstof for at holde placeringen. I de lave baner (som for rumfærgen og rumstationen, ca. 450 km) skal der benyttes langt mere banekorrektion, da banen er nede i den yderste tynde del af Jordens ydre atmosfære, hvor selv de få molekyler, der findes her, giver en lille gnidningsmodstand.

Det hele starter sådan set med en selvmodsigelse. Det er korrekt at GPS-satellitterne har et kredsløb på ca. 20.200 km og at de dermed har to omløb om dagen. Så kunne jeg godt tænke mig at vide hvorfor man skulle være interesseret i "at holde placeringen"? Ideen er netop at satellitterne ikke er stationære.

Pga. de forstyrrelser jeg nævnte i mit forrige indlæg vil en GPS-satellits kredsløb ændre sig - og dermed det samme for dens position på et givet tidspunkt.

Hvis Thomas A. E. Andersen derfor mener at man vil korrigere banen (Orbit Control), så har han ret i at det kræver meget mere brændstof at gøre end at holde en geostationær bane. Og af samme grund gør man det ikke!

I stedet opdaterer man hver 2. time hver GPS-satellits banedata, så satellitterne selv kan fortælle GPS-modtagerne hvor de befinder sig.

  • 0
  • 0

[quote]Objekter i kredsløb om jorden bliver påvirket af 2 kræfter. Den første kræft er centrifugalkraften, [...] Den anden kræft er tyngdekraften som altid peger ind mod jordens centrum. tyngekraften aftager jo længere man kommer væk man kommer fra jordens centrum

Som det allerede er pointeret er dette en kæmpe gang vrøvl.

En satellit (ordet satellit betyder i øvrigt i denne sammenhæng "objekt i kredsløb") bliver påvirket af 4 kræfter:

  • Atmofærisk luftmodstand (1)
  • Magnetic residual (2)
  • Solvind (3)
  • Jordens gravitation (4)

Jeg har brugt et enkelt af udtrykkene på engelsk da jeg ikke kender til en retvisende oversættelse af dette.

(1) er af størst betydning i lave kredsløb. Dvs. jo højere kredsløb, jo mindre betydning har denne forstyrrelse, eftersom atmosfærens densitet aftager.

(2) opstår især pga. de elektriske kredsløb i en satellit som kan komme til at virke som en elektromagnet hvis ikke korrekt balanceret. Satellitten vil herved interagere med jordens magnetfelt.

(3) opstår som følge af partikler fra solen som en anden debattør også nævner. Denne forstyrrelse forøges med afstanden til jorden og er således at stor betydning i et geostationært kredsløb.

(4) opstår som følge af at jorden ikke er en perfekt kugle og at dens masse ikke er jævnt fordelt. Denne forstyrrelse opstår også på baggrund af månens tyngdeacceleration.

På grund af disse forstyrrelser kan man kun approksimere et geostationært kredsløb, og man er, som Thomas A. E. Andersen skriver, nødt til at korrigere for disse med jævne mellemrum.[/quote]

Undskyld, men nr 4 i din liste opstår altså som følge af jordens masse, og den tiltrækning der deraf følger af Newtons gravitationslov (eller mere avanceret ihht Einstains generelle relativitetsteori). At der ikke er tale om en tiltrækning der er konstant og i samme retning er fordi jorden ikke er en perfekt kugle - derfor varierer tiltrækningen (størrelse og retning) pga gravitationen som funktion af den præcise position iforhold til jorden. Det er variationen der (sammen med alle de andre variationer) gør at man jævnlig er nødt til at korrigere banen.

Mvh
Jesper

  • 0
  • 0

Undskyld, men nr 4 i din liste opstår altså som følge af jordens masse, og den tiltrækning der deraf følger af Newtons gravitationslov (eller mere avanceret ihht Einstains generelle relativitetsteori). At der ikke er tale om en tiltrækning der er konstant og i samme retning er fordi jorden ikke er en perfekt kugle - derfor varierer tiltrækningen (størrelse og retning) pga gravitationen som funktion af den præcise position iforhold til jorden. Det er variationen der (sammen med alle de andre variationer) gør at man jævnlig er nødt til at korrigere banen. Mvh Jesper

Jeg synes også jeg har skrevet noget om jordens masse? Jeg er helt enig i det du skriver, og det er fint at du uddyber det.

  • 0
  • 0

.. er sjældent ser her i dette forum. Det er sikker godt ment, men....men! Dertil kan det tilføjes at dine indlæg ville vinde hvis du skrev dem i Word og underkastede dem en stavekontrol. Og hvis ikke så send et bidrag til kræftens bekæmpelse :-)

Som det første synes jeg lige at Hr. Bjarke Mønnike bør købe sig en kost og feje for egen dør..

dernæst kan jeg egentlig godt se at jeg nok har ramt et par meter ved siden af..

men der må være en centrifugal effekt, da undslippelseshastigheden er mindst ved ækvator.

og hvis man regner denne ud udfra
Fck = M * w^2 * r
hvor Fck er centrifugalkraften
M er massen af satelitten
w er jordens vinkelhastighed
og r er afstanden fra satelliten ind til jordens center

så vil denne i en given afstand ophæve tyngekraften??? eller er jeg helt ude at skide.

kan godt se nu at det ikke har med med GO at gøre

  • 0
  • 0

en afstand fra ækvator hvor centrifugal"kraften" er lige så stor som tyngekraften, og hvor de dermed ophæver hinanden, ud fra følgende formel.

Det har Thomas Green allerede svaret på:

Hvis du virkelig gerne vil se det som "en ring hvor tyngdekraften ophæves af rotationskraften", så gælder det faktisk for enhver cirkulær bane uanset højde og baneplan. Ved at stille tyngdeacceleration lig med centerfugal acceleration og løse for r, så finder du let baneradius for enhver hastighed.
  • 0
  • 0

jahh men det forudsætter jo at satellitten har en given hastighed relativt til jordens, og forklarer blot at alle banekurver er mulige. jeg vil finde den banekurve hvor den relative hastighed til et vilkårligt punkt på jorden, er nul. hvilket jeg vil mene er jordens Geosta.bane..

tror bare jeg har generaliseret nogle koncepter, som kun gælder i specifikke tilfælde, derved kommer frem til min lille fabelforklaring

  • 0
  • 0

Har jeg altid ment, at satellitter holdes på plads efter samme princip som jorden, og de øvrige planeter, holdes på plads omkring solen, og månen holdes på plads omkring jorden. Ja vel også solens placering i vores galakse mælkevejen.

Er jeg helt forkert på den?

Selvfølgelig spiller luftmodstand i lavere baner også ind, lige som solen og månens tiltrækning påvirker, men i det store princip er det vel et spørgsmål om gravitationen kontra centrifugalkraften opstået ved en konkret hastighed.

  • 0
  • 0

Ole --du er bestemt ikke på mere tynd is end de mange andre der ikke har læst advarslen herom . Dine antagelser er efter min bedste overbevisning grundlæggende rigtige hvis man blot VIL forstå hvad det er du skriver .
Hvis f.eks. en satelit accellererer fra sin baneholdende højde hastighed vil den med almindelig tale slynges med -centrifugal kraft- ud i rummet . Anderledes kan mit daglige sprog og tanker ikke udtrykke , eller opfatte det .
Alle talemåder skal fortolkes rigtigt .

  • 0
  • 0