يمكن للأقمار الصناعية الأرضية التحرك على أقصى مسافة. كيف تعمل الأقمار الصناعية؟ الموقف من المجالات المستقرة بالنسبة للأرض في العالم
الأرض، مثل أي جسم كوني، لها مجال جاذبيتها الخاصة ومدارات قريبة يمكن أن توجد فيها الأجسام والأشياء ذات الأحجام المختلفة. غالبًا ما يشيرون إلى القمر ومحطة الفضاء الدولية. الأول يسير في مداره الخاص، ومحطة الفضاء الدولية - في مدار منخفض قريب من الأرض. هناك عدة مدارات تختلف في بعدها عن الأرض، وموقعها النسبي بالنسبة للكوكب، واتجاه الدوران.
مدارات الأقمار الصناعية الأرضية
يوجد اليوم في أقرب مساحة قريبة من الأرض العديد من الأشياء التي هي نتيجة النشاط البشري. في الأساس، هذه أقمار صناعية تستخدم لتوفير الاتصالات، ولكن هناك أيضًا الكثير من الحطام الفضائي. واحدة من الاكثر شهرة الأقمار الصناعيةالأرض هي محطة الفضاء الدولية.
تتحرك الأقمار الصناعية في ثلاثة مدارات رئيسية: مدار استوائي (ثابت بالنسبة إلى الأرض)، قطبي ومائل. الأول يقع بالكامل في مستوى الدائرة الاستوائية، والثاني متعامد عليه بشكل صارم، والثالث يقع بينهما.
مدار متزامن مع الأرض
يرجع اسم هذا المسار إلى حقيقة أن الجسم الذي يتحرك على طوله له سرعة تساوي الفترة الفلكية لدوران الأرض. المدار الثابت بالنسبة للأرض هو حالة خاصة من المدار المتزامن مع الأرض، والذي يقع في نفس مستوى خط استواء الأرض.
وبميل لا يساوي صفرًا وصفرًا في الانحراف المركزي، يصف القمر الصناعي، عند مراقبته من الأرض، شكل ثمانية في السماء أثناء النهار.
أول قمر صناعي في مدار متزامن مع الأرض هو القمر الصناعي الأمريكي Syncom-2، الذي تم إطلاقه عليه في عام 1963. اليوم، في بعض الحالات، يتم وضع الأقمار الصناعية في مدار متزامن مع الأرض لأن مركبة الإطلاق لا تستطيع وضعها في مدار متزامن مع الأرض.
المدار الثابت بالنسبة للأرض
يحمل هذا المسار هذا الاسم لأنه على الرغم من الحركة المستمرة، يظل الكائن الموجود عليه ثابتًا بالنسبة له سطح الأرض. المكان الذي يقع فيه الجسم يسمى نقطة الوقوف.
غالبًا ما تُستخدم الأقمار الصناعية التي يتم إطلاقها في مثل هذا المدار لنقل القنوات الفضائية، لأن الطبيعة الثابتة تسمح لك بتوجيه الهوائي إليها مرة واحدة و لفترة طويلةللبقاء على اتصال.
ويبلغ ارتفاع الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض 35.786 كيلومترًا. وبما أنها جميعها تقع مباشرة فوق خط الاستواء، يتم تسمية خط الطول فقط للإشارة إلى الموقع، على سبيل المثال، 180.0˚E Intelsat 18 أو 172.0˚E Eutelsat 172A.
يبلغ نصف القطر المداري التقريبي حوالي 42,164 كم، ويبلغ الطول حوالي 265,000 كم، وتبلغ السرعة المدارية حوالي 3.07 كم/ثانية.
مدار إهليلجي مرتفع
المدار الإهليلجي العالي هو مسار يكون ارتفاعه عند نقطة الحضيض أقل بعدة مرات من ارتفاعه عند نقطة الأوج. إن وضع الأقمار الصناعية في مثل هذه المدارات له عدد من المزايا المهمة. على سبيل المثال، قد يكون أحد هذه الأنظمة كافيا لخدمة روسيا بأكملها، أو، وفقا لذلك، مجموعة من الدول ذات مساحة إجمالية متساوية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن أنظمة VEO عند خطوط العرض العليا أكثر قدرة من الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض. ووضع القمر الصناعي في مدار إهليلجي مرتفع يكلف حوالي 1.8 مرة أقل.
