Ein Raumschiff bewegt sich mit X Einheiten pro Stunde. Aber relativ zu was genau? Hängt es von der Umlaufbahn ab? Wie?

Ihre Bedenken sind alle vollkommen berechtigt - nur eine Zahl anzugeben, sagt nicht viel aus. Daher muss in allen ordnungsgemäßen Veröffentlichungen das Referenzsystem erwähnt werden.

Typischerweise ist die Referenz der Körper, von dem das Raumfahrzeug hauptsächlich beeinflusst wird. Dh in einer Erdumlaufbahn ist es der Mittelpunkt der Erde, in einer Mondumlaufbahn der Mond. Für interplanetare Sonden im Transit ist es normalerweise das Zentrum der Sonne. In der Nähe von Start und Landung wechselt man normalerweise zu einem auf der Oberfläche des Planeten fixierten Bezugssystem. Für die meisten Berechnungen ist es am besten, ein festes, nicht beschleunigendes Koordinatensystem zu haben (oder zumindest eines mit einer vernachlässigbaren Beschleunigung, wie das Erdzentrum in Bezug auf LEO).

In anderen Fällen, aber normalerweise nicht, wenn es um Geschwindigkeit geht, könnte das Referenzsystem ein rotierendes sein - zB wird die typische 8-förmige Darstellung der Flugbahn der Apollo-Missionen in einem Koordinatensystem gezeichnet, das auf der Erde zentriert ist, sich aber mit dem Mond dreht .

Dies ist eine ergänzende Antwort zusätzlich zu der hervorragenden Antwort von @asdfex, mit dem Versuch, die Dinge vereinfacht zu erklären, da OP nach den Kommentaren immer noch mit Geostationary Orbit verwechselt wird.

Ein Objekt, das sich in einer geostationären Umlaufbahn befindet (die Umlaufbahn liegt in der Äquatorebene der Erde), würde dem Bodenbeobachter bewegungslos erscheinen.

Wenn ich mich in einer geostationären Umlaufbahn befinde, bewege ich mich relativ zum Boden um 0 Einheiten/Stunde. 

Dies gilt nur, wenn die "Einheiten" Winkeleinheiten sind, dh Grad oder Bogenmaß. Das bedeutet, dass sich der Beobachter am Boden und das Objekt im GSO mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit um den Erdmittelpunkt drehen .

Wenn die „Einheiten“ Entfernungseinheiten sind, dh Meter oder Meilen usw., ist die obige Aussage nicht wahr, weil die linearen Geschwindigkeiten des Beobachters am Boden und des Objekts in GSO unterschiedlich sind, weil ihre entsprechenden Radien unterschiedlich sind.

Ich vermute, dass hier Verwirrung aufkommen könnte.

Nun zur relativen Boden-/LEO-/GSO-Geschwindigkeit:

Wenn ich gehe, ist der Boden stationär, und ich bewege mich X Einheiten/Stunde relativ zum Boden.

Wenn ich mich in einer erdnahen Umlaufbahn befinde, bewege ich mich immer noch X Einheiten/Stunde relativ zum Boden, nur dass es ein viel größeres X ist.

Das zentrale Missverständnis hier (Vergleich von Äpfeln mit Birnen) liegt in der Tatsache, dass eine Person, wenn sie auf dem Boden geht , nicht umkreist , während sie bei LEO umkreist . Aus diesem Grund scheint die lineare Geschwindigkeit relativ zum Boden so viel größer zu sein.

Nehmen wir für die folgende Diskussion an, dass alles in der Äquatorialebene passiert, die Umlaufbahnen kreisförmig und linear sind, keine Störungen, Luftwiderstand, Sonnenwind usw. und alle Zahlen ungefähr/gerundet sind.

• Grundgeschwindigkeit . Die Erde macht in 1.436 Minuten eine volle Umdrehung um ihre Achse, daher beträgt die Rotationsgeschwindigkeit der Erde 0,25 Grad/min . Dies macht die lineare Geschwindigkeit eines Beobachters am Äquator (bei einem Radius von 6371 km) gleich 460 m / s (1.029 mph).

• a) Am Boden umkreisen . Unter der Annahme einer perfekt kugelförmigen Erde ohne Hügel / Berge und ohne Atmosphäre (damit es keinen Luftwiderstand gibt), muss man sich mit einer viel höheren Rotationsgeschwindigkeit im Vergleich zur Erde bewegen, um die Erde 1 Meter über ihrer Oberfläche zu umkreisen: 4,27 Grad / min (17 mal schneller als die Erde). Dies entspricht einer linearen Geschwindigkeit von 7.910 m/s (17.694 mph).

