LEO, GTO, SSO a další – čím se liší různé orbity?

Na ElonX se můžete setkávat s různými orbitami, na které míří Falcon 9 se svými rozličnými náklady. Dragony míří na ISS na nízké oběžné dráze, zatímco komunikační satelity obvykle letí na tzv. GTO. Orbity se dají dělit podle různých kritérií a náročnost jejich dosažení se liší, což má vliv na volbu rampy a také na možnost přistání. Přichystali jsme pro vás tedy dva volně navazující články, díky kterým si nejdříve uděláte pořádek v rozličných orbitách a poté tyto znalosti uvidíte aplikované na příkladech konkrétních raket, misí a ramp.

Orbitální dráha, neboli orbita, je dráha, po které obíhá kosmické těleso kolem těžiště soustavy. Takové těleso může být např. planeta, měsíc, asteroid či kometa při oběhu kolem centrálního tělesa. Orbitální dráhy dělíme na řadu podskupin. Zkusíme si ty nejčastěji používané představit blíže. Rozdělení orbit je možno provést podle centrálního tělesa, výšky oběhu, tvaru dráhy, sklonu vůči rovníku a dalších.

SpaceX až na výjimky vypouští svůj náklad na dráhy, které mají jako své centrální těleso planetu Zemi. Takováto dráha se nazývá geocentrická, s trochou trpkosti je nutno dodat, že s výjimkou antiky tehdejší církev až do 17. století ani jiný typ oběžné dráhy nepřipouštěla. Automobil Elona Muska či družice DSCOVR však byly vyneseny na heliocentrickou dráhu, tělesa na této dráze obíhají kolem  Slunce.

Mezi další, již méně používané názvy patří:

  • Měsíc – selenocentrická
  • Merkur – hermocentrická
  • Venuše – afrodiocentrická
  • Mars – areocentrická
  • Jupiter – joviocentrická
  • Saturn – kronocentrická
  • Uran – uranocentrická
  • Neptun – neptunocentrická

Nyní se přesuneme k naší mateřské planetě, kolem které obíhá náklad společnosti SpaceX nejčastěji, a podíváme se na rozdělení drah podle výšky oběhu.

  • Nízká oběžná dráha (LEO z anglického Low Earth Orbit) – tento název se používá pro výšky mezi 150 km a 2000 km. Na této dráze obíhá ISS, kterou společnost SpaceX pravidelně zásobuje, družice Iridium, Paz, Formosat-5, NROL-76 a další. Je zde i Hubblův dalekohled.
  • Střední oběžná dráha (MEO – Medium Earth Orbit) – satelity na této dráze obíhají mezi 2000 km a končí ve výšce 35 786 km, tedy ve výšce geosynchronní dráhy. Na střední oběžnou dráhu bude SpaceX vynášet III. generaci družic GPS. Obíhají zde družice GLONASS, Galileo a jiné
  • Vysoká oběžná dráha (HEO – High Earth Orbit) – satelit se pohybuje nad geosynchronní drahou. Na tuto dráhu zamířila družice TESS, která je určená k hledaní exoplanet.

Animace znázorňující různé orbity kolem Země (Zdroj: Wikipedia)

Geosynchronní dráha, která tvoří hranici mezi střední a vysokou oběžnou dráhou je velmi důležitá orbita pro nás pozemšťany. Je to taková dráha, kde satelitu trvá oběh Země stejně dlouho jako otočení Země kolem své osy. Geosynchronní dráze se také někdy říká Clarkova dráha. Název odkazuje na známého spisovatele sci-fi Arthura C. Clarka, který jako první v roce 1945 popsal myšlenku, jak zajistit celosvětový příjem signálu pomocí 3 retranslačních družic. Bohužel se mu nepodařilo nápad patentovat, v Británii je totiž potřeba pro udělení patentu dvou fungujících vynálezů. Tudíž v roce 1962 vydal další článek pod názvem Jak jsem přišel o miliardu dolarů vynalézáním Telstaru ve svém volném čase. 