أمثلة كبيرة للأنظمة التي تعمل على VEO:
- المراصد الفضائية التي أطلقتها وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية.
- راديو سيريوس XM راديو الأقمار الصناعية.
- اتصالات الأقمار الصناعية Meridian، -Z و -ZK، Molniya-1T.
- نظام تصحيح الأقمار الصناعية GPS.
المدار الأرضي المنخفض
يعد هذا واحدًا من أدنى المدارات، اعتمادًا على ظروف مختلفةقد يكون ارتفاعه 160-2000 كم وفترة مدارية 88-127 دقيقة على التوالي. كانت المرة الوحيدة التي تغلبت فيها المركبات الفضائية المأهولة على المدار الأرضي المنخفض هي برنامج أبولو مع هبوط رواد الفضاء الأمريكيين على سطح القمر.
تعمل معظم الأقمار الصناعية الأرضية المستخدمة حاليًا أو المستخدمة سابقًا في مدار أرضي منخفض. وللسبب نفسه، يقع الجزء الأكبر من الحطام الفضائي الآن في هذه المنطقة. السرعة المدارية المثلى للأقمار الصناعية الموجودة في المدار الأرضي المنخفض هي في المتوسط 7.8 كم/ثانية.
أمثلة على الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض:
- محطة الفضاء الدولية (400 كم).
- أقمار الاتصالات السلكية واللاسلكية لمجموعة واسعة من الأنظمة والشبكات.
- مركبات الاستطلاع والأقمار الصناعية.
وفرة الحطام الفضائي في المدار - رئيسي مشكلة حديثةصناعة الفضاء بأكملها. الوضع اليوم هو أن احتمالية الاصطدام بين الأجسام المختلفة في المدار الأرضي المنخفض تتزايد. وهذا بدوره يؤدي إلى تدمير وتشكيل المزيد من الشظايا والأجزاء في المدار. تشير التوقعات المتشائمة إلى أن مبدأ الدومينو الذي تم إطلاقه يمكن أن يحرم البشرية تمامًا من فرصة استكشاف الفضاء.
مدار مرجعي منخفض
يُطلق على المرجع المنخفض عادة مدار الجهاز، والذي يوفر تغييرًا في الميل أو الارتفاع أو تغييرات مهمة أخرى. إذا لم يكن الجهاز يحتوي على محرك ولا يقوم بالمناورات، فإن مداره يسمى مدار أرضي منخفض.
ومن المثير للاهتمام أن المقذوفات الروسية والأمريكية تحسب ارتفاعها بشكل مختلف، لأن الأول يعتمد على نموذج بيضاوي الشكل للأرض، والثاني على شكل كروي. ولهذا السبب، هناك فرق ليس فقط في الارتفاع، ولكن أيضًا في موضع الحضيض والأوج.
قد يبدو أن الأقمار الصناعية الموجودة في مدار الأرض هي أبسط الأشياء وأكثرها ألفة ومألوفة في هذا العالم. ففي نهاية المطاف، ظل القمر معلقًا في السماء لأكثر من أربعة مليارات سنة، ولا يوجد شيء خارق للطبيعة في حركاته. ولكن إذا أطلقنا بأنفسنا أقمارًا صناعية إلى مدار الأرض، فإنها تبقى هناك لبضع سنوات أو عشرات السنين فقط، ثم تعود بعد ذلك إلى الغلاف الجوي وإما أن تحترق أو تسقط في المحيط وعلى الأرض.
علاوة على ذلك، إذا نظرت إلى الأقمار الطبيعية الموجودة على الكواكب الأخرى، فستجد أنها جميعها تدوم لفترة أطول بكثير من الأقمار الصناعية التي صنعها الإنسان والتي تدور حول الأرض. على سبيل المثال، تدور محطة الفضاء الدولية (ISS) حول الأرض كل 90 دقيقة، بينما يستغرق قمرنا حوالي شهر للقيام بذلك. وحتى الأقمار الصناعية القريبة من كواكبها ــ مثل قمر آيو التابع لكوكب المشتري، والذي تعمل قوى مده على تسخين العالم وتمزقه بفعل الكوارث البركانية ــ تظل مستقرة في مداراتها.
