المدار Orbit

 

المدار Orbit هو المسار المنحني الذي يتخذه جسم ما في الفضاء (مثل نجم أو كوكب أو قمر أو كويكب أو مركبة فضائية) حول جسم آخر بسبب الجاذبية.

 

تكوين مدار : دفع القمر الصناعي بالسرعة المطلوبة ليستمر في الدوران حول الأرض – الصورة ESA

 

عندما تطلق الصواريخ أقمارنا الصناعية ، فإنها تضعها في مدار في الفضاء. هناك ، تبقي الجاذبية القمر الصناعي في مداره المطلوب – بنفس الطريقة التي تحافظ بها الجاذبية على القمر في مدار حول الأرض.

 

يحدث هذا بطريقة مشابهة لرمي الكرة من نافذة برج طويل – لتحريك الكرة ، عليك أولاً دفعها من خلال رميها ، مما يجعل الكرة تسقط باتجاه الأرض على مسار منحني. في حين أن رميتك هي التي تعطي الكرة سرعتها الأولية ، إلا أن الجاذبية وحدها هي التي تحافظ على تحرك الكرة نحو الأرض بمجرد تركها.

 

بطريقة مماثلة ، يتم وضع قمر صناعي في المدار عن طريق وضعه على ارتفاع مئات أو آلاف الكيلومترات فوق سطح الأرض (كما لو كان في برج طويل جدًا) ثم يتم دفعه من قبل محركات الصاروخ لجعله يبدأ في مداره .

 

كما هو موضح في الشكل ، فإن الاختلاف هو أن رمي شيء ما سيجعله يسقط على مسار منحني نحو الأرض – لكن رمية قوية حقًا ستعني أن الأرض تبدأ في الانحناء قبل أن يصل الجسم إلى الأرض. سيسقط الجسم “باتجاه” الأرض إلى أجل غير مسمى ، مما يتسبب في دورانه حول الكوكب بشكل متكرر. تهانينا! لقد وصلت إلى المدار.

 

في الفضاء ، لا يوجد هواء وبالتالي لا احتكاك جوي ، لذا تسمح الجاذبية للقمر الصناعي بالدوران حول الأرض بدون أي مساعدة إضافية تقريبًا.

.

من أنواع المدارات Types of Orbits

 

• مدار أرضي منخفض Low Earth orbit (LEO) .

 

• مدار أرضي متوسط Medium Earth Orbit (MEO) .

 

• المدار الثابت بالنسبة للأرض (Geostationary orbit (GEO .

 

• مدار قطبي ومدار متزامن مع الشمس (SSO) .

 

• مدارات النقل ومدار النقل الثابت بالنسبة للأرض (GTO) .

 

• نقاط لاجرانج (نقاط- L) .

.

المدار الأرضي المنخفض Low Earth Orbit (LEO)

 

المدار الأرضي المنخفض (LEO) هو ، كما يوحي الاسم ، مدار قريب نسبيًا من سطح الأرض. عادة ما يكون على ارتفاع أقل من 1000 كم ولكن يمكن أن يصل ارتفاعه إلى 160 كم فوق سطح الأرض – وهو منخفض مقارنة بالمدارات الأخرى ، ولكنه لا يزال بعيدًا جدًا عن سطح الأرض.

 

وبالمقارنة ، فإن معظم الطائرات التجارية تطير على ارتفاعات لاتزيد كثيرًا عن 14 كم تقريبًا ، لذا فإن أدنى مستوى منخفض من المدار الأرضي المنخفض يكون أعلى بعشر مرات من ارتفاع الطائرات.

 

على عكس الأقمار الصناعية الموجودة في المدار المتزامن مع الأرض والتي يجب أن تدور دائمًا فوق خط الاستواء Equator لكوكب الأرض ، لا يتعين على أقمار المدار الأرضي المنخفض دائمًا اتباع مسار ثابت حول الأرض لذا يمكن إمالة مستواها. وهذا يعني أن هناك المزيد من المسارات المتاحة للأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض ، وهو أحد الأسباب التي تجعل المدار الأرضي منخفضًا شائع الاستخدام.