Zvláštním případem geosynchronní dráhy je dráha geostacionární, která má nulový sklon k rovníku (GEO). Princip geostacionární dráhy je následující – družice obíhá na orbitě stejnou kruhovou rychlostí v rovině rovníku, jako se Země otáčí kolem své osy. Z pohledu pozorovatele na Zemi pak družice visí na jednom místě na obloze. Velmi hezky celý proces vysvětluje předchozí obrázek. Najděte si spojnici povrchu Země a onoho satelitu na GEO, ukazuje totiž, že kruhová (úhlová) rychlost Země a satelitu je stejná.

Pro přibližnou představu o tom, kolik vlastně telekomunikačních družic a na které pozici se nachází na GEO, přikládám další obrázek (zdrojové PDF). Podotýkám, že obrázek je už staršího data, proto v něm nenajdete družice vynesené SpaceX. Zároveň ale ukazuje velkou akumulaci družic v některých místech a poměrné volno v místě jiném. Celkem je na GEO zhruba 450 družic.

Znázornění družic na geosynchronní dráze (Zdroj: Boeing)

Než definitivně opustíme geostacionární dráhu, bude dobré se ještě podívat na to, jaký prostor je možno pokrýt signálem z geostacionární dráhy jednou družicí. Uvádí se, že družice z každé pozice na GEO může svým signálem pokrývat vždy 41 % povrchu Země.

Znázornění oblasti, kterou svým signálem pokryje družice Telstar 18V, kterou SpaceX vynese v létě 2018 (Zdroj: Telesat)

Opusťme už geostacionární dráhu a přesuňme se do dalšího dělení. Dle tvaru je možno dráhy rozdělit na kruhové a eliptické.

Základní parametry orbitální dráhy (Zdroj: Wikipedia)

Na obrázku výše obíhá planeta okolo centrální hvězdy, už od pohledu se jedná o eliptickou dráhu. Nejvzdálenejší bod od centrálního tělesa se obecně nazývá apoapsida. Nejbližší bod od centrálního tělesa se nazývá periapsida. Na obrázku je centrálním tělesem Slunce, ony body se tedy jmenují perihel (nejbližší) a afel (nejvzdálenější). Pokud je centrálním tělesem Země, nazývá se tento nejbližší bod perigeum, a nejvzdálenější apogeum. S těmito pojmy jste se už určitě setkali, kupříkladu při živých přenosech startů raket, které do češtiny zprostředkovává server Kosmonautix.cz. A pokud je periapsida a apoapsida stejně dlouhá, tj. centrální těleso je ve středu oběžné dráhy, jedná se o dráhu kruhovou.

Nejčastějším cílem společnosti SpaceX je eliptická dráha, konkrétně se jedná o dráhu přechodovou ke geostacionární (Geostationary Transfer Orbit – GTO). Tato orbita je znázorněna na následujícím videu modře, perigeum je ve výšce přibližně 150–200 km (běžná parkovací dráha), a apogeum je ve výšce geostacionární dráhy 35 786 km. Tam, kde končí modrá a začíná červená čára (v apogeu), musí potom satelit zažehnout motor, aby zdvihl perigeum své dráhy rovněž do výšky geostacionární dráhy. V praxi se toto samozřejmě neděje jediným dlouhým zážehem, ale probíhá to postupně. Na tomto odkazu je to podrobně rozkresleno a ukázáno.

Existuje i velice hezká stránka stuffin.space, která vám znázorní dráhu satelitu, který si vyberete, centrálním tělesem je Země. Ovládání je poměrně intiutivní, a rychle ho pochopíte. Zkuste si kupříkladu dát vyhledat některý nedávno vypuštěný satelit určený pro GEO, dráha GTO vám bude ihned jasná.

Posledním rozdělením, které v tomto přehledu orbitálních drah zmíním, je rozdělení podle sklonu orbitální dráhy, neboli podle inklinace.