ومن المتوقع أن يبقى آيو في مدار كوكب المشتري طوال الفترة المتبقية من عمر النظام الشمسي، لكن محطة الفضاء الدولية، إذا لم يتم فعل أي شيء، ستبقى في مدارها لمدة تقل عن 20 عامًا. وينطبق نفس المصير على جميع الأقمار الصناعية الموجودة في مدار أرضي منخفض تقريبًا: بحلول القرن القادم، ستكون جميع الأقمار الصناعية الحالية تقريبًا قد دخلت الغلاف الجوي للأرض واحترقت. ستسقط أكبرها (مثل محطة الفضاء الدولية التي يبلغ وزنها 431 طنًا) على شكل حطام كبير على الأرض وفي الماء.
لماذا يحدث هذا؟ لماذا لا تهتم هذه الأقمار الصناعية بقوانين أينشتاين ونيوتن وكيبلر ولماذا لا تريد الحفاظ على مدار مستقر طوال الوقت؟ اتضح أن هناك عددًا من العوامل المسببة لهذا الاضطراب المداري.
ربما يكون هذا هو التأثير الأكثر أهمية وهو أيضًا السبب وراء عدم استقرار الأقمار الصناعية الموجودة في مدار أرضي منخفض. الأقمار الصناعية الأخرى - مثل الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض - تسقط أيضًا خارج المدار، ولكن ليس بالسرعة نفسها. لقد اعتدنا أن نعتبر "الفضاء" كل ما يزيد ارتفاعه عن 100 كيلومتر: فوق خط كرمان. لكن أي تعريف لحدود الفضاء، حيث يبدأ الفضاء وينتهي الغلاف الجوي للكوكب، سيكون بعيد المنال. في الواقع، تمتد جزيئات الغلاف الجوي لمسافات بعيدة وعالية، لكن كثافتها تصبح أقل فأقل. في نهاية المطاف، تنخفض الكثافة - أقل من ميكروجرام لكل سنتيمتر مكعب، ثم نانوجرام، ثم بيكوجرام - وبعد ذلك يمكننا أن نطلق عليه بشكل متزايد الفضاء. لكن ذرات الغلاف الجوي يمكن أن تكون موجودة على بعد آلاف الكيلومترات، وعندما تصطدم الأقمار الصناعية بهذه الذرات، فإنها تفقد زخمها وتتباطأ. ولذلك، فإن الأقمار الصناعية الموجودة في المدار الأرضي المنخفض غير مستقرة.
جزيئات الرياح الشمسية
تبعث الشمس باستمرار تيارًا من الجسيمات عالية الطاقة، معظمها بروتونات، ولكن هناك أيضًا إلكترونات ونواة الهيليوم، والتي تصطدم بكل ما تصادفه. وتغير هذه الاصطدامات بدورها زخم الأقمار الصناعية التي تصطدم بها وتبطئ سرعتها تدريجيا. وبعد مرور وقت كافٍ، تبدأ المدارات في التعطل. في حين أن هذا ليس هو السبب الرئيسي وراء خروج الأقمار الصناعية من المدار الأرضي المنخفض، إلا أنه أكثر أهمية بالنسبة للأقمار الصناعية البعيدة عندما تقترب ومعها يزداد السحب الجوي.
مجال الجاذبية غير الكامل للأرض
إذا لم يكن للأرض غلاف جوي مثل عطارد أو القمر، فهل ستكون أقمارنا الصناعية قادرة على البقاء في مدارها إلى الأبد؟ ولا حتى لو أزلنا الرياح الشمسية. وذلك لأن الأرض - مثل جميع الكواكب - ليست كتلة نقطية، بل هي بنية ذات مجال جاذبية متغير. ويؤدي هذا المجال والتغيرات التي تحدث أثناء دوران الأقمار الصناعية حول الكوكب إلى تأثير قوى المد والجزر عليها. وكلما اقترب القمر الصناعي من الأرض، زاد تأثير هذه القوى.
تأثير الجاذبية لبقية النظام الشمسي
من الواضح أن الأرض ليست نظامًا معزولًا تمامًا حيث أن قوة الجاذبية الوحيدة التي تؤثر على الأقمار الصناعية تأتي من الأرض نفسها. لا، القمر والشمس وجميع الكواكب الأخرى والمذنبات والكويكبات وغيرها تساهم في شكل قوى الجاذبية التي تدفع المدارات بعيدًا. حتى لو كانت الأرض نقطة مثالية - على سبيل المثال، انهارت إلى ثقب أسود غير دوار - بدون غلاف جوي، وكانت الأقمار الصناعية محمية بنسبة 100٪ من الرياح الشمسيةلتبدأ هذه الأقمار الصناعية بالسقوط بشكل حلزوني تدريجيًا باتجاه مركز الأرض. وسوف يظلون في مدارهم لفترة أطول من وجود الشمس نفسها، لكن هذا النظام لن يكون مستقرًا تمامًا أيضًا؛ سيتم تعطيل مدارات الأقمار الصناعية في النهاية.
