تماما كما تسمح مقاعد المسرحوجهات نظر مختلفة على العرض ، مدارات مختلفة من الأقمار الصناعية تعطي وجهة نظر ، كل منها له غرضه الخاص. يبدو أن البعض يتدلى فوق نقطة على السطح ، يقدمون نظرة عامة ثابتة على جانب واحد من الأرض ، بينما يدور آخرون حول كوكبنا ، وهم يهرولون إلى أماكن كثيرة في يوم واحد.
أنواع المدارات
في أي ارتفاع تطير الأقمار الصناعية؟هناك 3 أنواع من المدارات القريبة من الأرض: عالية ومتوسطة ومنخفضة. على القمة ، الأكثر بعدًا عن السطح ، كقاعدة عامة ، توجد العديد من أقمار الاتصالات الخاصة بالطقس وبعض الاتصالات. الأقمار الصناعية التي تدور في مدار متوسط الأرض تشمل الملاحة والأخرى الخاصة المصممة لمراقبة منطقة معينة. معظم المركبات الفضائية العلمية ، بما في ذلك أسطول نظام مراقبة الأرض التابع لناسا ، في مدار منخفض.
على أي ارتفاع تعتمد الأقمار الصناعيةسرعة حركتهم. كلما اقتربت من الأرض ، أصبحت الجاذبية أقوى وتتسارع الحركة. على سبيل المثال ، يستغرق القمر الصناعي أكوا التابع لناسا حوالي 99 دقيقة للطيران حول كوكبنا على ارتفاع حوالي 705 كيلومترات ، بينما يستغرق جهاز الأرصاد الجوية الواقع على بعد 35786 كيلومترًا من السطح 23 ساعة و 56 دقيقة و 4 ثوانٍ. على مسافة 384403 كيلومترات من مركز الأرض ، يكمل القمر دورة واحدة في 28 يومًا.
مفارقة الديناميكية الهوائية
يؤدي تغيير ارتفاع القمر الصناعي إلى تغييره أيضًاالسرعة المدارية. ثمة مفارقة هنا. إذا أراد مشغل الأقمار الصناعية زيادة سرعته ، فلا يمكنه ببساطة تشغيل المحركات لتسريعها. سيؤدي ذلك إلى زيادة المدار (والارتفاع) ، مما يؤدي إلى انخفاض السرعة. بدلاً من ذلك ، يجب أن تبدأ المحركات في الاتجاه المعاكس لاتجاه حركة القمر الصناعي ، أي القيام بعمل من شأنه إبطاء حركة مركبة على الأرض. سيؤدي القيام بذلك إلى تحريكه لأسفل ، مما سيزيد السرعة.
خصائص المدار
بالإضافة إلى الارتفاع ، مسار القمر الصناعيتتميز بالانحراف والميل. الأول يتعلق بشكل المدار. يتحرك القمر الصناعي ذو الانحراف المنخفض على طول مسار قريب من مسار دائري. المدار غريب الأطوار بيضاوي الشكل. تعتمد المسافة من المركبة الفضائية إلى الأرض على موقعها.
الميل هو زاوية المدار بالنسبة لخط الاستواء. القمر الصناعي الذي يدور مباشرة فوق خط الاستواء لا يميل. إذا مرت المركبة الفضائية فوق القطبين الشمالي والجنوبي (جغرافيًا وليس مغناطيسيًا) ، فإنها تميل 90 درجة.
يحدد الارتفاع والانحراف والميل معًا حركة القمر الصناعي وكيف ستبدو الأرض من منظورها.
مرتفع بالقرب من الأرض
عندما يصل القمر الصناعي بالضبط إلى 42164 كم من المركزالأرض (حوالي 36 ألف كيلومتر من السطح) ، تدخل المنطقة حيث يتوافق مدارها مع دوران كوكبنا. نظرًا لأن المركبة الفضائية تتحرك بنفس سرعة الأرض ، أي أن الفترة المدارية لها 24 ساعة ، يبدو أنها تظل في مكانها فوق خط طول واحد ، على الرغم من أنها يمكن أن تنجرف من الشمال إلى الجنوب. يسمى هذا المدار العالي الخاص بالتزامن مع الأرض.
يتحرك القمر الصناعي في مدار دائري فوق خط الاستواء مباشرة (الانحراف والميل صفرا) ولا يزال قائما بالنسبة للأرض. يقع دائمًا فوق نفس النقطة على سطحه.
