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Aufbau eines Satelliten

Einleitung

Satelliten gibt es in schier unendlichen Formen und Größen, vom wenigen Kilogramm schweren Mini - Satelliten bis hin zum busgroßen Envisat oder KH-11 Spionagesatelliten. Mehr unter der Seite Raumfahrtrekorde. Obgleich es auch hier sehr große technische Unterschiede gibt, findet man in den meisten Satelliten doch bestimmte Baugruppen, die hier vorgestellt werden sollen. Die oftmals bizarre Form wird diktiert von der Nutzlast oder einer Kombination von Nutzlast und geometrischen Faktoren wie der Forderung, das die Solarpanels zur Sonne zeigen sollen und die Nutzlast senkrecht nach unten. Sehr oft findet man bei kommerziellen Satelliten, die heute schon in Kleinserien hergestellt werden, identische Baugruppen die nach dem LEGO Prinzip verbunden werden.

Struktur

Navstar SatellitDie Struktur hat zwei wesentliche Aufgaben - Sie soll das innere vor dem Unbill des Weltraums schützen oder zumindest die Bedingungen erträglich machen. Sie dient als auch als Gerüst und hat die Belastungen am Start auszuhalten. Andererseits bringt die Struktur dem Satelliten direkt nichts - Sie liefert keine Energie, sie hat nur Gewicht, die der Nutzlast fehlt. Dadurch kommt es zu einer sich widersprechenden Forderung: Die Struktur muss einerseits extrem belastbar und andererseits auch sehr leicht sein.

Die Bedingungen des Weltraums sind hart. Solare Strahlung, UV und Kosmische Strahlung lassen Werkstoffe im Rekordtempo altern und spröde und brüchig werden. Die Temperatur liegt ja nach dem Material zwischen mindestens 100 Grad über dem Gefrierpunkt auf der Sonnenbeschienen Seite und -100° auf der abgewandten Seite. Im Fall von dunklen Materialen können sich diese Extremwerte verdoppeln. Geostationäre Satelliten weisen ständig eine +120° warme und -170° kalte Seite auf. Erdnahe Satelliten kühlen sich während 45 Minuten im Erdschatten stark ab und erwärmen sich dann wieder. Schon frühzeitig nutzte man daher den Effekt der Rotationsstabilisierung auch dazu aus, das sich so die Temperaturen angleichen, da ein Satellit durch die Rotation nur kurze Zeit die Oberfläche der Sonne aussetzt.

Der Start stellt weitere Anforderungen. Es sind anders als der Laie es vermutet, nicht die Beschleunigung der Rakete. Eine Belastung von 4-5 G ist eine normale Sicherheitsforderung und liegt im Bereich normaler Sicherheitszuschlägen. Viel problematischer sind allerdings die Vibrationen der Rakete, die Spitzenbeschleunigungen von 10-30 g erzeugen. Bei jedem Start muss daher auch abgeklärt werden ob der Satellit nicht eine gefährliche Resonanzfrequenz aufweist und evt. beim Adapter zur Rakete Modifikationen nötig sind.

Als Werkstoffe kommen Magnesium-Beryllium Legierungen zum Einsatz, die sehr leicht sind, besonders beanspruchte Teile werden aus Composite-Werkstoffen aus Metall und Grafitverstärkten Kunststoff gebaut. Aufbauten wie Antennen oder Nutzlasten werden oft mit Mylarfolie. umgeben - einer sehr dünnen, beanspruchbaren Kunststoff-Folie die meistens metallbedampft ist, um einen hohen Reflexionsgrad zu erreichen. Manchmal wird auch der ganze Satellit damit überzogen, so kann er wenig Wärme aufnehmen.

Üblicherweise werden Teile die nicht zu kalt werden dürfen elektrisch beheizt und überschüssige Hitze durch Louver in der Schattenzone abgegeben. Louver sind vergleichbar Jalousinen. Sie bestehen aus verstellbaren blankpolierten Metallstreifen mit geringer Wärmeabsorption und hoher Wärmeemission. Werden Sie so gestellt dass sie in die Weltraumkälte weisen, so können sie Hitze gut abstrahlen. Früher gab es bei einigen Satelliten gibt es auch einen Kreislauf eines wärmeübetragenden Mittels wie Freon, welches die Wärme überträgt. Doch dies ist eine aufwendiges und anfälliges System (Gefahr von Lecks). Sowjetische Satelliten verringerten oftmals die Probleme indem sie die temperaturempfindlichsten Teile des Satelliten (Elektronik, Sender) in einem Druckgefäß unterbrachten indem Atmosphärendruck herschte und ein Ventillator die Luft bewegte.

