Околоземные орбиты, на которые запускаются космические аппараты, принято делить на следующие категории. Низкие околоземные орбиты (НОО) располагаются на высоте от 160 до 2000 км над поверхностью нашей планеты (в первом случае период обращения равен примерно 88 минут, во втором — 127 минут). Объекты, движущиеся на высотах менее 200 км, испытывают заметное торможение в самых верхних слоях атмосферы и достаточно быстро падают на Землю. Поэтому орбиты ниже 300 км для спутников обычно не применяются — время их существования на таких высотах сравнительно невелико. Верхнее значение определяется внутренней границей радиационных поясов с повышенной концентрацией заряженных частиц, способных повредить электронное оборудование и нанести серьезный ущерб здоровью космонавтов.
Все пилотируемые космические полеты — за исключением девяти экспедиций к Луне в рамках американской программы Apollo — проходили в области НОО либо были суборбитальными. Наибольшей высоты (опять же, не считая лунных миссий) достиг в сентябре 1966 года экипаж корабля Gemini 11, имевшего апогей 1374 км. В данный момент все обитаемые орбитальные станции и подавляющее большинство прочих искусственных спутников Земли находятся на низких орбитах. Также на них сосредоточена большая часть космического мусора.
Тангенциальная скорость объекта (перпендикулярная к направлению на центр Земли), необходимая для нахождения на стабильной НОО, составляет примерно 7,8 км/с, уменьшаясь с ростом высоты. Для достижения таких орбит при старте с земной поверхности требуется ракета-носитель с характеристической скоростью от 9,4 км/с — дополнительные 1,5-1,6 км/с «расходуются» на аэродинамические и гравитационные потери.
Многие спутники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и аппараты военной разведки выводят на НОО, чтобы вести съемку наземных объектов с как можно более близкого расстояния и достичь максимально возможного разрешения. Эти же орбиты занимают некоторые телекоммуникационные спутники, так как на такой высоте им требуются менее мощные усилители сигнала. Однако каждый подобный аппарат движется достаточно быстро и охватывает ограниченный участок земной поверхности, поэтому в таком случае создаются целые сети («созвездия») из множества спутников — например, в спутниковой телефонной системе Iridium их более 70.
Часто используемая разновидность НОО — солнечно-синхронная орбита (ССО), иногда именуемая гелиосинхронной — рассчитывается таким образом, чтобы объект, находящийся на ней, проходил над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. Обычно такие орбиты имеют высоту порядка 800 км и наклонение около 90° (их плоскости почти перпендикулярны к плоскости земного экватора). Если спутник на ССО ведет съемку поверхности, на всех его проходах угол падения солнечных лучей окажется примерно одинаковым. Например, спутник LandSat-7 может пересекать экватор 15 раз в сутки, каждый раз в 10:00 местного времени. Для аппаратов, ведущих наблюдения за Солнцем или требующих стабильного электроснабжения за счет использования фотогальванических панелей, можно подобрать орбитальные параметры, при которых они практически не будут попадать в тень Земли. Орбиты выбираются таким образом, чтобы солнечная и лунная гравитация вызывала их прецессию в восточном направлении на 360° в год (чуть меньше чем на 1° в сутки), компенсируя вращение нашей планеты вокруг Солнца.
После окончания функционирования искусственных космических объектов осуществляется их увод на орбиту захоронения, как правило, лежащую выше их рабочей орбиты (чтобы дополнительно ослабить влияние атмосферы). В частности, низкоорбитальные разведывательные спутники с ядерной энергетической установкой — в т.ч. радиолокационные — отправляют на высоту порядка 650–1000 км, где расчетный срок их существования составляет порядка 2 тыс. лет. Часто туда отправляется не сам спутник, а только активная зона реактора. Считается, что за этот срок в ней распадутся самые вредные радиоактивные изотопы… либо же человечество изобретет способ утилизировать опасную технику.
Выше 2000 км находится зона так называемых средних околоземных орбит. Их использует сравнительно малое количество космических аппаратов — в основном научно-исследовательских и навигационных (в частности, спутники системы GPS движутся по орбитам высотой 20 350 км с периодом обращения 12 часов). Главная проблема в этой области пространства связана с радиационными поясами и содержащимися в них высокоэнергетическими заряженными частицами.
Верхнюю границу «средней» зоны отмечают геосинхронные орбиты (ГСО) — они имеют радиус 42 164 км, что соответствует высоте над уровнем моря 35 786 км. Период обращения объектов на таких орбитах равен звездным суткам (23 часа 56 минут 4,1 секунды). Их частным случаем является геостационарная орбита — круговая и лежащая в плоскости земного экватора (0° широты). Спутник, движущийся по ней, фактически оказывается «висящим» над одной и той же точкой Земли. Поэтому приемная антенна, однажды направленная на него, не будет требовать дальнейшего наведения. Очевидно, такие орбиты особенно удобны для телекоммуникационных аппаратов, а также специализированных метеорологических обсерваторий, ведущих мониторинг определенного региона.
Если орбита наклонена к экватору и имеет небольшой эксцентриситет, то при наблюдении с Земли спутник в течение суток будет описывать на небе «восьмерку». В некоторых случаях «восьмерка» может выродиться в эллипс (как у спутников серии Canyon), а при значительном эксцентриситете и нулевом наклонении — в отрезок прямой, лежащий в экваториальной плоскости.
Идеальная ГСО практически недостижима, так как аппараты на ней испытывают также притяжение со стороны Луны и Солнца, воздействие земного магнитного поля, солнечного ветра и другие посторонние возмущения, «сталкивающие» их с точки стояния. Поэтому на борту геостационарных спутников предусмотрена корректирующая двигательная установка с запасом топлива. Кроме того, такие спутники не видны из местностей в окрестностях полюсов, простирающихся приблизительно до 81° северной и южной широты.
Дважды в году (вблизи весеннего и осеннего равноденствий) возникают ситуации, когда телекоммуникационные аппараты на ГСО проецируются на солнечный диск. В это время связь через них затруднена, а иногда вообще невозможна.
Геостационарная орбита захоронения расположена примерно на 200 км выше «стандартной» ГСО. Туда отправляют спутники, выработавшие свой ресурс или исчерпавшие запасы горючего для бортовых двигателей. Далее до расстояния порядка 300 тыс. км (точнее, до точки Лагранжа L1 системы «Земля-Луна») находится область высоких околоземных орбит. Пока они используются довольно редко — в частности, в этой области пространства сейчас работает космический телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite).
