Sateliti ostaju u orbiti oko Zemlje zahvaljujući brzini i gravitaciji. Neprekidno padaju prema planetu, ali se istodobno dovoljno brzo kreću duž svoje putanje da ne dosegnu tlo. Za takvo gibanje motor ne mora stalno raditi: satelit može godinama obilaziti Zemlju bez neprekidnog pogona.
Da bi letjelica ostala u orbiti, nije dovoljno podići je na veliku visinu. Letjelica može dosegnuti stotine kilometara iznad tla i ipak se vratiti na Zemlju ako nema odgovarajuću brzinu i smjer gibanja. Raketa je mora i ubrzati u smjeru buduće orbite.
Gravitacija djeluje i visoko iznad Zemlje
Prizori astronauta koji lebde u kabini lako stvaraju dojam da u orbiti nema gravitacije. Međutim, na približno 400 kilometara visine, na kojoj kruži Međunarodna svemirska postaja, Zemljino gravitacijsko privlačenje još iznosi oko 89 posto onoga na površini.
Jačina gravitacije ovisi o udaljenosti od Zemljina središta, a ne samo o visini iznad tla. Udvostručenjem te udaljenosti gravitacijsko ubrzanje smanjuje se na četvrtinu. Satelit na 400 kilometara visine udaljen je od središta Zemlje približno 6770 kilometara, dok je prosječni Zemljin polumjer oko 6370 kilometara.
Kad bi se takav satelit mogao zaustaviti u odnosu na Zemljino središte, padao bi ravno prema Zemlji. Satelit u orbiti već se kreće velikom brzinom. Gravitacija stalno mijenja smjer njegova gibanja i savija putanju oko planeta.
Kako satelit pada, a ne udara u Zemlju
Predmet bačen vodoravno prelazi određenu udaljenost prije nego što padne na tlo. Uz veću početnu brzinu dospjet će dalje. Visoko iznad gustih slojeva atmosfere, gdje je otpor zraka zanemariv, takav bi predmet uz odgovarajuću brzinu mogao obići Zemlju. Gravitacija bi mu neprestano zakretala putanju, ali on pri padu ne bi dosegnuo tlo jer je i Zemljina površina zakrivljena.
Takav slobodni pad oko Zemlje osnova je orbitalnog gibanja. Satelit ne treba oslonac koji bi ga držao na visini. Zemljina gravitacija sila je koja ga zadržava na zakrivljenoj putanji. Bez nje bi nastavio ravno u smjeru u kojem se u tom trenutku kretao.
Za približno kružnu orbitu na 400 kilometara visine potrebna je brzina od oko 7,7 kilometara u sekundi, odnosno približno 27.600 kilometara na sat. Jedan obilazak tada traje oko 92 minute. Te vrijednosti proizlaze iz Zemljine mase i udaljenosti satelita od njezina središta; za satelite različitih masa na istoj kružnoj orbiti potrebna je jednaka brzina.
Raketa mora postići i veliku vodoravnu brzinu
Pri lansiranju raketa najprije podiže teret iznad tla, a zatim postupno skreće iz okomitog smjera. Motori pritom letjelici daju sve veću vodoravnu brzinu. Sam uspon do granice svemira ne bi bio dovoljan.
Suborbitalni let može dosegnuti svemir bez ulaska u orbitu. Letjelica pritom može prijeći Kármánovu crtu, uobičajenu granicu svemira na 100 kilometara visine, ali njezina putanja potom ponovno vodi prema Zemlji. Za ulazak u orbitu letjelica mora postići brzinu i smjer gibanja koji joj omogućuju obilazak planeta.
Nakon što raketa dovede satelit na predviđenu putanju, motor se može ugasiti. U idealnom slučaju, bez atmosferskog otpora i drugih poremećaja, satelit bi nastavio kružiti bez dodatne potrošnje goriva. Motori satelita služe promjenama putanje i korekcijama orbite, a ne neprekidnom održavanju brzine.
Zašto astronauti u postaji lebde
Astronaut, svemirska postaja i predmeti u kabini zajedno su u slobodnom padu oko Zemlje. Pod kabine pritom ne pritišće astronautova stopala kao što to čini tlo dok stojimo.
U orbitalnoj postaji astronaut može pustiti predmet i gledati kako ostaje uz njega: i predmet i astronaut kreću se gotovo istom putanjom. Takvo se stanje naziva bestežinskim, a uvjeti na postaji često se opisuju kao mikrogravitacija.
Mikrogravitacija se u tom kontekstu ne odnosi na jačinu Zemljina privlačenja. Opisuje uvjete gotovo slobodnog pada, uz male smetnje poput vibracija, rada pogonskog sustava i otpora vrlo rijetke atmosfere.
Zašto neki sateliti izgledaju nepomično
Ne kruže svi sateliti na istoj visini ni istom brzinom. Za kružnu orbitu dalje od Zemlje dovoljna je manja brzina, ali satelit mora prijeći dulji put. Obilazak traje dulje.
Poseban je slučaj geostacionarna orbita, približno 35.786 kilometara iznad ekvatora. Satelit se ondje kreće u smjeru Zemljine rotacije i obiđe planet za jedan zvjezdani dan, oko 23 sata i 56 minuta. Za promatrača na tlu ostaje iznad iste točke ekvatora. Satelit se i dalje kreće, ali prati Zemljinu rotaciju.
Takva je orbita korisna za komunikacije i praćenje vremena jer se zemaljska antena može usmjeriti prema istom dijelu neba. Geostacionarna orbita pritom je poseban slučaj geosinkrone orbite: jednak period obilaska sam po sebi nije dovoljan da satelit izgleda nepomično. Njegova orbita mora biti kružna i nalaziti se u ravnini ekvatora.
Što se događa kada satelit izgubi visinu
U niskoj orbiti atmosfera je iznimno rijetka, ali ipak postoji. Zbog sudara s česticama plina satelit postupno gubi orbitalnu energiju. Putanja mu se spušta prema gušćim slojevima, u kojima otpor postaje veći. Sateliti koji trebaju održavati zadanu visinu taj gubitak nadoknađuju pogonskim manevrima.
Taj je problem posebno izražen kod satelita u vrlo niskoj Zemljinoj orbiti. Koliko će se dugo neki objekt ondje zadržati ovisi o visini, obliku, masi i gustoći okolnog plina. Na gustoću gornje atmosfere utječe i Sunčeva aktivnost, pa se vijek satelita u orbiti ne može odrediti samo prema njegovoj početnoj visini.
Satelit neće pasti na Zemlju čim mu prestane raditi elektronika. Neaktivan satelit nastavlja se gibati svojom putanjom. U niskoj orbiti zbog otpora atmosfere postupno gubi visinu, dok na velikim visinama, gdje je taj učinak zanemariv, može ostati vrlo dugo. To vrijedi i za dijelove raketa i drugi svemirski otpad.
