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

.

نقاط لاجرانج Lagrange Points (L-points)

 

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.

 

مكتشف نقاط لاجرانج الثلاث الأولى هو ليونارد أولر Leonhard Euler ورغم ذلك لم تسمّ باسمه، وبعد ذلك اكتشف عالم الرياضيات الفرنسي جوزيف لويس لاجرانج Joseph-Louis Lagrange النقطتين التاليتين.

 

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 . م(1)

.

مدار الهالة Halo Orbit

 

مدار الهالة Halo Orbit هو مدار دوري Periodic ثلاثي الأبعاد بالقرب من إحدى نقاط لاجرانج Lagrange Points الثلاث L1 أو L2 أو L3 في مشكلة الأجسام الثلاثة Three-Body Problem للميكانيكا المدارية Orbital Mechanics . على الرغم من أن نقطة لاجرانج Lagrange Point هي مجرد نقطة في الفضاء الفارغ ، إلا أن صفتها المميزة هي أنه يمكن أن الدوران حولها في مدار من نوع مدار ليساجوس Lissajous Orbit أو مدار هالة Halo Orbit . يمكن اعتبار هذه ناتجة عن التفاعل بين قوة الجاذبية Gravitational Pull بين جسمين كوكبيين Planetary Bodies من ناحية و قوة كوريوليس وقوة الطرد المركزي Coriolis and Centrifugal Force على مركبة فضائية من ناحية أخري. تتواجد مدارات الهالة Halo Orbits في أي نظام ثلاثي الأجسام Three-Body System ، على سبيل المثال ، نظام أقمار صناعية تدور حول الشمس والأرض Sun–Earth–Orbiting Satellite System أو نظام أقمار صناعية الذي تدور حول الأرض والقمر Earth–Moon–Orbiting Satellite System . توجد “عائلات” مستمرة لكل من مدارات الهالة الشمالية Northern Halo Orbits والجنوبية Southern Halo Orbits عند كل نقطة من نقاط لاجرانج. نظرًا لأن مدارات الهالة تميل إلى أن تكون غير مستقرة ، فقد يلزم القيام بعملية حفظ المحطة Stationkeeping للإبقاء القمر الصناعي في المدار. م(3)

 

معظم الأقمار الصناعية المتواجدة في مدار هالة Halo Orbit تخدم أغراضًا علمية ، مثل التلسكوبات الفضائية Space Telescopes . م(3)

.

التعريف والتاريخ Definition and History

 

استخدم روبرت فاركوهار Robert W. Farquhar اسم “هالو Halo أو الهالة” لأول مرة في عام 1966 لمدارات حول نقطة لاجرانج L2 والتي كانت تدور بشكل دوري باستخدام الدافعات Thrusters . دعا فاركوهار Farquhar إلى استخدام المركبات الفضائية في مثل هذا المدار وراء القمر (نقطة لاجرانج الأرض-القمر Earth–Moon L2) كمحطة ترحيل اتصالات Communications Relay Station لمهمة أبولو Apollo المتجهة إلى الجانب البعيد Far Side من القمر. ستكون المركبة الفضائية في مثل هذا المدار مرئية بشكل مستمر لكل من الأرض والجانب البعيد من القمر ، في حين أن مدار ليساجوس Lissajous Orbit سيجعل المركبة الفضائية تتجه وراء القمر في بعض الأحيان. في النهاية ، لم يتم إطلاق أي قمر صناعي مرحل Relay Satellite لمهمة أبولو ، نظرًا لأن جميع عمليات الهبوط كانت على الجانب القريب Near Side من القمر. م(3)

 

في عام 1973 م، اكتشف فاركوهار Farquhar وأحمد كامل Ahmed Kamel أنه عندما تكون السعة أو القمة داخل المستوي المداري In-Plane Amplitude لمدار ليساجوس Lissajous Orbit كبيرة بما يكفي ، فسيكون هناك اتساع مماثل خارج المستوي المداري Out-of-Plane Amplitude وسيكون له نفس الفترة Period ، لذلك تحول إلي مدار ليساجوس Lissajous Orbit وأصبح أصبح تقريبا قطع ناقص Ellipse . استخدموا التعبيرات التحليلية لتمثيل مدارات الهالة Halo Orbits هذه ؛ في عام 1984 م، أوضحت كاثلين هويل Kathleen Howell أنه يمكن حساب مسارات Trajectories أكثر دقة عدديًا Numerically . بالإضافة إلى ذلك ، وجدت أنه بالنسبة لمعظم قيم النسبة بين كتلتي الجسمين (مثل الأرض والقمر) ، كان هناك نطاق Range من المدارات المستقرة Stable Orbits . م(3)

 

كانت المهمة الأولى لاستخدام مدار الهالة Halo Orbit هي ISEE-3 ، وهي مركبة فضائية مشتركة بين وكالة الفضاء الأوروبية ESA ووكالة ناسا NASA أطلقت في عام 1978 م. وسافرت إلى نقطة لاجرانج الشمس-الأرض Sun–Earth L1 وبقيت هناك لعدة سنوات. كانت المهمة التالية لاستخدام مدار الهالة Halo Orbit هي المرصد الشمسي والهيليوسفير Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) ، وهي أيضًا مهمة مشتركة بين وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة ناسا لدراسة الشمس ، والتي وصلت إلى نقطة لاجرانج الشمس-الأرض Sun-Earth L1 في عام 1996 م. واستخدمت مدارًا مشابهًا لـمدار المركبة الفضائية ISEE-3 . على الرغم من أن العديد من البعثات الأخرى قد سافرت منذ ذلك الحين إلى نقاط لاجرانج ، إلا أنها (على سبيل المثال ، مرصد جايا الفلكي الفضائي Gaia Astrometric Space Observatory) عادةً ما تستخدم الاختلافات غير الدورية Non-Periodic Variations ذات الصلة التي تسمى مدارات ليساجوس بدلاً من مدار الهالة الفعلي. م(3)

