Astrodynamik

Astrodynamik, auch Raumfahrtmechanik genannt, ist das Teilgebiet der Himmelsmechanik, das sich mit der Bewegung von Raumfahrzeugen unter dem Einfluss der Gravitation und anderer Kräfte befasst. Ziel ist es, Bahnverläufe zu verstehen, zu modellieren und zu steuern, um Missionen zu planen und Navigationsentscheidungen zu treffen.

Die theoretischen Grundlagen bilden Newtons Gravitationsgesetze, den zentralen Kraftbegriff und das Zwei-Körper-Problem. Komplexe Situationen erfordern die Berücksichtigung mehrerer Himmelskörper sowie verschiedener Einflussgrößen wie die Oblateness des zentralen Körpers, den Sonneneinfluss, atmosphärischen Widerstand bzw. die Solarstrahlung und Dritter-Körper-Effekte.

Wichtige Konzepte sind die Bahnparameter a (Halbachse), e (Exzentrizität), i (Inklination), Ω (aufsteigender Knoten), ω (Argument des Perigäums) und ν (wahre Anomalie). Keplersche Gesetze liefern Grundzusammenhänge; einfache Transferbahnen wie der Hohmann-Transfer oder bi-elliptische Transfers werden in der Missionsplanung verwendet. Das Lambert-Problem bestimmt die Flugbahn zwischen zwei Punkten in einer vorgegebenen Zeit.

Techniken umfassen analytische Methoden, die Lösung der Lagrange- oder Gauss-Gleichungen sowie numerische Integration von Bewegungsgleichungen (z. B. Runge-Kutta). In der Praxis werden Bahnelemente aus Beobachtungsdaten bestimmt, Trajektorien simuliert und Bahnkorrekturen (Delta-V-Maßnahmen) geplant. Perturbationen wie J2, Luftwiderstand, Solarstrahlung und Dritter-Körper-Effekte werden in Simulationen berücksichtigt.

Anwendungen erstrecken sich von Satelliten- und Raumsondenbahnen über Orbit-Insertion, Rendezvous und Docking bis zu interplanetaren Flugbahnen. Historisch entstand das Feld aus der klassischen Himmelsmechanik (Kepler, Newton) über Gauss, Lagrange und Euler bis zu modernen rechnergestützten Methoden der Raumfahrttechnik.