Geschwindigkeiten im Weltraum

Ich verfolgte die Artemis 2 Mission. Dabei wurde hier im Tread immer wieder gesagt "Sie bewegt sich jetzt mit x m/s".
Ich frage mich jetzt: Bewegung relativ zu was?

Die Erde dreht sich um sich selbst und um die Sonne. Die Sonne dreht sich um das Zentrum der Milchstraße, aber da wir so schnell nicht in die Nähe eines anderen Sonnensystems kommen kann man das und auch die Bewegung der Milchstraße vernachlässigen.

- Die Athmosphäre dreht sich mit der Erde mit. Das heißt auf der Erdoberfläche oder in der Athmospäre bezieht man sich auf einen Punkt an der Erdoberfläche. Wegen Wind muss man beim Fliegen den Unterschied zwischen Bewegung relativ zum Boden und Bewegung relativ zur umgebenden Luft beachten, zB wegen Auftrieb.

- In einer Kreisförmigen Umlaufbahn um die Erde hat man den Durchmesser der Bahn * pi / Umlaufzeit. So kommt man zu Aussagen wie "Die ISS bewegt sich mit ca 28000km/h um die Erde.

Wie sieht das aus wenn man weiter von der Erde weg geht? Dann bewegt sich ja die Erde und das Ziel (zb anderer Planet) weiter wenn man unterwegs ist. Heißt das man hat jetzt die Sonne als Bezugssystem? Oder misst man nur was ein interner Beschleunigungssensor anzeigt? Dann würden sich aber mit der Zeit Fehler ansammeln wenn man es nicht mit irgentwas vergleicht.

Was heißt es also wenn man sagt:
- Artemis fliegt gerade mit x m/s um den Mond (relativ zu Schwerpunkt Erde, Schwerpunkt Mond, Schwerpunkt Erde/Mond System, nur interne Sensoren)
- Voyager fliegt mit x m/s aus dem Sonnensystem (damit ist wohl der Abstand zur Sonne gemeint)

Bezugssystem ist natürlich die Erde.
Wir, als "Messende", sitzen auf der Erde. Und das jeweilige Raumschiff muß eine  bestimmte Geschwindigkeit haben, um in einer bestimmten Höhe um das "Schwerkraftzentrum Erde" stabil zu fliegen bzw das Schwerkraftfeld der Erde zu verlassen.
Also "Relativgeschwindigkeit zur Erde"

Die Geschwindigkeit der Erddrehung kommt z.B. dann ins Spiel, wenn du in, oder gegen die Drehrichtung startest.

Die Frage ist eigentlich ziemlich gut. Die Antwort ist auch nicht ganz so einfach. Zumindest ist alepus Antwort nicht vollständig.

Die ausgegebenen Geschwindigkeiten beziehen sich immer auf das (für den Orbit) relevante Koordinatensystem:

• Orbit um die Erde --> Angaben gegenüber der Erde
• Orbit um die Sonne --> Angaben gegenüber der Sonne
• Orbit um xxx --> Angaben gegenüber xxx
• ....

Das sind dann die im Model berechneten und propagierten Werte, nicht die gemessenen. Außerdem wird dabei implizit angenommen, dass im jeweiligen Zentralkörper ein ruhendes, intertiales Koordinatensytem liegt. Das tut es an sich nicht. Der Mond kreist um die Erde. Die Erde kreist um die Sonne ... usw. Die Annahme ist aber hinreichend gut für die zu lösenden Probleme. Und da es offenbar ja keinen Äther gibt, gibt es kein ausgezeichnetes Bezugssystem und wir kenne eh nicht unsere Absolutbewegung.

Aber, Madscientists Frage umschließt ja auch "Messwerte". Wie bestimmen wir die aktuellen Orbitelemente? Da ist die Frage des Bezugsystems relevant(er). Wenn wir von einer Bodenstation aus "Tracking & Ranging" machen, dann bestimmen wir Abstand und Bewegung gegenüber der Station. Das sind aber noch keine Orbitwerte. Die Station steht auf einem bestimmten Breitengrad der rotierenden Erdoberfläche. Wir müssen diese Messdaten dann ins "ruhende" Erdsystem übertragen/umrechnen.

Wenn ein Satellit seine Bewegung über ein internes INS bestimmt, muss man das auch umrechnen. Wenn er GPS nutzt, oder mittels Sternsensoren mehrere Fixsterne in der galaktischen Nachbarschaft, gelten die Messwerte erst mal auch gegenüber diesen Bezugssystemen und müssen umgerechnet werden.

Aber meine Anschlussfrage: Ich bin in AOCS-Technik nicht tatsächlich tief drin. Wenn wir Sternsensoren auf Sonden nutzen, können wir damit nur die Position bestimmen? Ich vermute "Bewegung" geht nicht, außer in der Mittelung über sehr lange Zeiträume, was dann aber für eine Orbitbestimmung nicht mehr relevant ist.