التأثيرات النسبية
ليست قوانين نيوتن - ومدارات كبلر - هي الشيء الوحيد الذي يحدد الحركة الأجرام السماوية. نفس القوة التي تجعل مدار عطارد يتقدم بمقدار 43 بوصة إضافية كل قرن تتسبب في تعطيل المدارات بسبب موجات الجاذبية. سرعة هذا الاضطراب منخفضة بشكل لا يصدق بالنسبة لمجالات الجاذبية الضعيفة (مثل تلك التي نجدها في النظام الشمسي) وللمسافات الكبيرة: سوف يستغرق الأمر 10150 عامًا حتى تتجه الأرض نحو الشمس، ودرجة الاضطراب في المدارات الأقمار الصناعية القريبة من الأرض أقل بمئات الآلاف من المرات من هذا. لكن هذه القوة موجودة وهي نتيجة حتمية للنظرية النسبية العامة، وتظهر بشكل فعال على الأقمار الصناعية الأقرب للكوكب.
كل هذا لا يؤثر فقط على الأقمار الصناعية التي نقوم بإنشائها، ولكن أيضًا على الأقمار الصناعية الطبيعية التي نجدها تدور حول عوالم أخرى. على سبيل المثال، فإن أقرب قمر للمريخ، فوبوس، محكوم عليه بالتمزق بفعل قوى المد والجزر ويهبط إلى الغلاف الجوي للكوكب الأحمر. على الرغم من وجود غلاف جوي يبلغ حجمه 1/140 فقط من حجم الغلاف الجوي للأرض، إلا أن الغلاف الجوي للمريخ كبير ومنتشر، علاوة على ذلك، لا يتمتع المريخ بأي حماية من الرياح الشمسية (على عكس المجال المغناطيسي للأرض). ولذلك، بعد عشرات الملايين من السنين، سوف يختفي فوبوس. قد يبدو أن هذا لن يحدث قريبًا، لكن هذا يمثل أقل من 1% من الوقت الذي كان فيه النظام الشمسي موجودًا بالفعل.
لكن أقرب قمر صناعي لكوكب المشتري ليس آيو: إنه ميتيس، وفقا للأساطير، الزوجة الأولى لزيوس. أقرب إلى آيو توجد أربعة أقمار صغيرة، أقربها ميتس، تبعد عن الغلاف الجوي للكوكب 0.8 نصف قطر المشتري. في حالة كوكب المشتري، ليست القوى الجوية أو الرياح الشمسية هي المسؤولة عن اضطراب المدارات؛ مع نصف محور مداري يبلغ طوله 128000 كيلومتر، تواجه ميتس قوى مد مثيرة للإعجاب، وهي المسؤولة عن هبوط هذا القمر الحلزوني نحو كوكب المشتري.
وكمثال على ما يحدث عندما تهيمن قوى المد القوية، المذنب شوميكر-ليفي 9 واصطدامه بكوكب المشتري عام 1994، بعد أن تمزقه تماما قوى المد. هذا هو مصير جميع الأقمار الصناعية التي تتجه نحو عالمها الأصلي.
إن الجمع بين كل هذه العوامل يجعل أي قمر صناعي غير مستقر بشكل أساسي. ومع وجود الوقت الكافي وغياب تأثيرات الاستقرار الأخرى، فسوف تتعطل جميع المدارات. ففي نهاية المطاف، جميع المدارات غير مستقرة، ولكن بعضها غير مستقر أكثر من غيرها.
مثلما توفر المقاعد في المسرح وجهات نظر مختلفة حول العرض، فإن مدارات الأقمار الصناعية المختلفة توفر وجهات نظر مختلفة، ولكل منها غرض مختلف. ويبدو أن بعضها يحوم فوق نقطة على السطح، مما يوفر رؤية ثابتة لجانب واحد من الأرض، بينما يدور البعض الآخر حول كوكبنا، ويمرون فوق العديد من الأماكن في اليوم الواحد.