 

في مايو 2018 م، تحققت فكرة فاركوهار الأصلية أخيرًا عندما وضعت الصين أول قمر صناعي لترحيل الاتصالات ، كويكياو Queqiao ، في مدار الهالة حول نقطة الأرض-القمر Earth-Moon L2 . في يوم 03 يناير 2019 م، هبطت المركبة الفضائية تشانجي Chang’e 4 في فوهة فون كارمان Von Kármán على الجانب البعيد من القمر ، باستخدام القمر الصناعي المرحل كويكياو Queqiao للتواصل مع الأرض.

 

دخل تلسكوب جيمس ويب الفضائي James Webb Space Telescope في مدار الهالة حول نقطة الشمس-الأرض Sun-Earth L2 في يوم 24 يناير 2022 م. م(3)

.

مدار الهالة القريبة من الخط المستقيم Near-Rectilinear Halo Orbit (NRHO)

 

مدار الهالة القريبة من الخط المستقيم Near-Rectilinear Halo Orbit (NRHO) هو عبارة عن مدار شديد الميل Highly Inclined Orbit حول القمر ويعتبر في الفضاء القمري القمري Cislunar Space . كلمة Cislunar هي كلمة لاتينية تعني “على هذا الجانب من القمر On This Side of The Moon” وتشير عمومًا إلى الحجم أو المنطقة الواقعة بين الأرض والقمر. الفضاء مابين الأرض والقمر Cislunar يتضمن كلا من المدار الأرضي المنخفض LEO ، المدار الأرضي المتوسط Medium Earth Orbit ، المدار الأرضي الثابت GEO ، بالإضافة إلى المدارات الأخرى ، مثل المدار القمري المنخفض Low Lunar Orbit و مدار الهالة القريبة من الخط المستقيم Near-Rectilinear Halo Orbit (NRHO) ، وهو المدار الذي تم اختياره للبوابة القمرية Gateway .

 

مدار الهالة القريبة من الخط المستقيم NRHO عبارة عن دورة مدتها سبعة أيام Seven-Day Cycle ، تأخذ البوابة Gateway إلي أقرب مسافة تصل إلي حوالي 1600 كيلومتر (1،000 ميل) وأبعد مسافة تصل إلى 68260 كيلومترًا (42415 ميلًا) من سطح القمر. وبالتالي ، كل سبعة أيام تقريبًا ، يمكن لمركبة الهبوط القمرية مغادرة البوابة Gateway للسفر إلى سطح القمر. لكي تتمكن البوابة القمرية من أن تجلس في مدار الهالة Halo Orbit هذا ، تمامًا كما وكأنها مثبتة في مكانها بفعل جاذبية الأرض والقمر ، فإنها تتطلب القليل من الطاقة لما يسمي بحفظ المحطة Stationkeeping أو للمناورة Maneuver في مدارات أخرى تحت قمرية Cislunar Orbits . يُطلق على المدار مدار “الهالة Halo” لأن المدار المتعقب Tracked Orbit يشبه الهالة Halo حول القمر. م(4)

.

مدارات أخرى تحت قمرية Cislunar Orbits – الصورة Maxar .

 

مدار عائلة L2 (يظهر باللون الأخضر في الصورة السابقة) هو المدار الأساسي الذي ستستخدمه البوابة. القطب الجنوبي South Pole للقمر هو المنطقة الأساسية التي تهم البعثات المستقبلية الأولية إلى سطح القمر بسبب وجود كميات كبيرة من الجليد المائي في الحفر والفوهات Craters المظللة. مع مدار موجه نحو الجنوب Southern-Oriented Orbit ، تقضي المركبة الفضائية الغالبية العظمى من وقتها فوق المناطق الجنوبية ، مما يسمح بالمزيد من الاتصالات المستمرة مع الأجسام القريبة من القطب الجنوبي ، فضلاً عن السماح للبوابة بالعمل بمثابة مرحل اتصالات لرواد الفضاء على سطح القمر للتواصل مع مركز مراقبة المهمة علي الأرض Earth Mission Control . تقع فوهة شاكلتون Shackleton Crater في المنطقة الجنوبية من القمر وهي مرشحة وبقوي لمهام الهبوط المستقبلية إلى حافة الفوهة. م(4)

.

ترجمة وإعداد: م/ عبدالمجيد أمين الجندي

 

هذا المقال ضمن الجزء الأول من كتاب: كتاب : الأقمار الصناعية Satellites من التصنيع والإطلاق إلي الإنزال – الجزء الأول .

.

مراجع

 

1- Types of orbits – ESA

2- Basics of Space Flight – Section 1: Environment, Chapter 5: Planetary Orbits – NASA

3- Halo orbit – Wikipedia

4- What Are Cislunar Space and Near Rectilinear Halo Orbits? – Maxar

*

 

• 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

.

 

• مدار نقطة الاهتزاز Libration Point Orbit (LPO)

.

• المدارات Orbits الفضائية وأنواعها

.

• المستوى المداري Orbital Plane

.

• العقد المدارية Orbital Nodes

.

• 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