Sci-Fi-Schiffe, die auf Planeten fallen

Nach den Episoden von Star Trek zu urteilen, die ich gesehen habe, ziehen es die Besatzungen der Enterprise und anderer Schiffe vor, über einem Planeten zu schweben, anstatt ihn zu umkreisen. Das heißt, sie parken das Schiff so, dass es sich nicht über dem Planeten bewegt, und benötigen Motorleistung, um zu verhindern, dass das Schiff aufgrund der Schwerkraft auf die Oberfläche fällt. In dieser Situation würde eine Navigationsstörung, die die Motoren abschaltet, dazu führen, dass das Schiff auf den Planeten stürzt.

Die Schiffe könnten viel Treibstoff sparen, wenn sie mit genügend Quergeschwindigkeit parken würden, um den Planeten wie eine Raumstation oder einen Mond zu umkreisen. Dann müssten sie nur wenig Treibstoff aufwenden, um dem atmosphärischen Widerstand entgegenzuwirken, wenn sie nahe genug am Planeten wären (siehe die Bahnkorrekturen auf der Internationalen Raumstation).

Ihre Intuition ist richtig. Wenn sich ein Raumschiff an einem Planeten vorbeibewegt, hat es einen Drehimpuls, der abgebaut werden muss, bevor es auf die Oberfläche des Planeten fallen kann. Das Raumfahrzeug wird, sofern es nicht von einer Atmosphäre beeinflusst oder von seinen Triebwerken angetrieben wird, einer elliptischen Umlaufbahn folgen, die aus seiner Geschwindigkeit, Position und der Masse des Planeten berechnet werden kann. Wenn diese Umlaufbahn die Oberfläche des Planeten nicht schneidet, wird das Raumschiff den Planeten nicht treffen – es wird nur eine Schleife machen. Wenn die Geschwindigkeit groß genug ist (bei einer bestimmten Position) und nicht auf den Planeten gerichtet ist, wird die Flugbahn eine Parabel oder Hyperbel sein und das Raumschiff wird einfach auf einer gekrümmten Bahn weitergehen, die es ins Unendliche trägt.

Ich bin kein Experte für Orbitalmechanik und auch nicht für Luft- und Raumfahrtflüge, aber ich werde mein Bestes geben. Im Idealfall, wenn keine Widerstandskräfte vorhanden sind, kann die Flugbahn des Schiffs um einen Planeten eine Ellipse, eine Parabel oder eine Hyperbel sein. Nehmen Sie zum Beispiel das folgende Bild, das die Arten von Flugbahnen eines Schiffes unter dem Gravitationseinfluss eines Körpers darstellt, der sich an einem Punkt befindet$F$kann dauern (entnommen aus Wikipedia)

Eine "vorbeifahrende" Flugbahn kann entweder die grüne oder die blaue sein, und eine geschlossene Umlaufbahn kann entweder die rote oder die graue sein. Wenn der kleinste Abstand zwischen dem Punkt$F$und eine der Flugbahnen kleiner als der Radius des Planeten ist, wird das Schiff offensichtlich die Oberfläche treffen. Wenn also die Schiffsbesatzung dieses tragische Schicksal vermeiden will, muss sie ihre Flugbahn an eine weiter vom Planeten entfernte anpassen.

Wenn wir nun die Widerstandskräfte berücksichtigen, sollte die Besatzung auch vermeiden, in die Atmosphäre des Planeten einzudringen (damit meine ich die "dicken" Schichten der Atmosphäre). Je nachdem, wie tief sie eindringen und wie schnell sie unterwegs sind, können die atmosphärischen Widerstandskräfte das gesamte Schiff auseinanderreißen (selbst wenn ihre Höhe mehrere zehn Kilometer von der Oberfläche entfernt ist!). Aber selbst wenn sie vermeiden, lebendig verbrannt zu werden, könnte die Atmosphäre das Schiff immer noch bis zu einem Punkt abgebremst haben, an dem es unweigerlich auf dem Boden aufschlagen wird. Die "sicherste Annäherungsentfernung" muss also so sein, dass die Atmosphäre "dünn genug" ist, um das Schiff nicht auseinander zu brechen und die Flugbahn auch nicht in eine Kollisionsflugbahn zu ändern.