BUS

Jeder Satellit hat einen internen Bus, einen Datenbus an dem Antennen, Instrumente, Computer und Sensoren hängen. Einem Bus für die Stromversorgung und Wandlung der Spannung für die verschiedensten Verbraucher und manchmal auch einen Kreislauf eines Kühlmittels um die Temperatur im inneren auszugleichen. Der Bus verbindet auch die einzelnen Bausteine der hier vorgestellten Systeme.

Energieversorgung

Intelsat 4A Heute finden fast nur noch Solarzellen zur Energieversorgung Anwendung. Lediglich bei Planetensonden ins äußere Sonnensystem findet man noch Radionuklidgeneratoren die Strom aus der beim Zerfall von radioaktiven Isotopen gewinnen. Solarzellen konnte man früher als die Satelliten noch wenig Leistung benötigten, oftmals direkt auf der Oberfläche anbringen. Dann konnte man den Satelliten rotieren lassen.

Heute ist der Wirkungsgrad von Solarzellen höher, die Ansprüche an Energie aber noch stärker gestiegen. Moderne Kommunikationssatelliten benötigen 7-10 KW Strom, das macht Solarpanel mit Flächen von 50-70 m² nötig. Diese müssen beim Start zusammengefaltet werden und dann im Orbit entfaltet werden. Da die Ansprüche an die Träger und den Entfaltmechanismus immer größer werden je schwerer die Panel sind, ist man bestrebt die Masse klein zu halten. Baut man Solarpanel aus Silizium so erreicht man Wirkungsgrade von 16 bis max. 20 %. Höhere Wirkungsgrade erreicht man durch die Kombination von Silizium mit Galliumarsenid: Dieses nimmt Licht auf welches das Silizium passiert. Solarzellen dieses Typs erreichen 18-24 % Energeiausbeute. Durch weitere Halbleitermetalle und Linsen welche das Licht von den Leitungen neben den Zellen auch auf die Zellen fokussiert kann der Wirkungsgrad weiter erhöht werden. Erreicht können so Wirkungsgrade von 30 % werden, das theoretische Maximum liegt bei 38 %.

Für den Betrieb im Erdschatten ist zumeist noch eine wiederaufladbare Batterie an Bord. Solarzellen verlieren sehr schnell an Leistung, typisch 4-5 % pro Jahr. Das liegt darin, das sie ständig der Sonne ausgesetzt sind und durch ihre dunkle Oberfläche besonders viel Strahlung absorbieren. Solarzellen werden daher typischerweise für 30-50 % höhere Leistungen ausgelegt, um auch am Missionsende noch über genügend Strom zu verfügen.

Solarzellen verlieren bei hohen Temperaturen an Leistung. Sie sind daher bei Missionen ins innere Sonnensystem zu schützen. Überhalb von 170 °C können Solarzellen nicht mehr Strom abgeben. Raumsonden die zum Merkur fliegen (wo die Panels auf 300-400 °C aufgeheizt würden) stellen daher die Panels schräg um die Temperatur unterhalb von 170 °C zu halten. Umgekehrt sinkt der Strom nicht so stark ab wenn man zum Mars fliegt wie erwartet, da die kühleren Zellen mehr Strom abgeben.

Radionukleidgeneratoren nutzen die thermoelektrische Stromwandlung zur Energieversorgung. Wärmequelle sind schnell zerfallende Isotope wie Plutonium 238. Die Fertigung solcher Generatoren ist sehr teuer und wird nur bei Missionen ins äußere Sonnensystem gemacht.

Zu der Energieversorgung gehören neben den Stromerzeugern und Speicher auch Wandler für verschiedene Bordspannungen und ein Energieregulationssystem, welches eine Überlastung und Unterlastung der Stromkreise verhindert. Das erste ist einfacher als das zweite. Gibt es zu wenig Strom so schaltet das Netz Verbraucher nach Priorität ab. In der Regel zuerst Experimente und zuletzt die Sender, denn ohne diese ist der Satellit nicht mehr steuerbar.

Lageregelung

Es gibt zwei Anforderungen für die Lageregelung:

Die räumliche Lage der meisten Satelliten ist meistens nicht egal. Eine Nutzlast muss auf einen bestimmten Punkt z.B. ein Beobachtungsobjekt ausgerichtet werden oder die Solarzellen müssen zur Sonne zeigen. Teleskope müssen bei astronomischen Satelliten mit höchster Präzision auf einen Punkt ausgerichtet sein, während der Satellit in 90 min eine 360° Drehung im Raum macht. Die Ansprüche sind hier hoch.

