Das hat mit der Physik und den Naturgesetzen zu tun, denen auch heute noch Raumfahrzeuge und Himmelskörper unterliegen!
Vereinfacht gesagt, weil die ISS in einem festen Orbit um die Erde kreist. Die Geschwindigkeit der ISS ist abhängig von ihrer Flughöhe.
Zur Erklärung; Je näher ein Objekt um einen Himmelskörper kreist, desto schneller „fliegt“ (bzw. fällt es) Es um die Erde! (Gilt auch für alle anderen Himmelskörper im Universum)
Wenn also eine schnelle Rakete in den Orbit startet, so „verfolgt“ diese Rakete das Ziel-Objekt (hier die ISS) um die Erde!
Die Rakete beschleunigt zuerst in die Umlaufbahn (= Orbit) auf ca. 9,3 km/pro Sekunde (1 Fluchtgeschwindigkeit) und nähert sich dann im Orbit quasi auf ihrer eigenen Umlaufbahn spiralförmig der ISS. Um die Internationale Raumstation zu einem Rendezvous zu treffen zu können muss sich die Geschwindigkeit Rakete allmählich der Geschwindigkeit der ISS anpassen und langsam annähern. Dabei umrunden beide Objekte die Erde mehrfach.
Die Relativgeschwindigkeit zum ankoppeln ist dann fast schon Schritttempo!
Um Reisezeit und Kraftstoff zu sparen warten die Astronauten ein günstiges Startfenster ab.- d.h. man startet die Rakete erst, wenn das Zielobjekt (hier die ISS) günstig eine bestimmte Position im Orbit überfliegt, um diese Raumstation (Zielobjekt) so effizient und so direkt wie nur irgend möglich anzufliegen zu können.
Je genauer das sogenannte Startfenster errechnet und genutzt wird, desto kürzer die Reisezeit und der Treibstoffverbrauch.
Dieses Annäherungsmanöver dauert also so lange, nicht der eigentliche Flug.
Die Rakete kann sich schließlich nicht in direkter Luftlinie der Raumstation ISS nähern, sondern auf einer spiralförmigen, elliptischen Kreisbahn um die Erde!
Hypothetisch (also mal nur angenommen);
Eine Rakete könnte natürlich in gerader Linie schnell die ca. schlappen 400km Flughöhe erreichen, aber dann rast die ISS entweder an der Rakete vorbei oder kollidiert mit der ISS bei ca. schlappen 28000 km/h!
Und/weil; Die Raumstation (ISS und alle anderen Satelliten) kreisen im Freien-Fall um die Erde auf ihren Elliptischen Umlaufbahnen oder auch Orbits genannt, „fast Parallel“ zur Erdoberfläche! Die Rakete würde aber zu steil, in hypothetischer Luftlinie gesehen, die Umlaufbahn im 90-Grad Winkel schneiden, wenn diese Rakete schnell und senkrecht die 400 Km Flughöhe erreichen würde! Ein Andocken wäre hier undenkbar!
Hier gelten also die Keplerischen Gesetze der Kreisbahnen im Zusammenspiel mit Newtons Gravitationsgesetz.
Der Astronom und Mathematiker Johannes Kepler fand die Gesetze der Himmelsmechanik heraus, schon vor ein paar Hundert Jahren.
Vereinfacht gesagt:
Z.B. Alle Himmelskörper (hier Planeten und Monde) umkreisen ihre Sonnen oder Planeten in Ellipsen. Alle Himmelskörper umkreisen sich dabei gegenseitig um ihren gemeinsamen Brennpunkt. Dieser kann im Fallbeispiel Erde-Sonne auch im Sonneninneren liegen.
Hypothetisch umkreisen sich auch die gute alte ISS und die Erde gegenseitig in ihrem Brennpunkt (oder auch Schwerpunkt), es hat jedoch kaum einen Messbaren Einfluss auf die Erdumlaufbahn…! Tun wir hier also mal einfach so, als wären es „Masselose“ Objekte oder besser gesagt (künstliche) Himmelskörper“
(Es wird zwar auch oft immer noch umgangssprachlich von Kreisbahn gesprochen, aber das ist auch hier zu ungenau, war aber auch noch das Modell Nicolaus Kopernikus)
Johannes Kepler also hier genauer Zitiert am Beispiel Erde-Sonne;
„Die Planeten umkreisen die Sonne auf Elliptischen Bahnen in deren einem Brennpunkt die Sonne steht.“
(Durch die Größen, oder besser gesagt, durch den Massenunterschied, liegt der Brennpunkt, oder hier auch der gemeinsame Schwerpunkt, deshalb tief innerhalb der Sonne!
Das gilt auch für die Erde und die ISS und die Rakete und kann somit hier mal vernachlässigt werden.)