 

قرب المدار الأرضي المنخفض LEO من الأرض جعله المدار الأكثر استخدامًا للتصوير بالأقمار الصناعية ، حيث أن قربه من السطح يسمح للأقمار بالتقاط صور بدقة أعلى ، و تستخدم تلك الأقمار الصناعية في الاستشعار عن بعد و التصوير ومسح الأرض ، ورصد الحالة الطقس. وهو أيضًا المدار المستخدم لمحطة الفضاء الدولية (ISS) ، حيث يسهل على رواد الفضاء السفر منه وإليه في رحلة قصيرة المسافة. تتحرك الأقمار الصناعية في هذا المدار بسرعة حوالي 7.8 كم في الثانية ؛ بهذه السرعة ، يستغرق القمر الصناعي حوالي 90 دقيقة للدوران حول الأرض ، مما يعني أن محطة الفضاء الدولية تدور حول الأرض حوالي 16 مرة في اليوم.

 

ومع ذلك ، فإن أقمار المدار الأرضي المنخفض LEO المنفردة أقل فائدة لمهام مثل الاتصالات ، لأنها تتحرك بسرعة كبيرة عبر السماء وبالتالي تتطلب الكثير من الجهد من المحطات الأرضية لتتبعها.

 

ولحل هذه المشكلة التي تواجه الأقمار المنفردة ، غالبًا ما تعمل أقمار الاتصالات المتواجدة في المدار الأرضي المنخفض كجزء من مجموعة كبيرة أو كوكبة Constellation من أقمار صناعية متعددة لتوفير تغطية ثابتة. من أجل زيادة التغطية ، يتم أحيانًا إطلاق كوكبة من الأقمار الصناعية المتماثلة أو المتشابهة معًا لإنشاء “شبكة” حول الأرض ، مما يتيح لتلك الكوكبة تغطية مساحات كبيرة من الأرض في وقت واحد من خلال العمل معًا.

.

مدار أرضي متوسط Medium Earth Orbit (MEO)

 

يتكون المدار الأرضي المتوسط من مجموعة واسعة من المدارات في أي مكان يقع بين المدار الأرضي المنخفض LEO والمدار الأرضي الثابت GEO . ويشبه المدار الأرضي المنخفض من حيث أنه لا يحتاج أيضًا إلى اتخاذ مسارات محددة حول الأرض ، ويتم استخدامه بواسطة مجموعة متنوعة من الأقمار الصناعية مع العديد من التطبيقات المختلفة.

 

يتم استخدامه بشكل شائع بواسطة الأقمار الصناعية للملاحة ، مثل نظام جاليليو الأوروبي.

.

المدار الثابت بالنسبة للأرض Geostationary Orbit (GEO)

 

المدار الثابت بالنسبة للأرض Geostationary Orbit (GEO) – الصورة ESA

 

هو عبارة عن مدار واحد فقط يتواجد فوق خط الإستواء Equator .

 

تدور الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض (GEO) حول الأرض فوق خط الاستواء من الغرب إلى الشرق بعد دوران الأرض – تستغرق 23 ساعة و 56 دقيقة و 4 ثوانٍ في الدورة الواحدة – حيث تدور بنفس معدل دوران الأرض تمامًا. وهذا يجعل الأقمار الصناعية في المدار GEO تبدو “ثابتة Stationary” على موقع ثابت. ومن أجل مطابقة دوران الأرض تمامًا ، يجب أن تكون سرعة الأقمار المتواجدة في المدار GEO حوالي 3 كيلومترات في الثانية على ارتفاع 35786 كيلومتر.

 

هذا أبعد بكثير عن سطح الأرض مقارنة بالعديد من الأقمار الصناعية الأخري.

 

يتم استخدام المدار المتزامن مع الأرض (GEO) بواسطة الأقمار الصناعية التي تحتاج إلى البقاء باستمرار فوق مكان معين فوق الأرض ، مثل أقمار الاتصالات السلكية واللاسلكية. بهذه الطريقة ، يمكن تثبيت هوائي على الأرض ليبقى دائمًا موجهًا نحو ذلك القمر الصناعي دون أن يتحرك. يمكن استخدامه أيضًا بواسطة الأقمار الصناعية لمراقبة الطقس ، لأنها تستطيع باستمرار مراقبة مناطق محددة لمعرفة كيفية ظهور اتجاهات الطقس هناك.