Die Position im Orbit verändert sich langsamer, doch auch hier sind Korrekturen nötig. Geostationäre Satelliten neigen dazu von ihren Positionen wegzudriften, erdnahe Satelliten werden von der Atmosphäre abgebremst.

Rotationsstabilsierter Satellit Früher hat man beide Lageregelungsprobleme mit einer Technik gelöst: Kleinen Raketentriebwerken die mit unter Druck stehenden Gas angetrieben wurden. Später ersetzten echter lagerfähiger Treibstoff diese Kombination, da seine Energie höher ist. Das Problem der räumlichen Ausrichtung der Satelliten konnte man zudem durch das schnelle Rotieren des Satelliten mit 5-100 U/min mildern. Der Satellit wirkt dann wie ein Kreisel dessen Lage im Raum stabil bleibt. (Siehe Bild)

Dieses Verfahren der Rotationsstabilisierung hat nur ein paar Nachteile:

Dreiachsen Stabilisierter Satellit Heute arbeiten daher die meisten Satelliten mit Dreiachsenstabilisierung. Dabei wird der Satellit in allen 3 Raumachsen stabilisiert. Oftmals geschieht dies automatisch durch Sensoren die auf bestimmte Objekte ausgerichtet sind. z.B. auf die Sonne und den Erdhorizont, oder einigen Fixsternen. Sobald sich die Helligkeit ändert (die Erde gerät ins Sichtfeld oder aus ihm) wird die Lage korrigiert. Da die Satelliten heute erheblich länger leben als früher - bis zu 15 Jahre - ist eine reine Stabilisierung mit Treibstoff zu aufwendig. Ein Satellit benötigt je nach Bahn 50-100 m/s Geschwindigkeitsänderung pro Jahr. Ein Satellit mit einer Lebensdauer von 12-15 Jahren müsste so fast die Hälfte seiner Masse an Treibstoff mitführen. Man verwendet daher eines oder mehrere Schwungräder - Massive, schwere Räder die mit hoher Geschwindigkeit (5000-10000 U/min) rotieren und einen Kreisel bilden. Will man die Lage ändern so bremst man das Rad ab oder beschleunigt es. Lediglich Korrekturen des Orbits benötigen heute noch Treibstoff, doch ist hier durch elektrische Triebwerke eine weitere Lebensverlängerung oder Gewichtseinsparung möglich.

Kommunikation

Jeder Satellit benötigt eine Sende / Empfanganlage um mit der Erde zu kommunizieren. Hier gibt es enorme Unterschiede. Bei Kommunikationssatelliten stellt dies die Nutzlast dar, mit einigen Hochleistungsantenne hoher Verstärkungsleistung und hoher Sendeleistung. Das andere Extrem sind einfache Satelliten mit ungerichteten Antennen die im UKW Bereich senden. Üblich sind auch bei Satelliten mit hoher Sendeleistung noch als Absicherung Rundstrahlantennen die wie ihre Radioantenne aus jeder Richtung Signale empfangen können. Falls der Satellit seine Hochleistungsantenne von der Erde wegdreht kann er so wieder kontaktiert werden. Je nach Art des Satelliten gibt es mehrere Sendefenster - Für einfache Satelliten im oberen UKW Bereich ab 130 MHz, bei anspruchsvolleren Satelliten im S und X Band bei 2 bzw. 8 GHz. Kommunikationssatelliten senden heute bei 4-6, 11-14 und 20-30 GHz. Die Sendeleistungen differieren von unter 1 W bis zu 250 Watt. Entsprechend unterschiedlich sind auch die Datenraten von einigen Kilobit/sec bis zu 100 Megabit. Das ist die Grenze die ein Transponder in einem Kommunikationssatelliten abdecken kann, doch verfügen Kommunikationssatelliten bis zu 72 dieser Transponder.

Die Antennen unterteilt man meist in 3 Typen:

Der Vorteil der Bündelung ist, dass die Leistung eines Verstärkers natürlich in einen kleineren Raum abstrahlt wird. Auf der Erde wird ein kleineres Gebiet bestrahlt und man kommt entweder mit kleineren Empfangsantennen aus oder kann mehr Daten übertragen.

Hier findet man auch die Ursache der Benutzung immer höherer Frequenzbänder für Satelliten und Raumsonden. Je höher das Frequenzband ist, desto stärker kann eine Parabolantenne den Strahl bündeln. So hatte die Pioneer Venus Orbiter Sonde einen S und X Band Sender an Bord. Beim S-Band Sender betrug der Öffnungswinkel 7.6 Grad, beim X-Band Sender 2.2 Grad. Das entspricht ungefähr dem Unterschied der Frequenzen von 2.3 und 8.4 GHz. Dies bedeutet höhere Datenraten. Den Großteil der 100 mal höheren Datenrate von Voyager gegenüber Pioneer 10+11 geht nicht auf die größere Sendeantenne (3.7 anstatt 2.7 m) oder höherer Sendeleistung 21 anstatt 8 W) sondern durch die Verwendung des X-Bandes anstatt des S-Bandes mit 8.4 anstatt 2.2 GHz zurück.

