Baan (hemellichaam)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
(Doorverwezen vanaf Low Earth Orbit)
Ga naar: navigatie, zoeken

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. De hemelmechanica houdt zich bezig met de berekening van banen.

Achtergrond[bewerken]

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.

De banen die de Aarde en Maan om elkaar draaien met de lichtblauwe stip als massamiddelpunt. De tekening is niet op schaal en afstand is in werkelijkheid vele malen groter.

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 (kunstmatige of natuurlijke) satelliet als gevolg van de traagheid 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.

Baan rond de Aarde[bewerken]

Rond de Aarde draait één natuurlijke satelliet (de Maan) en een groot aantal kunstmatige satellieten. De vorm van deze banen varieert van vrijwel cirkelvormig (eenparig cirkelvormige beweging) 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.

LEO (Low Earth orbit, lage baan)[bewerken]

Alle satellieten die zich tussen ongeveer 350 en 1400 km boven het aardoppervlak bevinden worden tot LEO-categorie gerekend. Op deze hoogten worden vooral communicatiesatellieten aangetroffen en wetenschappelijke satellieten waarmee onderzoek wordt verricht aan de bovenste lagen van de atmosfeer. 350 km is de minimale hoogte; bij een lagere baan is de luchtweerstand te hoog en zal de satelliet zeer spoedig naar de aarde terugvallen. Het voordeel van een satelliet in zo'n lage baan is dat het plaatsen ervan relatief goedkoop is en aan de zenders aan boord van de satelliet minder hoge eisen hoeven te worden gesteld. Ruimtestations zoals de naar Aarde teruggekeerde Mir en het huidige Internationaal ruimtestation ISS bevinden zich in een LEO. Alle objecten in een LEO bewegen zich voort met een snelheid van ongeveer 8 km/s, waardoor een volledige omgang rond de Aarde circa 90 minuten duurt. Zoals in alle satellieten wordt hier door ruimtevaarders gewichtloosheid ervaren, zolang er geen raketmotoren gebruikt worden.

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. Dit komt neer op 1 stuk van willekeurige grootte per circa 12 miljoen km3.

ICO (Intermediate circular orbit, middelhoge cirkelvormige baan)[bewerken]

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 vier satellieten boven de horizon staan.

GSO (Geosynchronous orbit, geosynchrone baan)[bewerken]

Een satelliet in een geosynchrone baan heeft een omlooptijd van 23,945 uur en heeft dezelfde draairichting als de aarde.

Er zijn verschillende soorten geosynchrone banen:

Circulaire banen[bewerken]

Circulaire banen die niet in het vlak van de evenaar liggen. De hoogte van een dergelijke baan is zoals bij een geostationaire baan 35 785 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.

Elliptische banen[bewerken]

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-westbeweging maken. Als de vlakken van baan en evenaar niet samenvallen zal vanaf de aarde gezien de satelliet een cirkel- ellips- of achtvormige beweging maken.

GEO (Geostationary orbit, geostationaire baan)[bewerken]

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. Een satelliet in een geostationaire baan beweegt zich ook nog in een circulaire baan boven de evenaar. Hierdoor blijft de satelliet altijd op hetzelfde punt ten opzichte van de aarde en is dus stationair.

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.

GTO (Geostationary transfer orbit, geostationaire overdrachtbaan)[bewerken]

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 (35 785 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 Apollomissies naar de maan gebruikgemaakt en ook ruimtesondes worden eerst in een GTO geplaatst voordat ze hun lange reis beginnen.

PO (Polar orbit, polaire baan)[bewerken]

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 gebruikgemaakt door (militaire) spionagesatellieten en satellieten die worden gebruikt bij onderzoek naar het milieu. Een bekende satelliet in een polaire baan is 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.

Baan rond andere hemellichamen[bewerken]

Twee hemellichamen die om elkaar heen draaien, draaien altijd om hun gezamenlijk massamiddelpunt. Indien twee hemellichamen slechts een klein verschil in massa hebben ligt het massamiddelpunt niet in de buurt van het zwaartepunt van het zwaarste hemellichaam, maar daar buiten, richting het minder zware hemellichaam. De afmetingen en dit type van omwenteling gelijkt op dat van de hemellichamen Pluto en zijn maan Charon.

De verschillende soorten banen die rond de Aarde gerealiseerd worden, kunnen ook bij andere hemellichamen worden toegepast. Bij de Apollomissies 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 bekendstaat als de Interplanetaire snelweg.

Planetaire banen[bewerken]

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 nooit zuiver cirkelvormig of parabolisch, veelal zijn ze min of meer elliptisch of hyperbolisch. De parabolische en hyperbolische banen zijn niet periodiek en komen voornamelijk bij kometen voor. Als gevolg van allerlei zwaartekrachtinvloeden variëren de periodieke banen van tijd tot tijd (orde van duizenden tot miljoenen jaren). Venus en Neptunus vertonen relatief kleine afwijkingen, maar Pluto heeft een dusdanig excentrische baan, dat deze de baan van Neptunus kruist.

Zie ook[bewerken]