mini|Die orbitalflugfähige Trägerrakete Sojus ist die meistgeflogene Rakete in der Raumfahrtgeschichte (Foto von 2004)

Ein Orbitalflug oder orbitaler Raumflug ist der Flug eines Raumflugkörpers in einer Umlaufbahn („Orbit“) um einen Himmelskörper. Orbitalflüge sind zu unterscheiden von Suborbitalflügen, die zwar den Weltraum erreichen, aber zu langsam sind, um eine Umlaufbahn zu erreichen.

Das Adjektiv orbital, insbesondere in Abgrenzung zum Adjektiv suborbital, kann sich außer auf Raumflüge und Missionen auch auf entsprechende Raketen, Nutzlasten, Raketenstarts, Startrampen und Weiteres beziehen.

Himmelskörper und die erste kosmische Geschwindigkeit Umlaufbahnen sind grundsätzlich um jeden beliebigen Himmelskörper möglich, also etwa um Sterne, Planeten, Monde, Asteroiden oder Kometen. Wegen der Größe des Universums beschränkt sich die menschliche Raumfahrt jedoch bisher auf das Sonnensystem, und der weitaus häufigste Himmelskörper für Orbitalflüge ist die Erde.

Um nach einem Start auf der Oberfläche eines Himmelskörpers in einer Umlaufbahn zu fliegen, muss der Raumflugkörper nicht nur den Weltraum erreichen, sondern auch auf eine bestimmte Geschwindigkeit in horizontaler Richtung beschleunigt werden, die sogenannte erste kosmische Geschwindigkeit oder Kreisbahngeschwindigkeit. Bei der Erde beträgt diese in einem niedrigstmöglichen Orbit rund 7,9 km/s, also mehr als 28.000 km/h. Das ist mit Raketentriebwerken möglich. Weltraumschleudern sind bisher nur Zukunftsvisionen.

Die Kreisbahngeschwindigkeit ist von der Flughöhe abhängig. In größerer Höhe ist sie niedriger. Ein geostationärer Satellit hat beispielsweise nur eine Geschwindigkeit von rund 3 km/s, das sind rund 11.000 km/h.

Ein nahender Flugkörper, der aus der Entfernung in den zunehmenden gravitativen Einflussbereich eines Himmelskörpers gerät, kann durch geeignetes Abbremsen auf eine Relativgeschwindigkeit, die unter der Fluchtgeschwindigkeit seiner aktuellen Höhe liegt, in eine Umlaufbahn um den Himmelskörper einschwenken.

Umlaufbahn mini|Animation einer Keplerellipse:Der Flugkörper durchläuft ohne Antrieb und Reibung immer wieder dieselbe Ellipsenbahn

Allgemeines mini|Nach dem Gravitationsgesetz nimmt die Gravitationskraft mit zunehmendem Abstand quadratisch ab Die entscheidende Kraft für Flugkörper auf Umlaufbahnen um einen Himmelskörper ist die Gravitation. Sie wirkt stets in Richtung des Massenmittelpunkts des Himmelskörpers und ihre Größe ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Im Verhältnis zur Masse von Himmelskörpern ist die Masse eines Flugkörpers vernachlässigbar klein. Auch andere Himmelskörper können im einfachsten Fall näherungsweise vernachlässigt werden. Damit vereinfacht sich das Zweikörperproblem zu einem Einkörperproblem. Dessen Lösung wurde erstmals Anfang des 17. Jahrhunderts von Johannes Kepler in Form der drei Keplerschen Gesetze formuliert. Das Gravitationsgesetz von Isaac Newton erklärt die beobachteten Umlaufbahnen als Wirkung der Gravitationskraft. Eine andere, für extrem hohe Massedichten und Geschwindigkeiten bessere Beschreibung der Gravitation liefert die von Albert Einstein entwickelte allgemeine Relativitätstheorie.

Eigenschaften einer Umlaufbahn Nach der klassischen Physik ist jede Umlaufbahn im allgemeinen Fall eine geschlossene elliptische Bahn (Trajektorie), bei der sich der Massenmittelpunkt des Himmelskörpers in einem Brennpunkt der Ellipse befindet. Man nennt sie auch eine Keplerellipse. Als Sonderfall kann die Ellipse auch ein Kreis sein. Egal wie sie im Raum ausgerichtet ist, liegen alle Punkte der Umlaufbahn stets in einer Ebene, die deshalb auch Bahnebene oder Orbitalebene genannt wird. Sobald sich der Raumflugkörper in einer Umlaufbahn befindet, kann er dort prinzipiell ohne weiteren Antrieb verbleiben und auf ihr den Himmelskörper umkreisen.