المدار الثابت بالنسبة للأرض ذو قيمة كبيرة بالنسبة لـمراقبة الطقس ، حيث توفر الأقمار الصناعية الموجودة عليها عرضًا ثابتًا لنفس المنطقة من السطح. كل بضع دقائق ، توفر أجهزة الأرصاد الجوية مثل GOES معلومات عن السحب وبخار الماء والرياح ، ويعمل هذا التدفق المستمر للمعلومات كأساس لرصد الطقس والتنبؤ به.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون المركبات الثابتة بالنسبة للأرضمفيد للاتصالات (الهاتف ، التلفزيون ، الراديو). توفر الأقمار الصناعية GOES منارة البحث والإنقاذ المستخدمة للمساعدة في تحديد مواقع السفن والطائرات المعرضة للخطر.
أخيرًا ، تراقب العديد من الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض النشاط الشمسي وتتبع المجال المغناطيسي ومستويات الإشعاع.
حساب ارتفاع GSO
تعمل قوة الجاذبية المركزية F على القمر الصناعيش= (م1الخامس2) / R والجاذبية Fتي= (GM1M2) / ص2... نظرًا لأن هاتين القوتين متماثلتان ، يمكننا معادلة الجانبين الأيمن وتقليلهما بالكتلة M1... والنتيجة هي المساواة ضد2= (GM2) / R. ومن هنا تأتي سرعة الحركة v = ((GM2) / ص)1/2
نظرًا لأن المدار الثابت بالنسبة للأرض عبارة عن دائرة 2πr ، فإن السرعة المدارية هي v = 2πR / T.
ومن ثم فإن R3= ت2GM / (4π2).
منذ T = 8.64x104الصورة ، G = 6.673x10-11 N م2/ كلغ2، م = 5.98 × 1024 كجم ، ثم R = 4.23x107 م إذا طرحت من R نصف قطر الأرض ، يساوي 6.38 × 106 م ، يمكنك معرفة أي ارتفاع تطير الأقمار الصناعية فوق نقطة واحدة على السطح - 3.59 × 107 م.
نقاط لاغرانج
المدارات الرائعة الأخرى هي النقاطلاغرانج ، حيث يتم تعويض جاذبية الأرض عن طريق جاذبية الشمس. كل ما هو موجود ينجذب بالتساوي إلى هذه الأجرام السماوية ويدور مع كوكبنا حول النجم.
من نقاط لاغرانج الخمس في نظام الشمس والأرضفقط الأخيران ، المسمى L4 و L5 ، مستقران. في البقية ، يشبه القمر الصناعي كرة تتوازن على قمة تل شديد الانحدار: أي اضطراب طفيف يدفعها للخارج. من أجل البقاء في حالة متوازنة ، تحتاج المركبة الفضائية هنا إلى تعديل مستمر. في آخر نقطتين لاغرانج ، تبدو الأقمار الصناعية مثل كرة في كرة: حتى بعد السخط الشديد ، فإنها ستعود.
يقع L1 بين الأرض والشمس ، مما يسمحالأقمار الصناعية الموجودة فيه ، لديها رؤية ثابتة لنجمنا. يراقب مرصد سوهو الشمسي ، وهو قمر صناعي تابع لوكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ، الشمس من أول نقطة في لاغرانج ، على بعد 1.5 مليون كيلومتر من كوكبنا.
يقع L2 على نفس المسافة من الأرض ، ولكنخلفها. تحتاج الأقمار الصناعية في هذا الموقع إلى درع حراري واحد فقط لحماية نفسها من ضوء الشمس والحرارة. هذا موقع جيد للتلسكوبات الفضائية المستخدمة لدراسة طبيعة الكون من خلال مراقبة خلفية إشعاع الميكروويف.
نقطة لاغرانج الثالثة هي عكس الأرضعلى الجانب الآخر من الشمس ، بحيث يكون النجم دائمًا بينها وبين كوكبنا. لن يتمكن القمر الصناعي في هذا الوضع من الاتصال بالأرض.
نقطتا لاغرانج الرابعة والخامسة مستقرة للغاية في المسار المداري لكوكبنا 60 درجة أمام وخلف الأرض.