Die relative Orbitalgeschwindigkeit der "bodennahen" umkreisenden Person zu einem anderen Beobachter am Boden beträgt 4,27 - 0,25 = 4,02 Grad/min .

Die relative Lineargeschwindigkeit beträgt 7.910 - 460 = 7.450 m/s .

• b) Umkreisen in LEO . Nehmen wir 400 km Höhe an. Die orbitale Winkelgeschwindigkeit beträgt 3,66 Grad/min, die lineare Geschwindigkeit 7.672 m/s (17.162 mph).

Relative Winkelgeschwindigkeit ist 3,66 - 0,25 = 3,41 Grad/min ,

Die relative Lineargeschwindigkeit beträgt 7.672 - 460 = 7.212 m/s .

• c) Umkreisen in GSO . Die Höhe für diese Umlaufbahn ist mit 35.786 km definiert. Die orbitale Winkelgeschwindigkeit beträgt 0,25 Grad/min, die lineare Geschwindigkeit 3.075 m/s (6.879 mph)

Relative Winkelgeschwindigkeit ist 0,25 - 0,25 = 0 Grad/min ,

Die relative Lineargeschwindigkeit beträgt 3.075 - 460 = 2.615 m/s .

Wenn der Orbitalradius weiter als der GSO-Radius wird, scheint sich das Objekt in dieser Umlaufbahn (für den Beobachter am Boden) "rückwärts" zu bewegen, während ein Objekt in LEO sich "vorwärts" zu bewegen scheint (weil sich die Erde in Winkelbegriffen schneller drehen würde). als Objekt in der Umlaufbahn höher als GSO), obwohl sich Objekte in beiden Umlaufbahnen (LEO und höher als GSO) und die Erde in die gleiche Richtung drehen. Aus Sicht des Beobachters am Boden ist daher der Vergleich der linearen Geschwindigkeiten relativ zum Boden (zwischen LEO, GSO und der Umlaufbahn jenseits des GSO) nicht so relevant wie der Vergleich der Winkelgeschwindigkeiten.

PS Die Bewegung einer Person im GSO relativ zu einer Person am Boden kann durch die folgende sehr vereinfachte Analogie beschrieben werden:

Stellen Sie sich eine "Person A" vor, die auf einem Sitz eines Karussells sitzt; Stellen Sie sich eine andere "Person B" vor, die direkt in der Mitte des Karussells steht (und sich daher mitdreht), deren Arm horizontal erhoben ist und mit dem Finger auf die Person auf dem Sitz zeigt. Die Person A ist eine Analogie zu einer Person in der GSO-Umlaufbahn, und der Finger der Person B wird zu einer Analogie zu einem Beobachter am Äquator der Erde.

Während sich das Karussell dreht, erscheinen der B-Finger der Person B und die Person A (auf dem Sitz) bewegungslos zueinander, aber in Bezug auf die Entfernung bewegt sich der Finger für eine bestimmte Zeit von wenigen Sekunden einige Zentimeter, während der Person A bewegt sich ein paar Meter.

Schnelligkeit ist ja relativ. Sie hängt vom Bezugskoordinatensystem ab. Wenn jemand sagt, die Geschwindigkeit sei X m/s um die Erde, ist das falsch. Implizit können wir jedoch davon ausgehen, dass sie über die Geschwindigkeitsnorm im Trägheitsrahmen sprechen, vielleicht J2000 oder ECI .

Aber manchmal ist es auch notwendig, die Geschwindigkeit relativ zum Boden zu diskutieren, zum Beispiel wenn SpaceX seine Landung durchführt, muss die Trägheitsgeschwindigkeit am Ende bei etwa 500 m/s liegen! Dies soll der Grundgeschwindigkeit entsprechen. Die eigentliche Landung auf einem sich bewegenden Schiff ist also nichts anderes als eine erweiterte Version der Landung auf dem sich bewegenden Boden.

Nun ist die interessante Frage, wenn beispielsweise ein Raumfahrzeug die Erdumlaufbahn verlässt und in die Umlaufbahn um die Sonne eintritt, wird die Referenz auf das Baryzentrum des Sonnensystems oder den Trägheitskoordinatenrahmen des Zielhimmelskörpers geändert.

Wenn jetzt jemand sagt, dass Helios 2 70 km/s erreicht hat. Man muss bedenken, dass 30 km / s (Umlaufgeschwindigkeit der Erde um die Sonne) nur darauf zurückzuführen sind, dass sie von der Erde aus gestartet sind