Beim Start eines Satelliten fliegt eine Trägerrakete nicht direkt zum Ziel. Warum dreht es sich im Kreis? Reicht der Schub nicht aus?

Jeder, der die Mittelschule besucht hat, weiß, dass das gerade Liniensegment zwischen zwei Punkten das kürzeste ist. Betrachtet man jedoch alle Weltraumstarts auf der Welt, sei es der Start eines Satelliten oder eines bemannten Raumfahrzeugs, muss die Trägerrakete wenden und kreisen, wenn sie diese Raumfahrzeuge ins All schickt. Warum ist das so? Liegt es daran, dass der Schub der Trägerrakete nicht ausreicht?

Nehmen Sie zum Beispiel die Rakete vom Typ Langer Marsch 5. Der Schub dieser Rakete kann ein 14 Tonnen schweres Raumfahrzeug in eine geosynchrone Transferbahn bringen. Wenn ein Satellit mit geringerer Masse gestartet wird, kann er auf jeden Fall in eine Umlaufbahn gebracht werden, die weiter vom Boden entfernt ist. Aber warum wird bei fast keinem Weltraumstart diese Startmethode „vertikal nach oben“ angewendet?

Unabhängig von der Startmission sieht die Flugbahn der Trägerrakete grundsätzlich so aus wie im Bild unten. Während die Rakete vom Boden in große Höhen aufsteigt, neigt sich ihre Flugbahn allmählich, und schließlich verläuft sie fast parallel zum Boden und verschwindet dann aus unserem Blickfeld.

Beim senkrechten Start eines Raumfahrzeugs nach oben gibt es nur drei mögliche Ergebnisse.

1. Die Rakete verfügt über ausreichend Leistung, um dem Raumfahrzeug direkt zu ermöglichen, der Schwerkraft der Erde zu entkommen und dann weiterzufliegen, bis es von der Schwerkraft anderer Himmelskörper erfasst wird. Damit ein Raumschiff der Anziehungskraft der Erde entkommen kann, ist eine Anfangsgeschwindigkeit von mindestens 11,2 Kilometern pro Sekunde erforderlich (dies wird als zweite kosmische Geschwindigkeit bezeichnet).

2. Die andere Möglichkeit ist, dass das Raumschiff nur zum Lagrange-Punkt geflogen ist und dort angehalten hat. Der Lagrange-Punkt ist der Gravitationsgleichgewichtspunkt zwischen zwei Himmelskörpern. Theoretisch gibt es zwischen zwei beliebigen Himmelskörpern fünf Lagrange-Punkte, aber normalerweise sind nur zwei davon am stabilsten. In der Nähe der Erde ist der nächstgelegene Erde-Mond-Lagrange-Punkt 65.000 Kilometer entfernt, während der nächstgelegene Erde-Mond-Lagrange-Punkt 1,5 Millionen Kilometer entfernt ist.

3. Die Rakete ist nicht leistungsstark genug und das Raumschiff kann der Schwerkraft der Erde nicht entkommen. Unter dem Einfluss der Erdbeschleunigung fällt es schließlich wieder auf den Boden zurück.

Meistens starten wir Raumfahrzeuge, die die Erde umkreisen. Wenn diese Methode zum Starten eines Raumfahrzeugs verwendet wird, bei der die Rakete senkrecht nach oben schießt, stürzt das Raumfahrzeug letztendlich unter dem Einfluss der Erdanziehungskraft ab, selbst wenn der Schub der Rakete stark genug ist, um das Raumfahrzeug in einem Zug auf die vorgegebene Umlaufbahnhöhe zu befördern.

Um den Einfluss der Erdanziehungskraft zu überwinden, muss dem Raumfahrzeug eine Tangentialgeschwindigkeit verliehen werden, um eine Zentrifugalkraft zu erzeugen, die die Erdanziehungskraft ausgleicht und das Raumfahrzeug in einer kreisförmigen oder elliptischen Bewegung um die Erde bewegt. Daher muss die Rakete beim Start eine Drehung ausführen und auch die Flugbahn der Rakete ist ein Bogen. Denn nur durch diese Flugweise kann dem Raumfahrzeug eine Tangentialgeschwindigkeit aufgezwungen werden.

Tatsächlich ist es auch möglich, dass eine Rakete ein Raumschiff in einem Zug an sein Ziel schickt. Wenn die Rakete keine Tangentialgeschwindigkeit liefert, muss sich das Raumfahrzeug auf seine eigene Kraft verlassen, um eine Tangentialgeschwindigkeit zu erzeugen. Allerdings muss hierfür eine große Menge Treibstoff mitgeführt werden, was zwangsläufig zu einer Erhöhung der Masse des Raumfahrzeugs führt. Mit zunehmender Masse des Raumfahrzeugs muss auch der Schub der Trägerrakete größer werden und die Trägerrakete muss auch mehr Treibstoff verbrauchen.