 

تغطي الأقمار الصناعية الموجودة في المدار المتزامن مع الأرض GEO نطاقاً واسعاً من الأرض ، لذا فإن وجود ثلاثة أقمار صناعية علي الأقل وتفصل بينها مسافات متساوية يمكنها توفير تغطية لكل العالم تقريبا. هذا لأنه عندما يكون القمر الصناعي بعيدًا عن الأرض ، يمكنه تغطية أقسام كبيرة مرة واحدة. هذا يشبه القدرة على رؤية المزيد من الخريطة من على بعد متر مقارنة بما إذا كنت على بعد سنتيمتر منها. لذلك ، لرؤية الأرض كلها في وقت واحد من المدار المتزامن مع الأرض ، هناك حاجة إلى عدد أقل بكثير من الأقمار الصناعية مقارنة بالأقمار المتواجدة علي ارتفاع منخفض.

.

اقرأ أيضا:   التأخير في إشارة الأقمار الصناعية

.

مدار قطبي ومدار متزامن مع الشمس Polar orbit and Sun-synchronous orbit (SSO)

 

مدار قطبي ومدار متزامن مع الشمس Polar Orbit and Sun-Synchronous Orbit (SSO) – الصورة ESA

 

تدور الأقمار الصناعية في المدارات القطبية Polar Orbits عادةً حول الأرض من الشمال North إلى الجنوب South بدلاً من الغرب إلى الشرق ، مروراً تقريبًا فوق قطبي الأرض.

 

لا يتعين على الأقمار الصناعية في المدار القطبي أن تعبر القطبين الشمالي والجنوبي بدقة ؛ حتى الانحراف المداري في حدود 20 إلى 30 درجة لا يزال يُصنف على أنه مدار قطبي Polar Orbit . المدارات القطبية هي نوع من المدارات الأرضية المنخفضة LEO ، لأنها تقع على ارتفاعات منخفضة بين 200 إلى 1000 كيلومتر.

 

المدار المتزامن مع الشمس Sun-synchronous orbit (SSO) هو نوع خاص من المدار القطبي. الأقمار الصناعية في المدار المتزامن مع الشمس SSO ، التي تدور فوق المناطق القطبية ، متزامنة مع الشمس. هذا يعني أنها متزامنة لتكون دائمًا في نفس الوضع “الثابت” بالنسبة للشمس. هذا يعني أن القمر الصناعي يزور دائمًا نفس المكان في نفس التوقيت المحلي – على سبيل المثال ، يمر بمدينة باريس كل يوم عند الظهر بالضبط.

 

هذا يعني أن القمر الصناعي سيراقب دائمًا نقطة على الأرض كما لو كانت مراقبة باستمرار في نفس الوقت من اليوم ، والتي تخدم عددًا من التطبيقات ؛ على سبيل المثال ، هذا يعني أن العلماء وأولئك الذين يستخدمون صور الأقمار الصناعية يمكنهم مقارنة كيف يتغير مكان ما بمرور الوقت.

 

هذا لأنه ، إذا كنت ترغب في مراقبة منطقة عن طريق التقاط سلسلة من الصور لمكان معين خلال عدة أيام أو أسابيع أو شهور أو حتى سنوات ، فلن يكون من المفيد جدًا المقارنة في مكان ما عند منتصف الليل ثم في منتصف النهار – تحتاج إلى التقاط كل صورة بشكل مشابه للصورة السابقة قدر الإمكان. لذلك ، يستخدم العلماء سلسلة صور كهذه للتحقيق في كيفية ظهور أنماط الطقس ، للمساعدة في التنبؤ بالطقس أو العواصف ؛ وعند مراقبة حالات الطوارئ مثل حرائق الغابات أو الفيضانات ؛ أو لتجميع البيانات حول المشكلات طويلة المدى مثل إزالة الغابات أو ارتفاع مستوى سطح البحر.

 

في كثير من الأحيان ، تتم مزامنة الأقمار الصناعية في المدار المتزامن مع الشمس SSO بحيث تكون باستمرار في الفجر أو الغسق – وهذا لأنه من خلال ركوب غروب الشمس أو شروقها باستمرار ، لن يكون لديهم الشمس أبدًا بزاوية حيث تظلل الأرض الأقمار الصناعية. عادة ما يكون القمر الصناعي المتواجد في مدار متزامن مع الشمس على ارتفاع يتراوح بين 600 و 800 كيلومتر. فعلى ارتفاع 800 كم ، ستسير بسرعة 7.5 كم في الثانية تقريبًا.

.

