Na našem webu jsme před sedmi lety vydali článek, který se věnoval představení základních druhů oběžných drah. Když nyní na webu Evropské kosmické agentury vyšel článek na podobné téma, tak jsme se v redakci zamysleli, zda by nestálo za to se k tomuto tématu vrátit. Přece jen před sedmi lety četlo náš web podstatně méně lidí než dnes a noví čtenáři dnes nebudou listovat sedm let zpátky. Jedinou možností je vyhledávání, ale to také nevyužívá každý. Nakonec jsme si tedy řekli, že nic nezkazíme s tím, když na našem webu vydáme lehce edukační článek, který bude překladem textu vydaného na webu ESA. Jako vždy ale hned na začátek uvedu, že tento typ článků cílí hlavně na nováčky v oboru. Jako vždy tedy poprosím zkušenější čtenáře, aby přimhouřili oko nad případným zjednodušením v zájmu srozumitelnějšího výkladu.

Naše chápání oběžných drah se datuje až do 17. století k Johanessi Keplerovi. Nejen Evropa dnes používá celou řadu raket, které vynáší družice na nejrůznější oběžné dráhy.

Co je to oběžná dráha?

Hmotnost objektů ovlivňuje obě tělesa a jejich dráhy.
Zdroj: https://www.esa.int/

Je to zahnutá dráha, po které se objekt (třeba hvězda, planeta, měsíc, planetka, či sonda) pohybuje kolem jiného objektu díky gravitaci. Gravitace způsobuje, že objekty mají hmotnost, která přitahuje další blízké objekty. Pokud je tato přitažlivost spojena s dostatečnou hybností, mohou kolem sebe objekty začít obíhat. Objekty srovnatelných hmotností obíhají jeden druhý kolem společného těžiště, zatímco malé objekty krouží kolem těch větších.  Ve Sluneční soustavě platí, že Měsíc obíhá kolem Země a ta zase obíhá kolem Slunce. Neznamená to však, že by velké těleso zůstávalo v klidu – kvůli gravitaci je Země lehce přitahována od svého středu Měsícem (což má za následek příliv a odliv). Stejně tak je i Slunce lehce odtahováno od svého středu vlivem planet.

V raných dobách vzniku Sluneční soustavy se ve velkém mraku kolem Slunce pohyboval prach, plyny a led, které měly rychlost a hybnost. Jelikož bylo Slunce mnohem hmotnější než tyto malé kousky prachu a plynů, způsobila jeho gravitace, že tyto kousky začaly obíhat kolem něj a mrak se zformoval spíše do prstence kolem Slunce. Postupem času se částice začaly shlukovat dohromady a stále rostly jako když na sebe sněhová koule nabaluje další a další materiál. Postupně tak vznikly planety, měsíce i planetky. Skutečnost, že planety vznikly společně tímto způsobem, vysvětluje, proč všechny objekty obíhají kolem Slunce stejným směrem a ve zhruba stejné rovině.

Gravitace ovlivní dráhu padajícího objektu. K dosažení oběžné dráhy potřebujete velký impuls.
Zdroj: https://www.esa.int/

Když rakety vynáší družice, umísťují je na oběžné dráhy. Gravitace pak udržuje družici na této dráze – stejně jako se stará o to, že Měsíc obíhá kolem Země. Celé je to podobné zjednodušenému příkladu s vyhozením míče z okna vysoké věže. Abyste uvedli míč do pohybu, musíte ho nejdříve postrčit tím, že ho hodíte. Míč pak spadne k zemi po zahnuté dráze. Ačkoliv to byl Váš hod, který míči udělil prvotní rychlost, je to gravitace, která se postará o jeho pohyb vstříc zemi, jakmile jej pustíte.