Dies liegt natürlich nicht nur an der Treibstoffersparnis, sondern auch daran, dass die Schubkraft bestehender Raketen nicht groß ist und es schwierig ist, ein Raumfahrzeug auf einmal in eine hohe Umlaufbahn zu bringen. Selbst wenn dies möglich wäre, wäre es nicht kosteneffizient.

Raumfahrzeuge bewegen sich kreisförmig um die Erde, und die Umlaufbahn muss durch den Erdmittelpunkt verlaufen. Es gibt viele Arten von Umlaufbahnen für Raumfahrzeuge, die die Erde umkreisen.

Je nach Umlaufbahnhöhe kann man zwischen einer niedrigen Umlaufbahn (erdnahe Umlaufbahn), einer mittleren Umlaufbahn und einer hohen Umlaufbahn unterscheiden. Es gibt keine strikte Trennung zwischen hohen und niedrigen Umlaufbahnen. Im Allgemeinen werden solche mit Höhen unter 1.000 Kilometern als erdnahe Umlaufbahnen oder niedrige Umlaufbahnen bezeichnet.

Je höher die Umlaufbahn, desto langsamer bewegt sich das Raumfahrzeug. Je niedriger die Umlaufbahn und je näher am Boden, desto höher die erforderliche Bewegungsgeschwindigkeit. Wenn ein Raumschiff nahe am Meeresspiegel fliegen will, ohne abzustürzen, muss seine Geschwindigkeit 7,9 Kilometer pro Sekunde erreichen (die erste kosmische Geschwindigkeit). Dies ist zugleich die Höchstgeschwindigkeit, die ein Raumschiff in der Erdumlaufbahn erreichen kann.

Wenn die Umlaufbahnhöhe 36.000 Kilometer beträgt, entspricht die Betriebsdauer des Raumfahrzeugs der Rotationsperiode der Erde. Diese Umlaufbahn wird als geosynchrone Umlaufbahn bezeichnet. Wenn die Neigung der geosynchronen Umlaufbahn Null ist, fliegt das Raumfahrzeug genau entlang des Erdäquators. Diese Umlaufbahn wird als geostationäre Umlaufbahn (oder geostationäre Umlaufbahn) bezeichnet. Dabei handelt es sich um einen Sonderfall der geosynchronen Umlaufbahn, und es gibt nur eine davon.

Je nach Neigung der Umlaufbahn kann man zwischen einer Äquatorialumlaufbahn, einer Polarumlaufbahn und einer geneigten Umlaufbahn unterscheiden. Unter ihnen beträgt die Neigung der Äquatorumlaufbahn 0 Grad und die Umlaufbahnebene fällt mit der Äquatorebene der Erde zusammen. die Neigung der polaren Umlaufbahn beträgt 90 Grad, die Umlaufbahnebene steht senkrecht zur Äquatorebene der Erde und das Raumschiff wird über den Nord- und Südpol fliegen; und die Neigung der geneigten Umlaufbahn beträgt weder 0 Grad noch 90 Grad.

Fliegt das Raumfahrzeug in Richtung der Erdrotation, kann man zwischen einer direkten und einer retrograden Bewegung unterscheiden.

Um mit dem Mangel an Raketenschub zurechtzukommen und aus wirtschaftlichen Gründen werden die meisten Raumfahrzeuge heute zunächst in eine erdnahe Transferbahn gebracht und nutzen dann die eigene Energie des Raumfahrzeugs, um die Umlaufbahn schrittweise in eine mittlere oder hohe Umlaufbahn zu verändern. Wenn Sie ein Raumfahrzeug in eine geosynchrone oder geostationäre Umlaufbahn in 36.000 Kilometern Höhe über der Erde bringen möchten, müssen Sie das Raumfahrzeug zunächst in eine Transferbahn bringen. Das Perigäum dieser Transferbahn liegt nur wenige hundert Kilometer über der Erde, das Apogäum beträgt mehr als 36.000 Kilometer. Anschließend müssen am Bahnänderungspunkt mindestens zwei Beschleunigungen durchgeführt werden, um die Bahnhöhe zu erhöhen und anschließend Feineinstellungen an der Bahnänderung vorzunehmen, bevor die vorgegebene Umlaufbahn erreicht wird. Zu den Feinabstimmungsparametern gehören Bahnneigung, Bahnhöhe usw.

Diese Übertragungsmethode wird Hohmann-Übertragung genannt. Es nutzt die Schwerkraft der Himmelskörper voll aus und kann den Treibstoff von Raumfahrzeugen erheblich einsparen. Der einzige Nachteil ist, dass es lange dauert.

Tatsächlich gibt es noch einen weiteren Grund, warum die Trägerrakete schräg fliegt. Dies liegt daran, dass sich die Flugbahn der meisten Raumfahrzeuge nicht oberhalb des Startplatzes befindet. Um in die vorgegebene Umlaufbahn zu starten, darf die Flugrichtung der Trägerrakete nach dem Abheben vom Boden nicht senkrecht nach oben sein. Wenn der Start in Richtung der Erdrotation erfolgt, lässt sich mithilfe der linearen Geschwindigkeit der Erdrotation mehr Treibstoff sparen.