Was ist der Hohmann-Transfer? Berechnung des Hohmann-Transfers für Orbits

Raumschiffe und Satelliten werden oft verwendet, um Himmelskörper zu umkreisen, sei es der Mond, ein entfernter Planet oder die Erde selbst. Aber nicht alle Bahnen sind gleich. Bahnen in geringer Höhe erfordern andere Geschwindigkeiten und Energieaufwendungen als Bahnen in großen Höhen. Sobald ein Objekt in einer bestimmten Höhe umkreist, machen es die Trägheitsgesetze sehr einfach, diese Umlaufbahn beizubehalten. Aber die Höhe der Umlaufbahn zu ändern ist ziemlich kompliziert. Zum Glück haben moderne Physiker eine Methode, um so etwas zu ermöglichen: den Hohmann-Transfer.

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• Was ist der Hohmann-Transfer?
• Wie funktioniert der Hohmann-Transfer?
• Wie gilt der Hohmann-Transfer für die Internationale Raumstation?
• Wie wird der Hohmann-Transfer auf interplanetare Reisen angewendet?
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Was ist der Hohmann-Transfer?

Der Hohmann-Transfer ist ein System zum Abfeuern von Raketen, mit dem Physiker ein Raumfahrzeug in eine andere Umlaufbahnhöhe bringen. Um zu verstehen, wie der Hohmann-Transfer funktioniert, ist es wichtig, das umfassendere Prinzip der Orbitalmechanik zu verstehen.

Orbitalmechanik ist ein Begriff für die Mathematik, mit der ein Raumschiff seine Umlaufbahn ändert. Bei Objekten im Orbit gilt: Je näher sie dem Objekt sind, das sie umkreisen, desto schneller umkreisen sie es. Dies gilt für jedes Objekt, das ein anderes umkreist:

• Erde umkreist die Sonne
• Der Mond umkreist die Erde
• Ein Raumschiff, das einen Planeten umkreist

In der Orbitalmechanik sind die Konzepte des Beschleunigens und Verlangsamens komplex und nicht intuitiv. Im Orbit bewegt Sie das Vorwärtsfeuern Ihrer Triebwerke in eine höhere Umlaufbahn, was tatsächlich bedeutet, dass Sie langsamer werden, da sich Objekte in einer höheren Umlaufbahn langsamer bewegen. Um schneller zu werden, müssen Sie verlangsamen und in eine niedrigere Umlaufbahn fallen.

Je weiter Sie von der Erde entfernt sind, desto weniger wird dieser Effekt verstärkt. Wenn Sie sich weit genug von der Erde entfernen, sind die relativen Auswirkungen der Orbitalmechanik so gering, dass Sie navigieren können, als würden Sie Ihr Raumschiff im Weltraum betreiben.

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Wie funktioniert der Hohmann-Transfer?

Der Hohmann-Transfer ist die am häufigsten verwendete Methode, um ein Raumschiff von einer niedrigeren Umlaufbahn in eine höhere zu bewegen.

In den 1920er Jahren berechnete der deutsche Ingenieur Walter Hohmann, inspiriert von Science-Fiction, den effizientesten Weg, um in eine höhere Umlaufbahn zu gelangen.

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• Der Hohmann-Transfer funktioniert, indem die Raketentriebwerke an einem bestimmten Punkt in der unteren Umlaufbahn einmal gezündet werden. Dieses Feuern fügt der Umlaufbahn Energie hinzu und treibt das Raumschiff weiter von der Erde weg, wodurch seine Umlaufbahn von einer kreisförmigen Umlaufbahn in eine ovale Umlaufbahn geändert wird.
• An der Stelle dieser neuen ovalen Umlaufbahn, an der das Raumschiff am weitesten von der Erde entfernt ist, zündet die Besatzung die Triebwerke der Rakete erneut und die ovale Umlaufbahn wird wieder zu einem Kreis – dieser weiter von der Erde entfernt als der letzte.

Der Hohmann-Transfer ist der Industriestandard für den energieeffizientesten Orbitaltransfer und gilt unabhängig davon, wie weit Sie in den Weltraum reisen. Wenn ein Raumschiff im Orbit seinen Motor lange genug zündet, wird es schließlich schnell genug fliegen, um in den Weltraum zu fliegen und der Schwerkraft des Planeten zu entkommen. Diese Geschwindigkeit, die Fluchtgeschwindigkeit genannt wird, ist einfach die Quadratwurzel von 2 oder 41% schneller als die Umlaufgeschwindigkeit.

Wie gilt der Hohmann-Transfer für die Internationale Raumstation?

Der Hohmann-Transfer wird von der Besatzung der Internationalen Raumstation (ISS) genutzt. Wegen der kleinen Luftstücke um die ISS wird die Station während ihrer Umlaufbahn ganz leicht zur Erde zurückgezogen. Um eine weitere Spirale nach innen zur Erde zu vermeiden, muss die Besatzung an Bord der ISS oder Mission Control ihre Triebwerke von Zeit zu Zeit zünden, um sie in eine höhere Umlaufbahn zu bringen.

Wie wird der Hohmann-Transfer auf interplanetare Reisen angewendet?

Nehmen wir an, Sie versuchen, ein Raumschiff von der Erde zum Mars zu schicken, und Sie möchten dies so effizient wie möglich tun. Um dies zu erreichen, machen sich die Wissenschaftler die Tatsache zunutze, dass die Raumsonde bereits im Orbit bevor es startet. Wie ist das wahr? Der Grund dafür ist, dass sich das Raumschiff auf der Erde befindet und die Erde die Sonne umkreist.

Auch der Mars umkreist die Sonne, jedoch in viel größerer Entfernung (oder Höhe über der Sonne). Wissenschaftler verwenden die Umlaufbahnen der Erde und des Mars, um ein sogenanntes Perihel und ein Aphel zu bestimmen.

• Das Perihel (nächste Annäherung an die Sonne) wird sich in der Entfernung der Erdbahn befinden
• Das Aphel (am weitesten von der Sonne entfernt) befindet sich in der Entfernung der Marsbahn

Wissenschaftler entwerfen eine Umlaufbahn für die Rakete, die Folgendes umfassen wird: beide das perihel und das Aphel. Mit anderen Worten, die Rakete wird in einer einzigen Umlaufbahn der Sonne zu Beginn ihrer Reise mit der Umlaufbahn der Erde und am Ende ihrer Reise mit der Umlaufbahn des Mars zusammenfallen. Dies wird als Hohmann-Transferbahn bezeichnet. Der spezifische Teil der Sonnenbahn der Rakete, der sie von der Erde zum Mars führt, wird als Flugbahn bezeichnet.

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