Podobně fungují i družice, které se umisťují na dráhy ve výškách stovek až tisíců kilometrů nad zemským povrchem (to je ekvivalent té vysoké věže z minulého odstavce). O jejich prvotní postrčení se starají motory nosné rakety, díky kterým mohou družice začít obíhat Zemi. Jak ukazuje přiložený obrázek, rozdíl mezi naším příkladem a realitou spočívá v tom, že když vyhodíte míč, spadne k Zemi po zahnuté dráze. Ale při opravdu hodně silném hodu se Země díky svému kulatému tvaru začne ohýbat dříve, než na ni míč stihne dopadnout. Takový objekt bude po nekonečnou dobu padat k Zemi – bude kolem ní obíhat. Gratulujeme, dosáhli jste oběžné dráhy.

V kosmickém prostoru není žádný vzduch a tudíž ani tření o jeho molekuly, takže gravitace umožňuje družicím obíhat Zemi prakticky bez další pomoci. Tím, že umístíme družice na oběžnou dráhu, můžeme používat jejich technologie k nejrůznějším účelům – od telekomunikace přes navigaci, předpověď počasí až po astronomická pozorování.

Let na oběžnou dráhu

Rakety Ariane 5 a Vega dostanou již brzy modernější nástupce.
Zdroj: https://www.esa.int/

Evropské rakety startují z kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně. Při každé misi umísťuje raketa jednu či více družic na jejich individuální oběžné dráhy. Rozhodování, která raketa se pro danou misi použije, záleží primárně na hmotnosti nákladu, ale i na tom, jak daleko od Země má být umístěn. Těžší náklady nebo vyšší dráhy vyžadují více energie k překonání zemské gravitace než lehké náklady na nižší oběžné dráhy.

Ariane 5 je nejsilnější evropská nosná raketa – dokáže na požadovanou dráhu dopravit jednu i více družic. Podle dráhy, na kterou Ariane 5 míří, je schopna do vesmíru dopravit mezi 10 a 20 tunami, což odpovídá hmotnosti autobusu MHD. Na opačné straně spektra stojí raketa Vega. Ta dopraví na oběžnou dráhu zhruba 1,5 tuny, což z ní dělá ideální prostředek pro vypouštění mnoha vědeckých sond, které třeba pozorují Zemi. Také Vega dokáže vynést i několik družic najednou. Obě zmíněné rakety budou nahrazeny nosiči nové generace – Ariane 6 a Vega-C. Tyto rakety budou flexibilnější a rozšíří možnosti dosažení oběžné dráhy – umožní doručení nákladu na různé dráhy během jediného startu – podobně jako když autobus zastavuje na různých zastávkách.

Druhy oběžných drah

Po startu je družice (nebo kosmická loď) umístěna na některou z mnoha různých drah kolem Země, nebo může letět do meziplanetárního prostoru, takže se k Zemi už nikdy nevrátí a místo toho bude kroužit kolem Slunce, dokud nedorazí ke svému cíli – například Marsu. Existuje mnoho faktorů, které rozhodují o tom, jaká oběžná dráha bude pro danou družici nejvhodnější. Vždy záleží na tom, co přesně má daná družice za úkol.

Geostacionární oběžná dráha (GEO)

Geostacionární oběžná dráha (GEO)
Zdroj: https://www.esa.int/

Družice na geostacionární oběžné dráze (GEO) obíhá Zemi nad rovníkem od západu na východ v přesné synchronizaci s otáčením Země. Jeden oběh jí zabere přesně 23 hodin, 56 minut a 4 sekundy. To znamená, že družice na této dráze zůstávají nehybně nad daným místem. Aby bylo dosaženo srovnání s rychlostí otáčení Země, musí se družice ve výšce 35 786 km pohybovat rychlostí zhruba 3 km/s. Ve srovnání s jinými drahami (a družicemi na nich) je tato dráha hodně daleko od Země.

GEO se používá pro družice, která musí zůstat neustále nad jedním konkrétním místem, což platí třeba pro telekomunikační družice. Díky tomu může být pozemní anténa trvale zaměřena tak, že neustále míří na oblohu vstříc nehybné družici.  Tato dráha se hodí třeba i pro družice sledující počasí, protože nepřerušeným sledováním jedné oblasti se dají mnohem snáze vysledovat případné trendy.