Elementy orbitální dráhy (Zdroj: Wikipedia)

Pro tělesa obíhající okolo Slunce je referenční rovinou ekliptika, pro tělesa, nebo družice, obíhající okolo Země, je to rovina rovníku.

  • Pokud je sklon dráhy roven 0°, znamená to, že satelit obíhá v rovině rovníku tzv. prográdně, tedy ve směru otáčení planety Země. Většina satelitů, které obíhají Zemi se sklonem 0° k rovníku, se nachází na geostacionární dráze.
  • Pokud je sklon mezi 0–90° obíhá satelit ve směru otáčení planety Země. Vhodným příkladem pro takovouto dráhu je například ISS se svým sklonem 51,6° k rovníku.
  • Při sklonu 90° se jedná o polární orbit, kdy družice při svém pohybu přelétává přes póly. Zde jsou velice známým příkladem družice Iridium, meteorologické satelity, či mapovací družice.
  • Při sklonu dráhy větším než 90° se jedná o retrográdní oběh, tedy proti směru otáčení Země.

V praxi se označení polární dráha používá nejen pro sklon 90°, ale i pro hodnoty blízké. Proto je tedy v předchozím odstavci zmíněno, že na polární orbitě jsou i družice Iridium NEXT, které mají ve skutečnosti sklon 86,4° k rovníku. A jak vlastně vypadá činnost takové mapovací družice na polární oběžné dráze, ukazuje následující video.

Velmi blízko k polárním oběžným drahám má i heliosynchronní dráha. Jedná se o velmi zajímavou oběžnou dráhu. Je to geocentrická dráha kombinující sklon a výšku oběhu tak, že satelit přelétá nad určeným povrchem Země vždy ve stejný sluneční čas, toto je velmi vhodné pro mapující a špionážní satelity. Satelity na této dráze pracují často ve výškách cca 600–800km a mají 98° sklon vůči rovníku. Z nákladů společnosti SpaceX na této dráze pracují například Paz a Formosat-5. Z budoucích misí tam zamíří SAOCOM-1A či SSO-A.

Následující video znázorňuje princip heliosynchronní dráhy. Na videu satelit obíhající Zemi prolétá neustále na hranici světla a stínu, jeho solární panely budou tedy neustále osvětlovány Sluncem. Zároveň bude zobrazovat povrch Země někdy k ránu, kdy budovy, stromy a další objekty budou vrhat stíny. A proč by měly předměty vrhat stíny? Třebas už jen proto, abyste z oběžné dráhy dokázali poznat, zda objekt, který vidíte, ční do výšky, či zda se zavrtává do země. Nebo kupříkladu proto, že jste schopni z délky stínů známých objektů odhadnout výšku objektů neznámých.

Na samotný závěr přikládám malou tabulku, která ukazuje, jak je vybírán kosmodrom pro start raket Falcon 9 s ohledem na cílovou dráhu. SpaceX potřebuje rampy na obou pobřežích USA, aby dokázalo létat na všechny běžně žádané orbity.

Aby SpaceX mohlo létat na polární orbity, potřebuje rampu na Vandenbergově letecké základně, odkud jsou tyto starty možné. Z floridského Mysu Canaveral se momentálně na polární orbity startovat nedá, ale to se možná časem změní. Nedávno se objevila zpráva, že letectvo zvažuje povolení startů na polární orbity i z Canaveralu. Podmínkou však bude, aby raketa disponovala autonomním destrukčním systémem. Tuto podmínku zatím splňují jen rakety Falcon 9 a Falcon Heavy. Více informací o tomto novém polárním koridoru najdete ve starších Rychlozprávách.

Co se týče plánované rampy v jižním Texasu poblíž Brownsville, tam bude SpaceX z hlediska potenciálních střeleckých koridorů značně omezeno. Spojené státy totiž z bezpečnostních důvodů nepovolují přelety přes obydlené oblasti a u startů z Brownsville ve většině směrů překáží buď Florida, Mexiko, nebo Kuba. Tato studie odhaduje, že jednou z mála možností bude startovat východně nad mezerou mezi Kubou a Floridou. Tento směr je vhodný pro mise mířící na GTO nebo mimo Zemi. Možná právě proto bude tato nová rampa nejspíš už od začátku uzpůsobená primárně pro marsovské BFR. Falcony mohou nadále létat ze tří současných ramp.