أنواع المدارات
على أي ارتفاع تطير الأقمار الصناعية؟ هناك 3 أنواع من المدارات القريبة من الأرض: عالية ومتوسطة ومنخفضة. على أعلى مستوى، بعيدًا عن السطح، توجد عادةً العديد من أقمار الطقس وبعض أقمار الاتصالات. تشمل الأقمار الصناعية التي تدور في مدار أرضي متوسط الملاحة وأخرى خاصة مصممة لمراقبة منطقة معينة. معظم المركبات الفضائية العلمية، بما في ذلك أسطول نظام مراقبة الأرض التابع لناسا، موجودة في مدار منخفض.
وتعتمد سرعة حركتها على الارتفاع الذي تطير به الأقمار الصناعية. ومع اقترابك من الأرض، تصبح الجاذبية أقوى وتتسارع الحركة. على سبيل المثال، يستغرق القمر الصناعي أكوا التابع لناسا حوالي 99 دقيقة ليدور حول كوكبنا على ارتفاع حوالي 705 كم، ويستغرق جهاز الأرصاد الجوية الواقع على بعد 35786 كم من السطح 23 ساعة و56 دقيقة و4 ثوان. على مسافة 384,403 كيلومترًا من مركز الأرض، يقوم القمر بدورة واحدة خلال 28 يومًا.
المفارقة الديناميكية الهوائية
يؤدي تغيير ارتفاع القمر الصناعي أيضًا إلى تغيير سرعته المدارية. ثمة مفارقة هنا. إذا أراد مشغل القمر الصناعي زيادة سرعته، فلا يمكنه تشغيل المحركات لتسريعها. سيؤدي هذا إلى زيادة المدار (والارتفاع)، مما يؤدي إلى انخفاض في السرعة. وبدلا من ذلك، ينبغي إطلاق المحركات في الاتجاه المعاكس لحركة القمر الصناعي، وهو الإجراء الذي من شأنه أن يبطئ مركبة متحركة على الأرض. سيؤدي هذا الإجراء إلى تحريكه إلى مستوى أقل، مما يسمح بزيادة السرعة.
خصائص المدار
بالإضافة إلى الارتفاع، يتميز مسار القمر الصناعي بالانحراف والميل. الأول يتعلق بشكل المدار. يتحرك القمر الصناعي ذو الانحراف المنخفض على طول مسار قريب من الدائري. المدار اللامركزي له شكل القطع الناقص. المسافة من المركبة الفضائية إلى الأرض تعتمد على موقعها.
الميل هو زاوية المدار بالنسبة إلى خط الاستواء. القمر الصناعي الذي يدور مباشرة فوق خط الاستواء لديه ميل صفر. إذا مرت مركبة فضائية فوق القطبين الشمالي والجنوبي (جغرافيًا وليس مغناطيسيًا)، فإن ميلها يكون 90 درجة.
كل ذلك معًا - الارتفاع والانحراف المركزي والميل - يحدد حركة القمر الصناعي وكيف ستبدو الأرض من وجهة نظره.
عالية بالقرب من الأرض
وعندما يصل القمر الصناعي إلى مسافة 42.164 كيلومترًا بالضبط من مركز الأرض (حوالي 36 ألف كيلومتر من السطح)، فإنه يدخل في منطقة يتوافق مداره فيها مع دوران كوكبنا. وبما أن المركبة تتحرك بنفس سرعة الأرض، أي أن دورتها المدارية هي 24 ساعة، فإنها تبدو ثابتة على خط طول واحد، على الرغم من أنها قد تنجرف من الشمال إلى الجنوب. ويسمى هذا المدار العالي الخاص بالتزامن مع الأرض.
يتحرك القمر الصناعي في مدار دائري فوق خط الاستواء مباشرة (الانحراف المركزي والميل صفر) ويظل ثابتًا بالنسبة للأرض. يقع دائمًا فوق نفس النقطة على سطحه.