مدارات النقل Transfer Orbits ومدار النقل الثابت بالنسبة للأرض Geostationary Transfer Orbit (GTO)

 

يتم الإطلاق والصعود إلى الفضاء (الخط الأصفر) أولا ثم الإنتقال عبر مدار النقل الثابت بالنسبة للأرض GTO (الخط الأزرق) عندما يترك الصاروخ القمر الصناعي في الفضاء على مسار متجه إلى المدار الثابت بالنسبة إلى الأرض GEO (الخط الأحمر) – الصورة ESA

 

مدارات النقل Transfer Orbits هي نوع خاص من المدارات المستخدمة للانتقال من مدار إلى آخر. عندما يتم إطلاق الأقمار الصناعية من الأرض ونقلها إلى الفضاء باستخدام مركبات الإطلاق ، لا يتم دائمًا وضع الأقمار الصناعية مباشرة في مدارها النهائي. في كثير من الأحيان ، يتم وضع الأقمار الصناعية بدلاً من ذلك في مدار نقل Transfer Orbit : وهو مدار يسمح للقمر الصناعي أو المركبة الفضائية الانتقال من مدار إلى آخر أعلي باستخدام طاقة قليلة نسبيًا من المحركات المدمجة بالقمر .

 

يسمح ذلك للقمر الصناعي بالوصول ، على سبيل المثال ، إلى مدار على ارتفاع عالٍ مثل المدار الثابت بالنسبة للأرض (GEO) دون الحاجة فعليًا إلى مركبة الإطلاق للذهاب إلى هذا الارتفاع ، والذي يتطلب المزيد من الجهد – وهذا يشبه اتخاذ طريق مختصر. يعد الوصول إلى المدار الأرضي الثابت GEO بهذه الطريقة مثالاً واضحاً على أحد أكثر مدارات النقل استخداما وشيوعًا ، والذي يُسمى مدار النقل الثابت بالنسبة للأرض Geostationary Transfer Orbit (GTO) .

 

المدارات لها قيم مختلفة للإنحراف المداري Eccentricities – هو عبارة عن مقياس لأي مدي يكون المدار أقرب إلي الدائرة Circular (دائري) أو بيضاوي إهليلجي Elliptical (مضغوط Squashed) . ففي مدار دائري تمامًا ، يكون القمر الصناعي دائمًا على نفس المسافة من سطح الأرض ، بينما في مدار شديد الانحراف ، يبدو المسار وكأنه قطع ناقص Ellipse .

 

في مدار شديد الانحراف ، يمكن للقمر الصناعي أن ينتقل بسرعة من كونه بعيدًا جدًا إلى قريب جدًا من سطح الأرض اعتمادًا على مكان القمر الصناعي في المدار الإهليلجي. في مدارات النقل Transfer Orbits ، تستخدم الحمولة محركات للانتقال من مدار له انحراف إلى مدار آخر ، مما يضعه على المسار الصحيح نحو مدارات أعلى أو أقل.

 

بعد الإقلاع ، تشق مركبة الإطلاق طريقها إلى الفضاء متبعة المسار الموضح بالخط الأصفر ، في الشكل. عند نقطة مستهدفة ، يحرر الصاروخ الحمولة ويتركها لتنطلق في مدار بيضاوي Elliptical Orbit الشكل ، متتبعًا الخط الأزرق الذي يرسل الحمولة بعيدًا عن الأرض. النقطة الأبعد عن الأرض لهذا المدار البيضاوي الأزرق تسمى نقطة الأوج Apogee والنقطة الأقرب تسمى نقطة الحضيض Perigee .

 

عندما تصل الحمولة إلى نقطة الأوج Apogee عند ارتفاع المدار الثابت للأرض GEO البالغ 35786 كم ، فإنها تُشعل محركاتها بطريقة تدخل في المدار الثابت للأرض GEO الدائري وتبقى هناك ، كما هو موضح بالخط الأحمر في الرسم التخطيطي. بذلك ، وعلى وجه التحديد في الرسم التوضيحي ، يكون مدار النقل الثابت بالنسبة للأرض GTO هو المسار الأزرق الواصل بين المدار الأصفر و المدار الأحمر.

.

نقاط لاجرانج Lagrange Points (L-points)

 

يدور تلسكوب Gaia التابع لوكالة الفضاء الأوروبية حول نقطة لاجرانج L-point . تتواجد النقطة بالضبط خلف الأرض ، لذلك في هذه المرحلة ستكون Gaia في ظل الأرض وغير قادرة على استقبال ضوء الشمس اللازم لتشغيل الألواح الشمسية. كل بضع سنوات ، تستخدم التلسكوب Gaia محركاته لضبط موقعه من أجل الحفاظ على هذا المدار – الصورة ESA

 

بالنسبة للعديد من المركبات الفضائية التي يتم وضعها في المدار ، فإن الاقتراب الشديد من الأرض يمكن أن يعرقل مهمتها – حتى في المدارات الأبعد مثل المدار المتزامن مع الأرض GEO .