Das mit den Ellipsen und dem Brennpunkt ist also das 1-te Keplerische Gesetz!
Das 2-te Keplerische Gesetz ( Flächengesetz) lautet;
Die Verbindungslinie Sonne-Planet überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen!
Das besagt hier dann wohl auch, dass ein Planet (oder anderer Himmelskörper), der sich bei seiner Annäherung an die Sonne oder den Planeten, immer schneller wird, wenn Er sich dagegen wieder entfernt so wird Dieser wieder langsammer.
Kurz; Bei seiner geringsten Entfernung im Orbit (Z.B. auch einer Raumstation im Erdumlauf oder eines Mondes um seinem Planeten oder der Erde um die Sonne…), dem sogenannten Perihel, ist das den Himmelskörper umkreisende Objekt am schnellsten.
Am „oberen Ende des Orbits“ (=Umlaufbahn), dem sogenannten Apogäum (= die größte Entfernung zum Planeten,- oder besser des zu umkreisenden Himmelskörper), ist das Objekt (hier auch die ISS) am langsamsten.
Das gilt auch für die Rumstation ISS oder die Rakete. Die Rakete und die Raumstation sind hier also auch „Himmelskörper“ oder technisch ausgedrückt (künstliche-) Satelliten!
Das dritte Keplerische Gesetz lautet;
Das Verhältnis aus den Quadraten der Umlaufzeiten und den 3-ten Potenzen der Halbachsen ist für alle Planeten konstant!
Das heißt hier u.a. dass die Umlaufzeiten für die (Sonnen-) entfernten Planeten wesentlich höher liegen als für die Sonnennahen Planeten.
Das heißt aber hier auch, Je höher die Raumstation die Erde (oder einen anderen Planeten oder Sonne)Umkreist, desto langsamer bewegt dieses Himmelsobjekt (Himmelskörper) sich um den Himmelskörper. Die Geschwindigkeit ist hier abhängig von der Flughöhe.
Hier kommen die Newton-Gesetze ins Spiel;
Isaak Newton errechnete die Gesetze der Gravitation und erklärte so ca. 80 Jahre nach Kepler den Grund für diese Beobachtungen.
Zusammenfassend kann man so sagen, die Himmelskörper umkreisen ihren gemeinsamen Schwerpunkt
(hier meist im oder verdammt nahe am Brennpunkt gelegen und nur theoretisch von Belang)
Allgemein; Die Umlaufgeschwindigkeit (=Orbitalgeschwindigkeit) ist abhängig von der Schwerkrafteinwirkung und der Entfernung vom Schwerkraftzentrum eines Himmelskörpers.
Beide Objekte (hier ISS und Rakete) fallen quasi im freien Fall um die Erde!
Diese Umstände müssen beim Annäherungsmanöver („Abfangmanöver“) berücksichtigt werden.
Das macht die Raumfahrt hier auch so kompliziert und Umständlich!
Ist eine Rakete zu schnell, so würde diese an der ISS vorbeifliegen und ggf. in das All hinausgeschleudert werden.
Man spricht hier auch von Fluchtgeschwindikeit oder Kosmischen Geschwindigkeiten. Diese ergeben sich aus den eben zitierten Keplerischen Gesetzen und den Newtonischen Gesetzen der Schwerkraft (=Gravitation).
Fluchtgeschwindigkeit = Die minimale Geschwindigkeit die ein Objekt (Hier Raumfahrzeug) benötigt, um den Erd-Orbit (Erdumlaufbahn) erreichen oder verlassen zu können.
Die benötigte Geschwindigkeit zum Erreichen eines bestimmten Orbits (Umlaufbahn in einer bestimmten Flughöhe oder „Fallhöhe“) ist dagegen „exakt“ oder zu gut Deutsch, genau definiert!
Das gilt auch zum Erreichen eines bestimmten Himmelskörpers, der sich auf einer „exakten“ (genauen) definierten (oder besser gesagt: bestimmten) Umlaufbahn befindet, wie Z.B. der Mond oder der Mars, hier eben die ISS!
Man braucht folglich eine Mindestgeschwindigkeit (von ca. 9,3km/pro Sekunde, hier am Beispiel der Erde oder genauer Erd-Äquator gemessen) um überhaupt einen stabilen einen Orbit zu erreichen.
Das ist die erste kosmische Geschwindigkeit!
Weltraummissionen beginnen daher meistens auf Startplätzen (sog. Weltraumbahnhöfen) in der Nähe des Erd-Äquators um die Rotationsgeschwindigkeit der Erdumdrehung als Starthilfe für Weltraum-Raketen auszunutzen.
Die Zweite kosmische Geschwindigkeit beschreibt die Mindestgeschwindigkeit, die zum Verlassen einer Umlaufbahn ins All hinausführt (ca. 11 km/pro Sekunde)!