يُستخدم مدار مولنيا (ميله 63.4 درجة) للمراقبة عند خطوط العرض العليا. ترتبط الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض بخط الاستواء، لذا فهي غير مناسبة للمناطق الشمالية أو الجنوبية البعيدة. هذا المدار غريب الأطوار تمامًا: تتحرك المركبة الفضائية في شكل بيضاوي ممدود حيث تقع الأرض بالقرب من إحدى حوافه. ونظرًا لأن القمر الصناعي يتسارع بفعل الجاذبية، فإنه يتحرك بسرعة كبيرة عندما يكون قريبًا من كوكبنا. وكلما ابتعد، تتباطأ سرعته، لذا يقضي وقتا أطول في أعلى مداره عند الحافة الأبعد عن الأرض، والتي يمكن أن تصل المسافة إليها إلى 40 ألف كيلومتر. وتبلغ الفترة المدارية 12 ساعة، لكن القمر الصناعي يقضي حوالي ثلثي هذه المدة في نصف الكرة الأرضية. مثل المدار شبه المتزامن، يتبع القمر الصناعي نفس المسار كل 24 ساعة، ويستخدم للاتصالات في أقصى الشمال أو الجنوب.
منخفض بالقرب من الأرض
تقع معظم الأقمار الصناعية العلمية والعديد من أقمار الأرصاد الجوية والمحطة الفضائية في مدار أرضي منخفض دائري تقريبًا. يعتمد ميلهم على ما يراقبونه. تم إطلاق TRMM لرصد هطول الأمطار في المناطق الاستوائية، لذا فهو يتمتع بميل منخفض نسبيًا (35 درجة)، ويظل قريبًا من خط الاستواء.
العديد من أقمار نظام المراقبة التابعة لناسا لها مدار قريب من القطبية وعالي الميل. تدور المركبة الفضائية حول الأرض من القطب إلى القطب في مدة 99 دقيقة. في نصف الوقت يمر فوق الجانب النهاري من كوكبنا، وعند القطب يتحول إلى الجانب الليلي.
ومع تحرك القمر الصناعي، تدور الأرض تحته. وبحلول الوقت الذي تتحرك فيه المركبة إلى المنطقة المضيئة، تكون فوق المنطقة المجاورة لمنطقة مدارها الأخير. وفي فترة 24 ساعة، تغطي الأقمار الصناعية القطبية معظم الأرض مرتين: مرة أثناء النهار ومرة أثناء الليل.
مدار متزامن مع الشمس
وكما يجب أن تكون الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض موجودة فوق خط الاستواء، مما يسمح لها بالبقاء فوق نقطة واحدة، فإن الأقمار الصناعية التي تدور في مدار قطبي لديها القدرة على البقاء في نفس الوقت. مدارهم متزامن مع الشمس، فعندما تعبر المركبة الفضائية خط الاستواء، يكون التوقيت الشمسي المحلي هو نفسه دائمًا. على سبيل المثال، يعبر القمر الصناعي Terra دائمًا فوق البرازيل في الساعة 10:30 صباحًا. ويتم العبور التالي بعد 99 دقيقة فوق الإكوادور أو كولومبيا أيضًا في الساعة 10:30 بالتوقيت المحلي.
يعد المدار المتزامن مع الشمس ضروريًا للعلوم لأنه يسمح لأشعة الشمس بالبقاء على سطح الأرض، على الرغم من أنها ستختلف حسب الموسم. ويعني هذا الاتساق أن العلماء يمكنهم مقارنة صور كوكبنا من نفس الموسم على مدار عدة سنوات دون القلق بشأن القفزات الكبيرة جدًا في الضوء، والتي قد تخلق وهم التغيير. وبدون مدار متزامن مع الشمس، سيكون من الصعب تتبعها بمرور الوقت وجمع المعلومات اللازمة لدراسة تغير المناخ.
مسار القمر الصناعي هنا محدود للغاية. وإذا كان على ارتفاع 100 كيلومتر، فيجب أن يكون ميل المدار 96 درجة. وأي انحراف سيكون غير مقبول. ونظرًا لأن مقاومة الغلاف الجوي وقوة جاذبية الشمس والقمر تغيران مدار المركبة الفضائية، فيجب تعديلها بانتظام.
الحقن في المدار: الإطلاق
يتطلب إطلاق القمر الصناعي طاقة، يعتمد مقدارها على موقع موقع الإطلاق، وارتفاع وميل المسار المستقبلي لحركته. يتطلب الوصول إلى مدار بعيد المزيد من الطاقة. فالأقمار الصناعية ذات الميل الكبير (على سبيل المثال، القطبية) أكثر استهلاكًا للطاقة من تلك التي تدور حول خط الاستواء. إن الإدخال في مدار منخفض الميل يساعده دوران الأرض. يتحرك بزاوية قدرها 51.6397 درجة. وهذا ضروري لتسهيل وصول المكوكات الفضائية والصواريخ الروسية إليها. ارتفاع محطة الفضاء الدولية هو 337-430 كم. ومن ناحية أخرى، لا تتلقى الأقمار الصناعية القطبية أي مساعدة من زخم الأرض، لذا فهي تحتاج إلى المزيد من الطاقة لترتفع نفس المسافة.
