¿Cómo cambia una nave espacial su órbita?

Para responder a su pregunta del título: mediante el uso de sus motores.

Sin embargo, parece estar bastante desconcertado por el hecho de que la velocidad de un objeto puede disminuir y aumentar en el transcurso de una órbita.

Si la órbita es perfectamente circular, la velocidad siempre será la misma (hasta que se utilicen propulsores).

Sin embargo, como es el caso de Chandrayaan-2, la mayoría de las órbitas son elípticas (por lo que tienen puntos de alta y baja altitud)

En una órbita elíptica (es decir, no circular), la curva de altitud se parece un poco a esto (1):

    _       _       _
   / \     / \     / \
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La altitud de la nave espacial sube y baja. Cuando la altitud de la nave espacial aumenta, se ralentiza y cuando la altitud de la nave espacial disminuye, se acelera.

Esto es exactamente lo mismo que andar en bicicleta sobre pequeñas colinas (excepto que no hay fricción, por lo que no necesita pedalear en absoluto).

[1]: Es un poco más complicado, ya que el cambio de altitud no es lineal con el tiempo, pero entiendes la idea.

Después de leer todas sus respuestas me gustaría resumir la situación.

Los círculos negros son las órbitas circulares y la elipse roja es la órbita de transferencia.

Considere una nave espacial en la órbita elíptica. En el punto P la velocidad es mayor que la velocidad orbital circular, y por eso aumenta la distancia al centro. Y en el punto A la velocidad es menor que la velocidad orbital, por lo que la nave retrocede hacia el centro.

Entonces, si comienza en la órbita circular interna, entonces en el punto P debe aumentar su velocidad para cambiar a la órbita elíptica roja. Cuando llegas al punto A, tu velocidad ha disminuido porque disminuyes la velocidad a medida que te alejas del centro. Así que ahora tienes que aumentar tu velocidad una vez más para cambiar a la órbita circular exterior.

Así que hay tres cambios en la velocidad:

1. enciendes tus motores en el punto P para aumentar la velocidad

2. tu velocidad disminuye a medida que te alejas del Sol

3. enciende sus motores en el punto A para aumentar la velocidad nuevamente

Entonces, de hecho, las dos veces que enciende su motor es para aumentar su velocidad. El cambio de velocidad total es la suma de los dos aumentos cuando enciendes el motor menos la disminución que ocurre cuando te alejas del Sol.

Para simplificar la explicación y la terminología, consideremos el caso de una nave espacial que orbita la Tierra.

Todas las órbitas son elípticas , con el centro de masa del sistema (la Tierra, en nuestro ejemplo) en un foco . Las órbitas circulares son un caso especial donde la elipse no tiene excentricidad y los focos son coincidentes.

La órbita de nuestra nave espacial tiene un perigeo (punto más cercano a la Tierra) y un apogeo (punto más alejado de la Tierra). Aparte: los términos "perigeo" y "apogeo" se usan específicamente para las órbitas alrededor de la Tierra; alrededor de un objeto no especificado, usamos los términos "periapsis" y "apoapsis". A medida que nuestra nave espacial completa una órbita alrededor de la Tierra, pasará una vez por el perigeo y una vez por el apogeo.

Kepler descubrió que un objeto en órbita (nuestra nave espacial) no viajará a una velocidad uniforme, sino que tallará áreas iguales en el mismo tiempo mientras orbita. Esto significa que tendrá su velocidad más alta en el perigeo y su velocidad más baja en el apogeo. Una órbita verdaderamente circular es un caso especial donde su velocidad en realidad es uniforme.

Consideremos una nave espacial en una órbita circular. Quiere subir a una órbita más alta. Enciende brevemente su motor para acelerar a lo largo de su trayectoria actual. Ahora ya no está en órbita circular; ahora está en el perigeo de una órbita elíptica y, a medida que viaja hacia el apogeo, debe reducir la velocidad. Si no hace nada más, volverá al mismo punto de perigeo después de una órbita completa. Por otro lado, cuando llega al punto de apogeo, puede volver a encender su motor para volver a acelerar. Esto elevará el punto de perigeo; el cambio correcto de velocidad en el apogeo elevará el perigeo para que la órbita vuelva a ser circular, a la nueva altitud.

La "velocidad aumenta y luego disminuye" se referiría a una interpretación de la segunda ley de Kepler o a lo que suele suceder cuando una nave espacial realiza un ajuste en su órbita, como he descrito.

Imagina que tu nave espacial está en órbita elíptica alrededor del cuerpo espacial. El cuerpo está dentro de la elipse (en el foco, si es más específico). Cuando la nave espacial está en el vértice de la elipse y acelera en la dirección del movimiento, otro vértice de la trayectoria se aleja del cuerpo. Viceversa, si la nave espacial está frenando (haciendo girar los motores hacia adelante y ardiendo) en un vértice, el segundo vértice se mueve hacia el cuerpo espacial.

Este es el escenario más simple, sin precesión de órbita y otras cosas, pero ilustra la idea.

Si realmente quieres saberlo, solo encuentra la demostración del juego Kerbal Space Program , seguro que te ayudará.