Jak vidíte, problematika oběžných drah je docela věda, ale díky tomuto článku v ní snad máte trochu větší jasno. V příští části na něj volně navážeme a vysvětlíme si, jak mají různé orbity vliv na nosnost rakety Atlas V a také jak omezují možnosti přistání prvního stupně Falconu 9.

Děkuji Pavlu Vantuchovi za velmi podnětné komentáře a pomoc při psaní článku.




  • 20
    Diskuze

    avatar

    This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

      Odebírat  
    nejnovější nejstarší nejlepší
    Nastavit upozorňování na
    Martin
    Host
    Martin

    Krása. Ďakujeme. PS: odporúčam aj appku NASA Eyes, kde sa môžete pokochať množstvom satelitov na rôznych zaujímavých orbitách aké má napr. satelit TESS, porovnať si ich veľkosť s osobou či školským autobusom a iné zaujímavé veci 🙂

    Vladislav Nejedlý
    Host
    Vladislav Nejedlý

    Dobrý den, díky za pěkný článek. Měl bych ovšem poznámku k heliosynchronní dráze – podle klasické nebeské mechaniky přece není možné aby jakákoli družice setrvale obíhala nad hranicí světla a stínu bez neustálých průběžných korekcí roviny oběhu. Mějme rovinu T, na níž leží hranice světla a stínu na povrchu planety obíhající kolem slunce. Tato rovina je vždy kolmá ke spojnici planety a Slunce, bez ohledu na rychlost a orientaci osy rotace planety. Je-li dráha planety kolem slunce přesně kruhová, potom rovina T rotuje kolem osy kolmé k rovině oběhu planety úhlovou rychlostí přesně rovnou úhlové rychlosti oběhu planety kolem slunce. V případě Země je to 1 otočka za rok. Pokud tedy pracujeme s klasickou newtonovskou nebeskou mechanikou, je takováto oběžná dráha nemožná, jelikož orientace rovin oběžných drah v prostoru se nemění. Znamená to snad, že tento typ dráhy nějak počítá s relativistickými změnami oběžné roviny? Nebo je družice na této dráze pouze po přechodnou dobu (několik dní v roce)?

    svk
    Host
    svk

    diky za článok a som o niečo mudrejši 😀

    Sebastián
    Host
    Sebastián

    Veľmi pekný článok. Vďaka za veľa nových informácií. 🙂 Možno by sa hodil ešte článok o štartovaciom okne, kedy môže byť vypustená raketa, viem že to záleží od cieľovej dráhy, ale zaujímalo by ma či sa do tohto okná berie na vedomie poloha ostatných družíc aby nedošlo k stretu počas štartu. Ďakujem za odpoveď. 🙂

    vencour
    Host
    vencour

    Pěkné, dík.

    Nějaký přehled satelitů je i na https://www.satbeams.com/satellites.

    Bude zmíněn i vliv slunečního větru? Tj. změna pozice na GEO během 24 hodin?

    vencour
    Host
    vencour

    Asi bych jen doplnil to, že různé orbity se liší tím, co je po nich uživatelsky požadováno. Jedná se např. o pokrytí území signálem družice, latenci signálu, výhled (nejmenší elevaci nad obzorem) nutnou pro fungování pozemní stanice.
    Dále: i když mám zaměřenou parabolu na satelit na GEO, tak musím počítat s tím, že cca 10° kolem paprsku nesmí nic být, abych mohl dobře fungovat.
    A taková perlička: družice na GEO má být v kvádru 35km x 35km x 75km, aby byla dobře. Jinak je třeba ji dorovnávat.

    vencour
    Host
    vencour

    (Včera jeden, dnes taky jeden muj komentář čeká na schválení …)