Die Bahn und die Bewegung des Flugkörpers, relativ zum als ruhend angenommenen Bezugssystem des Himmelskörpers, werden durch verschiedene Bahnelemente beschrieben. Mit der Vis-Viva-Gleichung lässt sich die Momentangeschwindigkeit des Flugkörpers berechnen. Sie hängt nur von der Masse des Himmelskörpers und vom Abstand des Flugkörpers zum Massenmittelpunkt des Himmelskörpers ab. Die Umlaufzeit hängt nur von der Masse des Himmelskörpers und der großen Halbachse der Bahn ab. Die Geschwindigkeit und die Umlaufzeit sind von der Masse des Flugkörpers unabhängig.

Für den häufigsten Fall, eine Umlaufbahn um die Erde, setzt normalerweise eine Rakete den Raumflugkörper an oder in der Nähe der Periapsis aus, dem erdnächsten Punkt der Ellipsenbahn. Wird dem Flugkörper dort eine höhere Geschwindigkeit als die Kreisbahngeschwindigkeit mitgegeben, so erreicht er auf der entgegengesetzten Seite die Apoapsis, den erdfernsten Punkt der Ellipsenbahn. Bei der Annäherung an die Apoapsis wird er langsamer. Anschließend „fällt“ er auf seiner Umlaufbahn weiter um den Himmelskörper herum, während seine Geschwindigkeit wieder zunimmt. Schließlich erreicht er erneut den Punkt seiner Periapsis mit der gleichen Geschwindigkeit und Flugrichtung wie zuvor. Auf diese Weise wird die gleiche Ellipsenbahn immer wieder zyklisch durchlaufen, ohne dass hierfür Energie benötigt wird oder verlorengeht.

Je schneller der Flugkörper an der Periapsis ist, desto exzentrischer ist die Ellipse und desto höher ist die Apoapsis. Bei einer Beschleunigung auf die Fluchtgeschwindigkeit – die im Fall der Erde auch die „zweite kosmische Geschwindigkeit“ genannt wird – weitet sich die Ellipse ins Unendliche zu einer Parabel aus. Die Fluchtgeschwindigkeit in einer gegebenen Höhe ist das -Fache der dortigen Kreisbahngeschwindigkeit. Mit noch höheren Geschwindigkeiten wird aus der Parabel eine Hyperbel. Der Flugkörper kann auf einer solchen Fluchtbahn dem Himmelskörper entfliehen.

Eigenbewegungen des Himmelskörpers, wie die Bewegung der Erde um die Sonne im Lauf eines Jahres, macht der orbitierende Körper, etwa ein Erdsatellit, „mit“, da er die gleichen gravitativen Einflüsse auch selbst erfährt. Seine Umlaufbahn ist bezogen auf den Massenmittelpunkt des Himmelskörpers fix. Die Ausrichtung der Bahnellipse – die Richtung der Apsidenlinie – wäre in Abwesenheit von Störungen und nach rein newtonscher Mechanik auch prinzipiell fix, bezogen auf das Universum (etwa weit entfernte Fixsterne). Sie kann jedoch bestimmte Störungen erfahren, siehe Apsidendrehung.

Bahnradius vs. Höhe Der Bahnradius eines Körpers auf einer Umlaufbahn gibt seinen Abstand zum Massenmittelpunkt des umkreisten Himmelskörpers an, die (Flug-)Höhe hingegen seinen Abstand zur Oberfläche des Himmelskörpers. Beide Angaben werden in der Raumfahrt verwendet und sind nicht deckungsgleich, da sie sich um den Radius des – hier als kugelförmig angenommenen – Himmelskörpers unterscheiden, sie können jedoch leicht verwechselt werden. Sofern die Umlaufbahn keine Kreisbahn ist, schwanken der Bahnradius und die (Flug-)Höhe zyklisch zwischen dem Punkt der geringsten und der größten Entfernung.

Rotation Die Rotation des Himmelskörpers ist für die Bahn und die Bewegung des orbitierenden Körpers im Weltraum prinzipiell irrelevant. Die senkrecht zur Rotationsachse stehende Äquatorebene spielt aber als wichtige Bezugsebene für die Bahnelemente eine Rolle – eine „äquatoriale“ Umlaufbahn verläuft deckungsgleich zu dieser Ebene und eine „polare“ Umlaufbahn im rechten Winkel zu ihr; andere Umlaufbahnen sind in einem bestimmten Winkel geneigt. Außerdem ist die Erdrotation für den Start von Erdsatelliten relevant, wo man sie zum Einsparen von Treibstoff nutzen kann, und spielt eine wichtige Rolle für die Bodenspur.