Sobald der Erdorbit erreicht ist, bezieht sich die "Entfernung zur Erde" auf die Flughöhe, also den kürzesten Abstand zur Erdoberfläche. Das wird während des gesamten Fluges beibehalten, ansonsten müsste man beim Wechsel eines Koordinatensystems Sprünge im Diagramm erkennen.

Auch die Geschwindigkeit, die man bspw. mittels des Doppler-Effekts der Funkwellen messen kann, bezieht sich auf diesen Punkt. Dabei werden die Effekte heraus gerechnet, die sich aus einer Bewegung der Funkmessstelle aufgrund der Erdrotation ergeben. Man erhält also bei der maximalen Entfernung (Apogäum) eine Geschwindigkeit "Null", egal wie sich die Erde um sich selbst oder um die Sonne bewegt.

Kurz vor der Landung, also im erdnahen Bereich, bezieht man sich dann natürlich auf die Geschwindigkeit gegenüber der Atmosphäre, um den Abstieg der Kapsel zu optimieren. Das hat aber keinen Einfluss auf allgemeine Aussagen wie die maximal erreichte Geschwindigkeit kurz vor dem Eintritt in die Lufthülle.

Sternsensoren werden in diesem Fall benutzt, um die Fluglage, also die Orientierung im Raum zu kontrollieren, bevor mit dem Haupttriebwerk eine Kurskorrektur durchgeführt wird.

Ich habe Physikingenieur studiert. In Mechanik hat man gelernt, man kann jedes Bezugssystem nehmen so lange man genau angibt worauf man sich bezieht. Für manche Bezugssysteme ist das einfacher zu berechnen als für andere. Allerdings hatte mein Studium nichts mit Weltraum zu tun. Man ging immer davon aus, das die Erde ruht und die Schwerkraft nach unten zeigt.

Eine Weltraum Mission besteht aus mehreren Phasen. Angenommen ein Mission zum Mars startet, geht in den Erdorbit, fliegt dann zum Mars, geht in Marsorbit und landet dann:
- Start: Bezugssystem = Startpunkt?
- Triebwerke zünden um in den Erdorbit zu kommen = Wechsel zu Bezugssystem Schwerpunkt Erde
- Triebwerke zünden Richtung Mars = Wechsel zu Bezugssystem (Man steuert ja den leeren Punkt an, wo Mars beim Eintreffen der Sonde sein wird. Die Sonne wäre übersichtlich als Grafik, aber wie soll die Sonde Abstand und Winkel in 2 Richtungen zur Sonne messen? Da hilft wohl nur Orientierung an weit entfernten Sternen. Also "Ziele auf Stern x, dann wird der Mars vorbei kommen wenn du die Mars Umlaufbahn erreicht hast".
- Triebwerke zünden zum Wechsel in Marsorbit = Bezugssystem ist Schwerpunkt Mars
- Triebwerke zünden zur Landung = Bezugssystem ist Landepunkt?

Verständnisfrage: Bedeutet "Orbit" eine stabile Umlaufbahn oder reicht es wenn man von der Schwerkraft irgentwie abgelenkt wird?

Zurück zu Artemis: Bei der Mondmission flog man weder einen stabilen Umlauf um den Mond (man hätte so nicht mehrmals um den Mond fliegen können) und man flog auch nicht stabil um die Erde (man stürzte auf sie zu). Man wurde aber stark von der Schwerkraft von Erde und Mond beeinflusst. Daher habe ich keine Ahnung was hier als Bezugssystem dient.

Verständnisfrage: Bedeutet "Orbit" eine stabile Umlaufbahn oder reicht es wenn man von der Schwerkraft irgentwie abgelenkt wird?

Orbit ist eine geschlossene Bahn um einen Himmelskörper. "Von der Schwerkraft abgelenkt" wirst du eh immer, egal auf welcher Bahn.

OK, in der Mittagspause habe ich nachgedacht.
Ergebnis: Die Geschwindingkeitsangaben von Artemis beziehen sich auf den Schwerpunkt der Erde da die genannten Werte nahe des Mondes sehr gering waren.

Man wirft ein Objekt nach oben, die Geschwindigkeit sinkt, am Umkehrpunkt ist sie null und dann steigt die Geschwindigkeit weil man wieder runter fällt.
- Das Objekt wirft sich selbst und verliert dabei Masse (die Rakete verbrennt Treibstoff). Das hat keinen Effekt darauf was man unter Geschwindigkeit versteht.
- Die Erde dreht sich. Das hat Einfluss auf den Landepunkt aber nicht auf das Verständnis von Geschwindigkeit. Daher ist der Bezugspunkt der Schwerpunkt der Erde und nicht ein Punkt auf der Oberfläche.
- Das man um den Mond herum fliegt ändert die Flugbahn und den Verlauf der Geschwindigkeit. Es verändert aber nicht was man unter Geschwindigkeit versteht.

Die Entfernung Erde zum Raumschiff kann man sehr genau mit der Laufzeit messen. Das der Sender nicht genau unter dem Raumschiff ist kann man rausrechnen.