Konfiguracja motylkowa – polska propozycja dla misji satelitarnych

Umieszczenie satelitów geodezyjnych w konfiguracji "motylkowej", w tym satelitów na orbicie wstecznej, gdzie obecnie nie ma żadnych obiektów okrążających Ziemię, proponuje zespół naukowców z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.

“Taka konfiguracja orbitalna (ang. butterfly configuration) jest bardzo korzystna w zakresie badania zmian globalnych, m.in. zmian w ruchu obrotowym czy też spłaszczenia Ziemi spowodowanego topnieniem lodowców na biegunach” – tłumaczą autorzy artykułu w Journal of Geophysical Research: Solid Earth.

Jak wyjaśniają w informacji prasowej Joanna Najder, Krzysztof Sośnica, Dariusz Strugarek i Radosław Zajdel, sztuczne satelity umieszczane są zazwyczaj na orbitach okołobiegunowych z kątem nachylenia względem równika około 90 stopni – służą wówczas np. do obserwacji zmian w obszarach polarnych.

Mogą być również umieszczane na orbitach o mniejszych kątach nachylenia, np. 55 stopni w przypadku systemu GPS lub 56 stopni w przypadku Galileo, albo 0 stopni w przypadku satelitów geostacjonarnych. Badacze podkreślają, że pod kątami nachylenia od 120 do 180 stopni nie ma prawie żadnych satelitów okrążających Ziemię. Umieszczenie satelity na orbicie wstecznej powyżej 90 stopni jest bowiem o wiele bardziej kosztowne. Natomiast w umieszczeniu satelitów pod kątem mniejszym niż 90 stopni pomaga ruch obrotowy Ziemi, dzięki któremu można zużyć mniej paliwa do wyniesienia obiektu na orbitę.

Korzystna orbita wsteczna

“Jak się okazuje, tzw. orbita wsteczna, na której satelity poruszają się przeciwnie do kierunku obrotu Ziemi, jest bardzo korzystna w badaniach naszej planety. W ciągu tego samego okresu satelity na orbitach wstecznych wykonują więcej przelotów nad tymi samymi obszarami względem obserwatora na Ziemi. Przeloty satelitów są krótsze, ale za to częstsze niż ma to miejsce na standardowych orbitach” – obserwują naukowcy.

Z przeprowadzonych przez nich symulacji wynika, że najlepiej stosować orbity wsteczne, aby lepiej poznać procesy globalne i ich zmiany w czasie.

"Dzięki takim orbitom można lepiej wyznaczyć zmiany spłaszczenia Ziemi, które spowodowane są topnieniem lodowców na Grenlandii i Antarktydzie, zmiany w pozycji bieguna oraz zmiany w środku ciężkości masy planety, czyli punktu, wokół którego orbitują wszystkie sztuczne satelity” – wyliczają wrocławscy badacze.

Konfiguracja motylkowa

Symulacje pozwoliły wskazać optymalną orbitę dla przyszłych misji geodezyjnych. Naukowcy zaproponowali uzupełnienie istniejącej konfiguracji satelitów geodezyjnych LAGEOS i LARES o nowe satelity, które pozwalają zachować symetrię konfiguracji względem osi obrotu Ziemi. Dzięki temu powstaje konfiguracja motylkowa.

“Przykładowo dla satelity nachylonego pod kątem 70 stopni względem bieguna proponuje się satelitę na tej samej wysokości nachylonego o 180-70=110 stopni względem bieguna. Zarówno pierwszy, jak i drugi satelita będzie orbitował nad tymi samymi obszarami Ziemi, jednak ten drugi na orbicie wstecznej będzie poruszał się przeciwnie do ruchu obrotowego planety” – tłumaczą autorzy artykułu.

Ich zdaniem, konfiguracja motylkowa ma wiele zalet. Dzięki niej można skutecznie oddzielić od siebie różne efekty obserwowane w anomaliach ruchu sztucznych satelitów, które są nierozróżnialne w przypadku pojedynczego satelity, a tym samym lepiej poznać procesy zachodzące na Ziemi i powodujące te anomalia.

Optymalnie umieszczony satelita geodezyjny

Najbardziej optymalnym miejscem umieszczenia przyszłego satelity geodezyjnego okazał się kąt nachylenia 127 stopni i wysokość 5620 km.

“Taka konfiguracja zapewnia odbicie lustrzane parametrów orbitalnych satelity LAGEOS-2 w konfiguracji motylkowej. Satelita poruszający się na orbicie wstecznej będzie miał okres obiegu względem stacji na obracającej się Ziemi 3h 13min, podczas gdy satelita LAGEOS-2 posiada ten sam okres obiegu równy 4h 22 min, mimo tej samej wysokości” – obliczyli badacze.

Dzięki temu, jak tłumaczą, stacja laserowa znajdująca się na Ziemi będzie mogła zarejestrować więcej przelotów satelity w ciągu dnia (średnio o 36 proc. więcej), a satelita lepiej „zeskanuje” powierzchnię Ziemi, gdyż wykona więcej przelotów w tym samym czasie.

Satelity geodezyjne mają kształt kuli oraz wyposażone są w reflektory odbijające wiązkę lasera dokładnie w tym samym kierunku, co kierunek wiązki padającej. To umożliwia bardzo dokładne pomiary odległości z teleskopów naziemnych. Takie satelity stanowią podstawę w badaniu zmian kształtu Ziemi spowodowanego procesami zachodzącymi w atmosferze, hydrologii lądowej, oceanach i skorupie ziemskiej oraz pozwalają na wyznaczenie zmian w pozycji bieguna.

“Jednak dotychczas wynoszone satelity nie zawsze były umieszczane w najkorzystniejszych miejscach, gdyż wszystkie mają kąt nachylenie nie większy niż 110 stopni. Dlatego, pomimo większych kosztów wyniesienia satelitów, warto umieszczać je tam, gdzie ich obecnie nie ma – na orbitach wstecznych” – podsumowują badacze.