Auch der Raumflugkörper kann in seiner Umlaufbahn rotieren. Im Fall einer gebundenen Rotation ist seine Rotation mit seiner Umlaufperiode gekoppelt – zum Beispiel derart, dass der Raumflugkörper dem Himmelskörper stets die gleiche Seite zuweist.

Bahnstörungen

Perfekte elliptische Umlaufbahnen gibt es nur für den Fall, dass der gravitative Einfluss anderer Himmelskörper vernachlässigbar ist. Prinzipiell wirkt die Gravitationskraft unbegrenzt weit, so dass theoretisch jeder Himmelskörper im gesamten sichtbaren Universum einen Störeinfluss auf jede Flugbahn hat. Allerdings bedeutet der quadratische Abfall der Gravitationskraft verbunden mit den sehr großen Entfernungen zwischen den Himmelskörpern, dass der Störeinfluss vernachlässigt werden kann, solange der Flugkörper relativ nah am umkreisten Himmelskörper und relativ weit vom anderen Himmelskörper entfernt ist. Mit zunehmender Entfernung vom umkreisten Himmelskörper werden die Bahnstörungen stärker. In einer höheren Erdumlaufbahn verursachen vor allem die Sonne und ggf. der Mond spürbare Bahnstörungen.

Wenn man zwei einander umkreisende Himmelskörper betrachtet – etwa die Sonne und die Erde, oder die Erde und den Mond –, hat jeder der beiden Himmelskörper einen etwa kugelförmigen Raum, innerhalb dessen seine Gravitationskraft stärker ist als die des anderen Himmelskörpers. Dieser Raum wird die Hill-Sphäre genannt. Nur innerhalb der Hill-Sphäre kann ein Flugkörper eine stabile Umlaufbahn haben. Für Flugbahnberechnungen verwendet man in der Praxis oft das Konzept der Einflusssphäre, die für jeden Himmelskörper eine bestimmte Distanz angibt, innerhalb derer sein Einfluss nicht ignoriert werden darf und deshalb in die Berechnung aufgenommen werden muss.

Auch relativistische Effekte, Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld, atmosphärische Störeinflüsse und viele weitere Faktoren können zu Bahnstörungen führen. Je nach Fall müssen solche Bahnstörungen vorab berechnet, gemessen, und/oder es muss den Störungen eventuell durch Korrekturmanöver entgegengewirkt werden.

Orbitale Manöver mini|hochkant|Schematisches Beispiel einer Transferbahn (Hohmann-Transfer), die zwei Kreisbahnen verbindet. und sind die aus zwei Kraftstößen sich jeweils ergebenden Geschwindig­keits­änderungen des Flugkörpers.

Falls der Raumflugkörper über (Raketen-)Triebwerke verfügt, kann die Umlaufbahn mit Flugmanövern gezielt verändert werden. Triebwerke erzeugen mit Kraftstößen (im Englischen kick oder burn genannt) Schub (Englisch: thrust), der die Geschwindigkeit und ggf. auch die Bewegungsrichtung verändert. Da Treibstoff in der Raumfahrt stets ein knappes Gut ist, werden alle orbitalen Manöver auf ein notwendiges Minimum reduziert und in der Regel so treibstoffsparend wie möglich ausgeführt.

Vorwärtsgerichtete (prograde) Kraftstöße heben alle Punkte der Bahn an, bis auf denjenigen Punkt, an dem der Kraftstoß erfolgte. Rückwärtsgerichtete (retrograde) Kraftstöße senken alle Punkte der Bahn ab, bis auf denjenigen Punkt, an dem der Kraftstoß erfolgte. Am stärksten wird dabei der gegenüberliegende Bahnpunkt verändert. Wenn kein weiterer Kraftstoß erfolgt, erreicht der Flugkörper nach einer vollen Umkreisung auf der neuen Bahn stets wieder genau jenen Bahnpunkt, an dem der letzte Kraftstoß erfolgt war. Diese Eigenschaft folgt aus dem Ersten Keplerschen Gesetz. Um die Apoapsis anzuheben oder abzusenken, verwendet man einen Kraftstoß an der Periapsis. Dabei bleibt die Periapsis unverändert. Um die Periapsis anzuheben oder abzusenken, verwendet man einen Kraftstoß an der Apoapsis. Dabei bleibt die Apoapsis unverändert.

Um sowohl die Apoapsis als auch die Periapsis zu ändern, braucht man mindestens zwei Kraftstöße an gegenüberliegenden Bahnpunkten. Mit bestimmten Transferbahnen (etwa dem Hohmann-Transfer oder dem bi-elliptischen Transfer) können solche Manöver energetisch optimiert werden.