Družice na GEO vidí velkou část zemského povrchu – teoreticky Vám stačí pouze tři družice na pokrytí téměř celého povrchu. Je to opět díky tomu, že je tato dráha tak daleko od Země – družice na ní mají velký rozhled a mohou najednou sledovat rozsáhlou část povrchu. Dá se to přirovnat k situaci, kdy se díváte na mapu z jednoho metru – logicky uvidíte větší plochu, než když budete nad mapou jeden centimetr. Abyste tedy viděli najednou celou Zemi, potřebujete na GEO mnohem méně družic, než kolik byste potřebovali na nižších drahách.

Geostacionární oběžnou dráhu využívá třeba evropský systém EDRS (European Data Relay System). Družice v jeho rámci  zajišťují obousměrný přenos mezi družicemi na nižších drahách a pozemními stanicemi. Bez těchto přenosových družic by nebylo možné neustále odesílat či přijímat data. Systém EDRS tedy udržuje evropské družice neustále připojené a online.

Nízká oběžná dráha (LEO)

Nízká oběžná dráha (LEO)
Zdroj: https://www.esa.int/

Nízká oběžná dráha je, jak už její název napovídá, oběžná dráha, která se nachází relativně blízko zemskému povrchu. Většinou se tak označuje prostor níže než 1000 kilometrů nad Zemí, ale zase výš než 160 km nad Zemí. To je ve srovnání s jinými oběžnými drahami Země docela nízko, ale přesto je to hodně vysoko nad povrchem Země. Pro představu – většina komerčních letadel nestoupá do výšek nad 14 kilometrů, takže i ta nejnižší nízká oběžná dráha leží více než 10× výše.

Na rozdíl od výše popsaných družic na GEO, které musí neustále obíhat Zemi pouze nad rovníkem, družice na LEO nejsou tímto pravidlem svázána – jejich dráha totiž může být skloněna. To znamená, že na LEO je více možných drah, což je jeden z důvodů, proč je LEO tak široce používaná. Blízkost LEO k zemskému povrchu je užitečná hned z několika důvodů. Tato dráha se nejčastěji využívá k družicovému snímkování, protože čím blíž jste k povrchu, tím větší rozlišení mohou mít pořízené snímky. Na této dráze obíhá také ISS, takže astronauti se na ni snadno dostanou a mohou se i snadno vrátit. Družice na této dráze mají rychlost zhruba 7,8 km/s a při této rychlosti jim trvá oběh Země zhruba 90 minut. Díky tomu oběhnou astronauti na ISS každý den Zemi 16×.

Na druhou stranu jednotlivé družice na LEO se moc nehodí k úkolů jako je třeba telekomunikace – protože se po obloze pohybují vcelku rychle, musí pozemní stanice udržet hodně úsilí při směřování antény k pohybující se družici. Místo toho komunikační družice na LEO pracují jako součást velkých družicových sítí – velký počet družic pak zajišťuje konstantní pokrytí.. Někdy jsou takovéto družicové sítě tvořeny stejnými družicemi, které jsou vypouštěny společně.  Díky vzájemné spolupráci mohou simultánně pokrýt větší část povrchu. Ariane 5 doručila na LEO svůj nejtěžší náklad – dvacetitunovou zásobovací loď ATV, která letěla k ISS.

Střední oběžná dráha (MEO)

Střední oběžná dráha (MEO)
Zdroj: https://www.esa.int/

MEO tvoří široké spektrum drah mezi LEO a GEO. S LEO je podobná tím, že také nemá přesně danou dráhu kolem Země a může být využívána různými družicemi s různými úkoly. Nejčastěji se používá pro navigační družice – třeba pro vyobrazený evropský systém Galileo. Tento systém se používá pro různé typy navigace – od sledování velkých dopravních letadel až po určení cesty ve Vašem telefonu. Galileo využívá stejně jak ostatní systémy síť družic, které najednou zajišťují pokrytí velkých částí světa.

Polární a heliosynchronní oběžná dráha (SSO)

Družice na polární dráze neobíhají Zemi od západu na východ, ale spíše od severu na jih – jejich dráha vede zhruba nad zemskými póly. Družice na polární dráze ale nemusí přelétávat přímo přesně nad severním a jižním pólem – dokonce i odchylka o 20 či 30 stupňů stále umožňuje klasifikaci mezi polární dráhy. Jedná se vlastně o poddruh nízké oběžné dráhy, protože využívají výšek mezi 200 a 1000 kilometry.

