Umlaufbahnen

Umlaufbahnen bezeichnet in der Physik die Bahnen, die Himmelskörper, Raumfahrzeuge oder andere Massen um einen zentralen Körper ziehen. In der Himmelsmechanik handelt es sich meist um Bahnen, die durch Gravitation bestimmt werden; die klassischen Modelle gehen vom Zwei-Körper-Problem aus, wobei die Bahnformen Ellipsen, Kreise, Parabeln oder Hyperbeln sein können.

Die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten ergeben sich aus Keplers Gesetzen und dem Gravitationsgesetz von Newton. Die Bahn einer Masse m um eine Zentralmasse M hängt von Anfangsbedingungen, der Geschwindigkeit und der Entfernung ab. Gebundene Bahnen haben negative Energie und sind Ellipsen; ungebundene Bahnen (Parabel/Hyperbel) haben null bzw. positive Energie.

Wichtige Größen zur Beschreibung einer Umlaufbahn sind die orbitalen Parameter: die große Halbachse a, die Exzentrizität e, die Inklination i, die Lage des aufsteigenden Knotens Ω, der Periapsiswinkel ω sowie die wahre Anomalie v. Diese Elemente ermöglichen es, die Position und die Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt zu berechnen.

Häufige Bahnarten in der Raumfahrt sind die Kreisbahn, die elliptische Umlaufbahn, die geostationäre Umlaufbahn (GEO), die mittlere Erdumlaufbahn (MEO) und die niedrige Erdumlaufbahn (LEO). Transferbahnen wie der Hohmann-Transfer dienen dem sparsamen Raumflug zwischen Bahnen. Perturbationen, etwa durch die Abplattung der Erde (J2-Effekt), den Mond und andere Planeten oder Luftdichte in niedrigen Bahnen, verändern die Bahn im Lauf der Zeit.

In der Atomphysik wird der Begriff Umlaufbahn auch verwendet, um Elektronenbahnen zu beschreiben. Heute spricht man jedoch von Elektronenorbitalen und Quantenmechanik; Elektronen folgen dort keine festen Klassenbahnen, sondern Wahrscheinlichkeitsverteilungen ihrer Aufenthaltsorte.