مدار الأرض الأوسط
أقرب إلى الأرض ، تتحرك الأقمار الصناعية بشكل أسرع. هناك نوعان متوسطان من المدارات القريبة من الأرض: شبه متزامن و "برق".
في أي ارتفاع تطير الأقمار الصناعيةمدار شبه متزامن؟ إنه دائري تقريبًا (منخفض اللامركزية) ويبعد 26.560 كم عن مركز الأرض (حوالي 20200 كم فوق السطح). يقوم القمر الصناعي على هذا الارتفاع بعمل ثورة كاملة في غضون 12 ساعة ، وبينما يتحرك ، تدور الأرض تحته. في غضون 24 ساعة ، تعبر نقطتين متطابقتين على خط الاستواء. هذا المدار ثابت ويمكن التنبؤ به بشكل كبير. يستخدمه نظام تحديد المواقع العالمي GPS.
تم استخدام المدار "Lightning" (ميل 63.4 درجة)للمراقبة في 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 على طول شكل بيضاوي ممدود مع الأرض الواقعة بالقرب من حافة واحدة. نظرًا لتسارع الجاذبية في القمر الصناعي ، فإنه يتحرك بسرعة كبيرة عندما يكون قريبًا من كوكبنا. عند الابتعاد ، تتباطأ سرعته ، لذلك يقضي وقتًا أطول في الجزء العلوي من المدار في الحافة الأبعد عن الأرض ، والتي يمكن أن تصل المسافة إلى 40 ألف كيلومتر. الفترة المدارية هي 12 ساعة ، لكن القمر الصناعي يقضي حوالي ثلثي هذا الوقت على نصف الكرة الأرضية. مثل المدار شبه المتزامن ، يتبع القمر الصناعي نفس المسار كل 24 ساعة ، ويتم استخدامه للاتصالات في أقصى الشمال أو الجنوب.
الأرض المنخفضة
معظم الأقمار الصناعية العلمية كثيرةتقع محطات الأرصاد الجوية والفضائية في مدار أرضي منخفض شبه دائري. يعتمد منحدرهم على ما يراقبونه. تم إطلاق TRMM لمراقبة هطول الأمطار في المناطق المدارية ، لذلك فإن ميلها منخفض نسبيًا (35 درجة) بينما تظل قريبة من خط الاستواء.
تمتلك العديد من أقمار المراقبة التابعة لناسامدار شديد الانحدار شبه قطبي. تتحرك المركبة الفضائية حول الأرض من قطب إلى آخر لمدة 99 دقيقة. يمر نصف الوقت على جانب النهار من كوكبنا ، وفي القطب ينتقل إلى الجانب الليلي.
أثناء تحرك القمر الصناعي ، تدور الأرض تحته.بحلول الوقت الذي تدخل فيه المركبة الفضائية المنطقة المضيئة ، تكون فوق المنطقة المجاورة لمنطقة مدارها الأخير. في فترة 24 ساعة ، تغطي الأقمار الصناعية القطبية معظم الأرض مرتين: مرة أثناء النهار ومرة في الليل.
مدار متزامن مع الشمس
تمامًا كما يجب على الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرضأن تكون فوق خط الاستواء ، مما يسمح لها بالبقاء فوق نقطة واحدة ، فإن المدار القطبي لديه القدرة على البقاء في نفس الوقت. مدارهم متزامن مع الشمس - عندما تعبر المركبة الفضائية خط الاستواء ، يكون التوقيت الشمسي المحلي هو نفسه دائمًا. على سبيل المثال ، يمر القمر الصناعي Terra عبر البرازيل دائمًا في الساعة 10:30 صباحًا. العبور التالي بعد 99 دقيقة فوق الإكوادور أو كولومبيا يحدث أيضًا في الساعة 10:30 بالتوقيت المحلي.
المدار المتزامن مع الشمس ضروري للعلم ،لأنه يسمح لك بالحفاظ على زاوية حدوث ضوء الشمس على سطح الأرض ، على الرغم من أنها ستختلف تبعًا للموسم. يعني هذا الاتساق أنه يمكن للعلماء مقارنة صور كوكبنا في نفس الوقت من العام على مدار عدة سنوات دون القلق بشأن القفزات الكبيرة جدًا في الإضاءة التي يمكن أن تخلق وهمًا بالتغيير. بدون مدار متزامن مع الشمس ، سيكون من الصعب تتبعها بمرور الوقت وجمع المعلومات اللازمة لدراسة تغير المناخ.