Allerdings gibt es Probleme: Ab dem K Band fängt die Atmosphäre, vor allem Wasserdampf und Wolken Energie zu schlucken, so dass der Einsatz nicht ganz unproblematisch ist.

Abkürzung Frequenzbereich Eingesetzt in
VHF/FM 30 MHz - 300 MHz Wissenschaftliche Satelliten in den sechziger Jahren
P-Band 220-300 MHz
L-Band 1-2.6 GHz Ranger, Surveyor, sowjetische Raumsonden
S-Band 2.6-3.95 GHz Standard Band für amerikanische Raumsonden bis Ende der siebziger Jahre
C-Band 3.95-5.8 GHz Standard für Kommunikationssatelliten bis Anfang der achtziger Jahre
X-Band 8.2-12.4 GHz Standard für Raumsonden ab Anfang der achtziger Jahre
Ku-Band 12.4-18 GHz Kommunikationssatelliten seit den neunziger Jahren
K Band 18-26.5 GHz
Ka Band 26.5-40 GHz Einführung bei Raumsonden ab 2000

In der Erprobung ist die optische Datenübertragung: Ein erdnaher Satellit sendet mit einem Laser und einem Teleskop die Daten über Laser zu einem geostationären Satelliten, der sie dann normal zur Erde sendet (bei Nacht ginge es auch direkt über Laser). Der Vorteil im Zivilen Bereich ist eine höhere Datenrate. Im militärischen Bereich wäre von Vorteil, das man derartige Kommunikation wegen der genauen Signalausrichtung auf wenige Kilometer schwerer belauschen kann.

Nutzlast

Voyager NutzlastDie Nutzlast bestimmt das gesamte Design eines Satelliten. Wissenschaftliche Satelliten werden heute noch um die Nutzlast herum entwickelt, jedoch neigt man auch hier immer mehr dazu, das schon bei kommerziellen Satelliten übliche Bussystem zu übernehmen. Die Masse der Nutzlast liegt typischerweise bei 10-30 %, Manche Satelliten wie das Weltraumteleskop Hubble sind auch eher eine Nutzlast mit angehängtem Satelliten, doch das ist selten. Wissenschaftliche Satelliten sind meist wegen der Nutzlast so teuer. Ein Nachbau kostet wegen er entfallenden Entwicklungskosten dann oft nur die Hälfte, so z.B. bei Cluster II. Ich verweise hier auf die Aufsätze über einige Satelliten wie Raumsonden, Spionagesatelliten und Erderkundungssatelliten..

Steuerung

Bis Mitte der siebziger Jahre wurden Satelliten über Kommandos von der Erde aus gesteuert. Heute verfügt jeder über einen mehr oder weniger ausgeklügelten Bordcomputer. Mit diesem Kapitel beschäftigt sich hier ein eigener Aufsatz. Im wesentlichen kümmert sich ein Bordcomputer um drei Dinge:

Der Letzte Punkt ist der wohl wichtigste. Bei erdnahen Satelliten war es schon früher möglich diese gut zu steuern, ein Missionsprogramm konnte man durch programmierbare Timer realisieren. Doch wenn sich ein Satellit außer Kontrolle geriet, so war er oft verloren. Heute bringt die Software den Satelliten in einen SAFE Modus, indem Sie ihn so ausrichtet, das die Energieversorgung gewährleistet ist, die Instrumente nicht beschädigt werden und er nimmt über die Rundstrahlantenne (LGA) Kontakt zur Erde auf. Auf den intelligenten Satelliten der nur das misst, was interessant ist, z.B. beim Fotografieren nur Gebiete der Erde abspeichert, die noch nicht erfasst sind und nicht von Wolken bedeckt, wie er Anfang der achtziger Jahre angekündigt wurde wartet man allerdings noch heute.

Der wohl wichtigste Aspekt der Computertechnik ist das die Möglichkeiten der Speicherung an Bord gestiegen sind. Speicher von einigen Gigabytes an Satelliten sind nichts außergewöhnliches mehr. Anstatt Magnetbändern finden zumeist Black-Boxes Anwendung die intern aus vielen RAM Chips bestehen und sich nach Außen hin als Massespeicher ausgeben.



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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