Heliosynchronní dráha (SSO)
Zdroj: https://www.esa.int/

Heliosynchronní dráha (SSO) je pak speciálním druhem polární dráhy. Družice na této dráze přelétávají přes polární oblasti a jsou v synchronizaci se Sluncem. To znamená, že jsou synchronizovány tak, aby byly ve stále stejné pozici vůči Slunci. To se v praxi projevuje tak, že družice na této dráze navštěvuje stejné místo ve stejném místním čase. Kupříkladu přelétává nad Paříží každý den v poledne.

To znamená, že družice sleduje stejné místo vždy ve stejné části dne, což se dá využít v mnoha oborech. Například vědci nebo uživatelé družicových snímků mohou porovnávat, jak se projevují změny v daném místě v průběhu času. Zkuste si jen představit, jak složité by bylo porovnávat snímky jednoho místa, které se pořizují v průběhu dní, týdnů, měsíců či dokonce let, kdyby některé vznikly o půlnoci, jiné v poledne a zbytek kdykoliv mezi tím. Takové srovnávání by moc užitečné nebylo. Vědci pro přesná porovnávání potřebují, aby byl každý snímek pořízen za co nejpodobnějších podmínek jako ten minulý. Tyto pořízené série pak mohou pomoci při studiu vývoje klimatu, předpovědích počasí, ale i při sledování mimořádných událostí jako jsou lesní požáry nebo povodně. Stejně tak se na nich dají pozorovat i dlouhodobé trendy jako je odlesňování nebo zvyšování hladiny moře.

Družice na SSO bývají často synchronizovány tak, aby byly neustále nad oblastí svítání či soumraku. To má praktickou výhodu v tom, že se nikdy nedostanou do míst, kde by Země zakryla Slunce, takže jejich fotovoltaické panely neustále generují elektřinu. Družice na SSO bývá většinou ve výšce 600 – 800 kilometrů a v případě výšky 800 kilometrů se pohybuje rychlostí zhruba 7,5 km/s.

Přechodové dráhy a dráha přechodová k dráze geostacionární (GTO)

Přechodové dráhy jsou speciálním druhem oběžných drah, které se používají pro přechod z jedné dráhy na jinou. Když družice startuje ze Země na nějaké nosné raketě, nemusí být tato družice hned umístěna na finální dráhu. Velmi často jsou družice vypuštěny raketou na dráze přechodové – jde o dráhu, ze které se družice za použití relativně malého množství energie za pomoci palubních motorů dostane na finální dráhu. Družice či kosmické lodě totiž mohou pomocí manévrů přecházet z jedné dráhy na jinou.

Díky tomu může družice dosáhnout třeba i vysoké oběžné dráhy jako je GEO, aniž by potřebovala silnou nosnou raketu, která by se o ni celou cestu starala. Přechodová dráha je tedy zkratka, která umožňuje použít o něco slabší nosič. Dosažení geostacionární dráhy tímto způsobem patří mezi vůbec nejčastěji používané přechodové dráhy a označuje se jako GTO – dráha přechodová k dráze geostacionární.

Dráha přechodová k dráze geostacionární (GTO)
Zdroj: https://www.esa.int/

Oběžné dráhy mají různou excentricitu – to je údaj, který říká, jak jsou kruhové či protáhlé. Na perfektně kruhové oběžné dráze je družice stále ve stejné vzdálenosti od Země, ale na silně excentrické dráze připomíná dráha družice spíše elipsu. Na takové silně protáhlé dráze může družice vcelku rychle přecházet z velké do malé vzdálenosti od Země podle toho, ve které části dráhy se nachází. Na přechodových drahách používá družice své motory k přechodu z dráhy s určitou excentricitou na dráhu s jinou excentricitou, což ji pošle buďto výše nebo níže.