مسار القمر الصناعي محدود للغاية هنا.إذا كان على ارتفاع 100 كم ، فينبغي أن يميل المدار بمقدار 96 درجة. سيكون أي انحراف غير مقبول. نظرًا لأن السحب الجوي وجاذبية الشمس والقمر يغيران مدار المركبة ، فيجب تعديله بانتظام.
الإطلاق في المدار: الإطلاق
إطلاق قمر صناعي يتطلب طاقة ، الكميةالذي يعتمد على موقع الإطلاق ، وارتفاع وانحدار المسار المستقبلي لحركته. يتطلب الأمر مزيدًا من الطاقة للوصول إلى مدار بعيد. الأقمار الصناعية ذات الميل الكبير (على سبيل المثال ، القطبية) هي أكثر كثافة للطاقة من تلك التي تدور فوق خط الاستواء. الانطلاق في مدار بميل منخفض يساعده دوران الأرض. تتحرك محطة الفضاء الدولية بزاوية 51.6397 درجة. وهذا ضروري لتسهيل وصول المكوكات الفضائية والصواريخ الروسية إليها. ارتفاع محطة الفضاء الدولية - 337-430 كم. من ناحية أخرى ، لا تتلقى الأقمار الصناعية القطبية مساعدة من نبضات الأرض ، لذا فهي بحاجة إلى مزيد من الطاقة لتسلق نفس المسافة.
تعديل
بعد إطلاق القمر الصناعي ، تحتاج إلى إرفاقهجهود لإبقائها في مدار معين. نظرًا لأن الأرض ليست كرة مثالية ، فإن جاذبيتها تكون أقوى في بعض الأماكن. هذا التفاوت ، جنبًا إلى جنب مع جاذبية الشمس والقمر والمشتري (أكبر كوكب في النظام الشمسي) ، يغير ميل المدار. تم تصحيح أقمار GOES طوال عمرها ثلاث أو أربع مرات. يتعين على ناسا المدار الأرضي المنخفض تعديل ميلها سنويًا.
بالإضافة إلى ذلك ، تتأثر الأقمار الصناعية القريبة من الأرضجو التأثير. على الرغم من أن الطبقات العلوية رقيقة بدرجة كافية ، فإنها توفر مقاومة كافية لسحبها بالقرب من الأرض. يتسبب عمل الجاذبية في تسارع الأقمار الصناعية. بمرور الوقت ، فإنها تحترق ، وتنخفض بشكل حلزوني إلى الأسفل وأسرع في الغلاف الجوي ، أو تسقط على الأرض.
تكون مقاومة الغلاف الجوي أقوى عندما تكون الشمسبنشاط. مثلما يتمدد الهواء في منطاد الهواء الساخن ويرتفع عندما يسخن ، يرتفع الغلاف الجوي ويتمدد عندما تمنحه الشمس طاقة إضافية. ترتفع طبقات الغلاف الجوي الرقيقة ، وتحل الطبقات الأكثر كثافة مكانها. لذلك ، يجب أن تغير الأقمار الصناعية في مدار الأرض موقعها حوالي أربع مرات في السنة للتعويض عن مقاومة الغلاف الجوي. عندما يكون النشاط الشمسي في ذروته ، يجب تصحيح موضع الجهاز كل أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع.
حطام فضائي
السبب الثالث لإجبارهم على تغيير المدارحطام فضائي. اصطدم أحد أقمار الاتصالات إيريديوم بمركبة فضائية روسية لا تعمل. تحطمت ، وشكلت سحابة حطام من أكثر من 2500 قطعة. تمت إضافة كل عنصر إلى قاعدة البيانات ، التي تضم اليوم أكثر من 18000 عنصر من صنع الإنسان.
تراقب وكالة ناسا بعناية كل ما قد يكون في مسار الأقمار الصناعية ، حيث كان على الحطام الفضائي بالفعل تغيير المدارات عدة مرات.
مهمة المهندسين مركز التحكم المسار المسارموقع الحطام الفضائي والأقمار الصناعية التي يمكن أن تتداخل مع الحركة وتخطط بعناية لمناورات المراوغة حسب الضرورة. يخطط نفس الفريق وينفذ مناورات لضبط إمالة القمر الصناعي وارتفاعه.