تعديل
بمجرد إطلاق القمر الصناعي، يجب بذل الجهود لإبقائه في مدار معين. لأن الأرض ليست كذلك المجال المثاليوتكون جاذبيته أقوى في بعض الأماكن. يؤدي هذا عدم الانتظام، إلى جانب قوة الجاذبية للشمس والقمر والمشتري (الكوكب الأكبر في النظام الشمسي)، إلى تغيير ميل المدار. طوال حياتها، تم تعديل أقمار GOES ثلاث أو أربع مرات. يجب على مركبات ناسا ذات المدار المنخفض أن تقوم بتعديل ميلها سنويًا.
وبالإضافة إلى ذلك، تتأثر الأقمار الصناعية القريبة من الأرض بالغلاف الجوي. الطبقات العليا، على الرغم من أنها نادرة جدًا، إلا أنها تمارس مقاومة قوية بما يكفي لسحبها بالقرب من الأرض. يؤدي عمل الجاذبية إلى تسارع الأقمار الصناعية. وبمرور الوقت، تحترق، وتنتقل إلى مستوى أدنى وأسرع في الغلاف الجوي، أو تسقط على الأرض.
يكون السحب الجوي أقوى عندما تكون الشمس نشطة. تماما مثل الهواء في منطاديتوسع ويرتفع عند تسخينه، ويرتفع الغلاف الجوي ويتوسع عندما تمنحه الشمس طاقة إضافية. ترتفع طبقات الغلاف الجوي الرقيقة، وتحل محلها طبقات أكثر كثافة. ولذلك، يجب على الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض أن تغير موقعها أربع مرات تقريبًا في السنة للتعويض عن السحب الجوي. عندما يصل النشاط الشمسي إلى الحد الأقصى، يجب تعديل موضع الجهاز كل 2-3 أسابيع.
حطام فضائي
السبب الثالث الذي يدفع إلى تغيير المدار هو الحطام الفضائي. اصطدم أحد أقمار الاتصالات التابعة لشركة إيريديوم بمركبة فضائية روسية معطلة. لقد تحطمت، مما أدى إلى خلق سحابة من الحطام تتكون من أكثر من 2500 قطعة. تمت إضافة كل عنصر إلى قاعدة البيانات، والتي تضم اليوم أكثر من 18000 قطعة من صنع الإنسان.
تراقب ناسا بعناية كل ما قد يكون في طريق الأقمار الصناعية، حيث كان لا بد من تغيير المدارات عدة مرات بسبب الحطام الفضائي.
يراقب المهندسون موقع الحطام الفضائي والأقمار الصناعية التي يمكن أن تتداخل مع الحركة ويخططون بعناية لمناورات المراوغة حسب الضرورة. ويخطط نفس الفريق وينفذ مناورات لضبط ميل القمر الصناعي وارتفاعه.
لإطلاق قمر صناعي في مدار أرضي منخفض، من الضروري منحه سرعة أولية تساوي السرعة الكونية الأولى أو أعلى قليلاً من الأخيرة. وهذا لا يحدث على الفور، ولكن تدريجيا. صاروخ متعدد المراحل يحمل قمرًا صناعيًا يكتسب السرعة بسلاسة. وعندما تصل سرعة طيرانه إلى القيمة المحسوبة، ينفصل القمر الصناعي عن الصاروخ ويبدأ حركته الحرة في المدار. ويعتمد شكل المدار على السرعة الأولية المعطاة له وعلى اتجاهه: أبعاده وانحرافه.
إذا لم تكن هناك مقاومة من البيئة وعوامل الجذب المزعجة للقمر والشمس، وكان للأرض شكل كروي، فلن يخضع مدار القمر الصناعي لأية تغييرات، وسيتحرك القمر الصناعي نفسه على طوله إلى الأبد. ومع ذلك، في الواقع، يتغير مدار كل قمر صناعي لأسباب مختلفة.