 

على سبيل المثال ، بالنسبة للمراصد الفضائية Space-Based Observatories والتلسكوبات الفضائية Space-Based Telescopes التي تتمثل مهمتها في تصوير الفضاء العميق والمظلم ، فإن التواجد بجوار الأرض أمر ضار للغاية لأن الأرض ينبعث منها وبشكل طبيعي كميات من الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء التي ستمنع التلسكوب من اكتشاف أي أضواء خافتة مثل المجرات البعيدة. لذا تصوير الفضاء المظلم باستخدام تلسكوب بجوار أرضنا المتوهجة سيكون ميئوسًا منه وسيشبه محاولة التقاط صور للنجوم من الأرض في وضح النهار.

 

تسمح نقاط لاجرانج أو L-Points بمدارات أبعد بكثير (أكثر من مليون كيلومتر) ولا تدور حول الأرض مباشرة. هي نقاط محددة وبعيدة في الفضاء حيث تمتزج مجالات الجاذبية لكل من الأرض والشمس بطريقة تجعل المركبات الفضائية التي تدور حولها تظل مستقرة وبالتالي يمكن أن تكون “راسية Anchored” إلى الأرض بشكل نسبي. إذا تم إطلاق مركبة فضائية إلى نقاط أخرى في الفضاء بعيدة جدًا عن الأرض ، فسوف تسقط بشكل طبيعي في مدار حول الشمس ، وسرعان ما ستتحرك تلك المركبات الفضائية بعيدًا عن الأرض ، مما يجعل الاتصال صعبًا. بدلاً من ذلك ، تظل المركبات الفضائية التي تم إطلاقها إلى هذه النقاط الخاصة L-points ثابتة ، وتبقى قريبة من الأرض بأقل جهد ممكن دون الدخول في مدار مختلف.

 

أكثر نقاط لاجرانج L-points استخدامًا هما النقطتان L1 و L2 . كلاهما يبعدان عن الأرض بأربعة أضعاف المسافة عن القمر – 1.5 مليون كيلومتر ، مقارنة بـ 36000 كيلومتر ارتفاع المدار الثابت للأرض GEO ، لكن ذلك لا يزال حوالي 1 ٪ فقط من المسافة بين الأرض والشمس.

 

العديد من بعثات الرصد والبعثات العلمية التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ، دخلت أو تدخل الآن أو ستدخل في المستقبل في مدار حول نقاط لاجرانج L-points . على سبيل المثال :

 

• التلسكوب الشمسي SOHO and LISA Pathfinder عند نقطة لاجرانج Sun-Earth L1 point .

 

• كلا من Herschel, Planck, Gaia, Euclid, Plato, Ariel, JWST, and the Athena telescope دخلت أو ستدخل إلي مدار عند نقطة لاجرانج Sun-Earth L2 point .

.

شارك بتعليق أسفل المقالة

ترجمة وإعداد: م/ عبد المجيد أمين الجندي

.

المصادر

 

1- Types of orbits – ESA

*

 

• وحدات منظومة إسبريت ESPRIT في البوابة القمرية

.

• هوائي شريط القياس Tape Measure Antenna للأقمار المكعبة

.

• مكعبات الجيب تقدم الكثير للتقدم العلمي

.

• كتاب : المركبة الفضائية الروسية المأهولة سويوز إم إس Soyuz MS

.

 

• المدارات Orbits الفضائية وأنواعها

.

• المستوى المداري Orbital Plane

.

• العقد المدارية Orbital Nodes

.

• مدار نقطة الاهتزاز Libration Point Orbit (LPO)

.

• ما المقصود بكلمة Cislunar ؟

.

• المسار الأرضي لمدار القمر الصناعي Satellite ground track

.

• ماذا تعرف عن عملية تعديل مدار المحطة الفضائية الدولية ISS Orbit Adjustment ؟

.

• التحكم في الوضعية Attitude Control

.

• مستشعرات التحكم في الوضعية – الكاميرا النجمية Star Camera

.

• معني كلمة Cislunar

.

• الانزلاق المعزز Boost-glide

.

• تتبع موعد مرور محطة الفضاء الدولية ISS في السماء