Die Dritte Kosmische Geschwindigkeit ist nötig um das Sonnensystem zu verlassen etc. ….
Um also einen stabilen und genau vorherbestimmten Erdumlauf (oder allgemein auch Orbit um einen Himmelskörper) zu erreichen, muss man also folglich eine genau bestimmte Geschwindigkeit erreichen.
Der Geschwindigkeitsunterschied muss von der Versorgungsrakete, die zur ISS aufbricht, genau ausgleichen werden, um auf einem nahen Parallelkurs zur ISS zu gelangen und um schließlich andocken zu können (Mit einer Relativgeschwindigkeit von nur ca. 6Km/pro Stunde, also Schritttempo, so langsam wird dann angedockt, während sich beide Raumfahrzeuge mit ca. 9-10 km pro Sekunde über die Erdoberfläche fortbewegen!!!!
Die Geschwindigkeit der ISS ist also abhängig von der Flughöhe im Orbit (= auf ihrer Umlaufbahn)!
Relativgeschwindigkeit ist also mal vereinfacht
gesagt der Geschwindigkeitsunterschied von einem sich bewegenden Objekt (Hier z.B. die Rakete und/oder die ISS) zu einem Anderen.
(Wie wenn Sie ein vorrausfahrendes Fahrzeug während der Fahrt langsam einholen. Z.B. Sie fahren auf der Autobahn mit 120 km/h und das vorrausfahrende Fahrzeug mit 120 km/h! Dann nähern Sie sich also mit 20 km/h Relativgeschwindigkeit! Das ist auch in der Erdumlaufbahn nicht anders.)
Hier fliegt die ISS voraus und die Rakete holt diese auf einem Rendezvouskurs oder Abfangkurs ein, indem sich die Rakete auf ihrer spiralförmigen Umlaufbahn um die Erde der ISS allmählich annähert und dabei ihre Geschwindigkeit während der Annäherung an die Geschwindigkeit der ISS allmählich anpasst.
Für dieses Raumfahrtabenteuer müssen also vorher viele Berechnungen und Bahn-Manöver durchgeführt werden um die ISS sicher zu erreichen!
Der Zeitplan wird also von den Naturgesetzen der Physik diktiert!
Quellen;
1.)
http://www.abi-physik.de/buch/astronomie/keplersche-gesetze/2.)
Wikipedia: Keplersche Gesetze 3.)
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/weltbilder-keplersche-gesetze (Archiv-Version vom 21.07.2014)4.)
http://www.duden.de/suchen/dudenonline/Umlaufbahn = Begriffe-Übersicht über Umlaufbahnen
5.)
http://www.duden.de/rechtschreibung/Apogaeum 6.)
http://www.duden.de/rechtschreibung/Perihel 7.)
http://www.duden.de/rechtschreibung/Apogaeumstriebwerk ,-Siehe Rakete zur ISS!
8.)
Wikipedia: Kosmische Geschwindigkeiten = Fluchtgeschwindigkeiten
Erhard Vobel jun. // Nürnberg, 07.06.2014
Nachtrag;
Was die exakte Voraus-Berechnung der Orbits von Himmelskörper und Raumfahrzeugen noch so beeinflusst:
• Andere Himmelskörper wie hier Z.B. Stellung Erde, Mond, Sonne!
• Die Unregelmäßigkeiten der Erdkugel. Die Erde ist nicht ganz so rund wie es den Anschein hat. Eher wie eine geschrumpelte Apfelsine oder ein ausgetretener Fußball. Die Schwerkraft ist nicht glatt bzw. gleichmäßig verteilt wie auf eine regelmäßige Kugel.=>
• => Hieraus entstehen oft zu allem Überfluss auch noch „Reibungsverluste“ durch die Überquerung von Schwerkraftschwankungen und Magnetfeldern.
• Sonnenwinde (permanenter Teilchenstrom, der jedoch mit der Sonnenaktivität in seiner Stärke schwankt) und die Ausläufer der „Restatmosphäre“ (bis ca. 1000km Höhe) bremsen, je nach Wärmeeinstrahlung der Sonne, Künstliche Satelliten allmählich ab. Gase dehnen sich bei Wärme aus, so dass auch die Atmosphäre unterschiedlich und quasi Wetterbedingt auf Raumfahrzeuge einwirkt!!!
• Magnetfelder der Erde und anderer Himmelskörper
• Schwerkraftwellen anderer kosmischer Ereignisse.
• Vielleicht sogar Mikro- Meteore und Kosmische Fremdteichen.
• Möglicherweise aber auch Relativistische und Quantenphysikalische Effekte! Aber die können sie hier bei der ISS vergessen!
Hier wird es mir aber zu kompliziert!!!