Když se podíváme na přiložený obrázek, můžeme říct, že raketa po startu letí po žluté dráze. V určité fázi nosič uvolní svůj náklad, který je na eliptické oběžné dráze – ta je vyznačena modře a družice po ní vystoupá dále od Země. Bod dráhy, který je nejvzdálenější od Země, se nazývá apogeum, naopak bod dráhy, který je k Zemi nejbližší se označuje jako perigeum. Když družice dosáhne apogea v GEO výšce 35 786, zapálí své motory tak, že vstoupí na kruhovou geostacionární oběžnou dráhu, na které zůstane – ta je vyznačena červeně. A co je tedy na tomto obrázku dráha GTO? Je to ta modrá sekce, která leží mezi žlutou a červenou částí.

Librační centra

Pro mnoho družic je usazení na oběžnou dráhu kolem Země rušivé – dokonce i na vzdálených drahách jako je GEO, by totiž byly moc blízko naší planety.  Kupříkladu kosmické teleskopy, které neustále pozorují a fotografují vzdálený temný vesmíru, nemohou pracovat blízko naší planety. Ta přirozeně vyzařuje viditelné, ale i infračervené záření, které by citlivým senzorům kosmických observatoři znemožnilo zachytit slaboučké světlo, které vydávají například daleké galaxie. Zjednodušeně se dá říct, že fotit temný vesmír v blízkosti naší zářivé Země by mělo stejný efekt jako pokus o focení hvězd ze Země za dne.

Vizualizace oběžné dráhy kolem libračního centra.
Zdroj: https://www.esa.int/

Ke slovu proto přichází librační centra zvaná též Lagrangeovy body, které umožňují oběžné dráhy mnohem, ale opravdu mnohem dál (více než milion kilometrů) a družice na nich neobíhají přímo kolem Země. Jde o specifická místa ve vesmíru, kde se gravitační pole Slunce a Země spojí takovým způsobem, že družice, která je obíhá, zůstává stabilní a tak je stále vázána na Zemi. Kdyby byla nějaká sonda vypuštěna mimo tato místa, přirozeně by začala obíhat kolem Slunce. Sonda by se tak velmi brzy hodně vzdálila od naší planety, což by zkomplikovalo komunikaci. Místo toho družice umístěné do těchto speciálních L-bodů zůstávají s minimálním úsilím blízko Země a nepřejdou na jinou dráhu.

Nejčastěji používaná librační centra jsou body L1 a L2 – ty se nachází zhruba 4× dál od Země než Měsíc, konkrétně je to 1,5 milionu kilometrů. Ve srovnání se zhruba 36 000 kilometry v případě GEO je to opravdu hodně, ale pořád je to pouhé jedno procento vzdálenosti Země od Slunce. Mnoho evropských sond bylo, je, nebo bude obíhat kolem některého z těchto libračních center. Za všechny můžeme jmenovat solární observatoř SOHO, nebo technologický demonstrátor LISA Pathfinder, které byly v bodě L1. Teleskopy Herschel, planck, Gaia, Euclid, Plato, Ariel, Dalekohled Jamese Webba nebo Athena  jsou, nebo budou v libračním centru L2 soustavy Slunce-Země.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.iasmania.com/wp-content/uploads/2016/05/Sun-Synchronous-Orbit.png
https://www.esa.int/…/Mass_affects_orbiting_bodies.png
https://www.esa.int/…/reaching_orbit/21862513-4-eng-GB/Reaching_orbit.png
https://www.esa.int/…/Artist_s_view_of_Europe_s_launcher_family.jpg
https://www.esa.int/…/geostationary_orbit/21862672-4-eng-GB/Geostationary_orbit.png
https://www.esa.int/…/low_earth_orbit/21862713-4-eng-GB/Low_Earth_orbit.png
https://www.esa.int/…/galileo_constellation/14631968-1-eng-GB/Galileo_constellation.jpg
https://www.esa.int/…/21862754-4-eng-GB/Polar_and_Sun-synchronous_orbit.png
https://www.esa.int/…/21863296-4-eng-GB/Geostationary_transfer_orbit.png
https://www.esa.int/…/19491788-4-eng-GB/Avoiding_Earth_s_shadow.gif