القوة الرئيسية التي تغير مدار القمر الصناعي هي الكبح، والذي يحدث بسبب مقاومة الوسط المخلخل الذي يطير من خلاله القمر الصناعي. دعونا نرى كيف يؤثر ذلك على حركته. وبما أن مدار القمر الصناعي عادة ما يكون بيضاويا، فإن المسافة بينه وبين الأرض تتغير بشكل دوري. يتناقص نحو الحضيض ويصل إلى أقصى مسافة عند الأوج. تتناقص كثافة الغلاف الجوي للأرض بسرعة مع زيادة الارتفاع، وبالتالي يواجه القمر الصناعي أكبر مقاومة بالقرب من الحضيض. بعد إنفاق جزء من الطاقة الحركية للتغلب على هذه المقاومة، وإن كانت صغيرة، لم يعد القمر الصناعي قادرًا على الارتفاع إلى ارتفاعه السابق، ويتناقص الأوج تدريجيًا. ويحدث أيضًا انخفاض في نقطة الحضيض، ولكن بشكل أبطأ بكثير من الانخفاض في نقطة الأوج. وهكذا يتناقص حجم المدار وانحرافه تدريجياً: يقترب المدار الإهليلجي من مدار دائري. ويتحرك القمر الصناعي حول الأرض في دوامة متعرجة ببطء وينتهي في النهاية وجوده في الطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي للأرض، حيث يسخن ويتبخر مثل جسم نيزكي. في أحجام كبيرةيمكنها الوصول إلى سطح الأرض.
ومن المثير للاهتمام أن كبح القمر الصناعي لا يقلل من سرعته، بل على العكس من ذلك، يزيدها. دعونا نفعل بعض الحسابات البسيطة.
ويترتب على ذلك من قانون كبلر الثالث
حيث C ثابت، M هي كتلة الأرض، m هي كتلة القمر الصناعي، P هي فترة دورانه وa هو المحور شبه الرئيسي للمدار. مهمل
ومن خلال كتلة القمر الصناعي مقارنة بكتلة الأرض نحصل على ذلك
لتبسيط الحسابات، لنفترض أن مدار القمر الصناعي دائري. يتحرك القمر الصناعي بسرعة ثابتة υ، ويقطع مسافة υ Р = 2 πа في مداره لدورة كاملة، من حيث Р = 2πa/υ. باستبدال هذه القيمة P في الصيغة (9.1) وإجراء التحويلات، نجد
لذلك، مع انخفاض حجم المدار، تزداد سرعة القمر الصناعي v: تزداد الطاقة الحركية للقمر الصناعي بسبب الانخفاض السريع في الطاقة الكامنة.
القوة الثانية التي تغير شكل مدار القمر الصناعي هي ضغط الإشعاع الشمسي، أي التدفقات الضوئية والجسيمية (الرياح الشمسية). ليس لهذه القوة أي تأثير عمليًا على الأقمار الصناعية الصغيرة، ولكنها مهمة جدًا بالنسبة للأقمار الصناعية مثل باجيوس. عند الإطلاق، كان لـPageos مدار دائري، ولكن بعد عامين أصبح مدارًا بيضاويًا ممدودًا للغاية.
تتأثر حركة القمر الصناعي أيضًا بالمجال المغناطيسي للأرض، حيث يمكن للقمر الصناعي أن يكتسب بعضًا منه الشحنة الكهربائيةوعندما يتحرك في مجال مغناطيسي، يجب أن تحدث تغييرات في المسار.
ومع ذلك، فإن كل هذه القوى مثيرة للقلق. القوة الرئيسية التي تحمل القمر الصناعي في مداره هي قوة الجاذبية. وهنا نواجه بعض الخصوصيات. ونحن نعلم ذلك نتيجة لذلك الدوران المحوريأن شكل الأرض يختلف عن الشكل الكروي وأن جاذبية الأرض غير موجهة تماماً نحو مركز الأرض. ولا يؤثر ذلك على الأجسام البعيدة جدًا، لكن القمر الصناعي الموجود بالقرب من الأرض يتفاعل مع وجود “الانتفاخات الاستوائية” بالقرب من الأرض. يدور مستوى مداره ببطء ولكن بشكل منتظم حول محور دوران الأرض. هذه الظاهرة واضحة للعيان من خلال الملاحظات التي أجريت على مدى أسبوع واحد. وتحظى كل هذه التغيرات المدارية بأهمية علمية كبيرة، ولذلك يتم إجراء عمليات رصد منهجية لحركة الأقمار الصناعية.
