مدار النقل الثابت بالنسبة للأرض

مثال على مناورة رفع المدار: الانتقال من المدار الجغرافي الثابت بالنسبة للأرض إلى المدار الجغرافي الثابت بالنسبة للأرض. مسار إيكوستار 17 · الأرض .     

في تصميم مهمات الفضاء، يُعد مدار النقل الثابت بالنسبة للأرض ( GTO ) أو مدار النقل المتزامن مع الأرض نوعًا من المدارات الإهليلجية للغاية التي تتمركز حول الأرض ، وعادةً ما يكون حضيضه منخفضًا مثل مدار الأرض المنخفض (LEO) وأوجّهه مرتفعًا مثل مدار الأرض الثابت بالنسبة للأرض (GEO). غالبًا ما تُوضع الأقمار الصناعية المُخصصة لمدار الأرض المتزامن مع الأرض (GSO) أو مدار الأرض الثابت بالنسبة للأرض (GEO) في مدار النقل الثابت بالنسبة للأرض (GTO) كخطوة وسيطة للوصول إلى مدارها النهائي. ^{[ 1 ]} وكثيرًا ما يُعلن مُصنّعو مركبات الإطلاق عن مقدار الحمولة التي يُمكن للمركبة وضعها في مدار النقل الثابت بالنسبة للأرض (GTO). ^{[ 2 ]}

تُعدّ المدارات الثابتة بالنسبة للأرض والمتزامنة معها مرغوبة للغاية للعديد من أقمار الاتصالات ورصد الأرض . مع ذلك، فإنّ تكلفة تغيير السرعة ( دلتا-في) ، وبالتالي التكلفة المالية، لإرسال مركبة فضائية إلى هذه المدارات مرتفعة للغاية نظرًا لنصف قطرها المداري الكبير. يُستخدم مدار GTO كمدار وسيط لجعل هذه العملية أكثر كفاءة. غالبًا ما يستخدم مشغلو الأقمار الصناعية مركبة إطلاق ذات دفع عالٍ وكفاءة منخفضة لوضع قمرهم الصناعي في مدار GTO، ثم بعد فصل مركبة الإطلاق، يستخدمون محركات دفع منخفضة الدفع وعالية الكفاءة على متن القمر الصناعي نفسه لتحويل مداره إلى مدار دائري (إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض). يُعدّ تصميم هذه المهمة مفيدًا لأنه يُقلّل من الكتلة التي يجب أن تدفعها المركبة الفضائية إلى مدار GEO، ويسمح بعمليات تحويل المدار إلى مدار دائري بأقصى كفاءة مستفيدًا من تأثير أوبرث ، كما يسمح لمركبة الإطلاق المستهلكة بالخروج من المدار بشكل أساسي من خلال الكبح الهوائي نظرًا لانخفاض نقطة الحضيض، مما يُقلّل من عمرها المداري .

مدار النقل المتزامن مع الأرض (GTO) هو مدار بيضاوي الشكل للغاية حول الأرض، حيث تبلغ نقطة الأوج (أبعد نقطة في مدار القمر أو القمر الصناعي عن الأرض) 42,164 كم (26,199 ميلًا) ، ^{[ 3 ]} أو ارتفاع 35,786 كم (22,236 ميلًا) فوق مستوى سطح البحر، وهو ما يتوافق مع ارتفاع المدار الثابت بالنسبة للأرض. تبلغ مدة مدار النقل المتزامن مع الأرض القياسي حوالي 10.5 ساعات. ^{[ 4 ]} ويُقصد بنقطة الحضيض أن نقطة الأوج تقع على خط الاستواء أو بالقرب منه. يمكن أن يكون الحضيض في أي مكان فوق الغلاف الجوي، ولكنه عادةً ما يقتصر على بضع مئات من الكيلومترات فوق سطح الأرض لتقليل تغير السرعة (دلتا-في) للمُطلق.    ${\displaystyle \Delta V}$) المتطلبات والحد من العمر المداري للمعزز المستهلك من أجل تقليل النفايات الفضائية.

عند استخدام محركات ذات دفع منخفض، مثل الدفع الكهربائي، للانتقال من مدار النقل إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض، يمكن أن يكون مدار النقل فوق التزامن (أي أن أوج مداره أعلى من مدار التزامن النهائي). مع ذلك، تستغرق هذه الطريقة وقتًا أطول بكثير نظرًا لانخفاض الدفع المُستخدم في المدار. ^{[ 5 ] [ 6 ]} عادةً ما تُطلق المركبة الفضائية القمر الصناعي إلى مدار فوق التزامن، حيث يكون أوج مداره أعلى من 42,164  كيلومترًا. وتُدفع محركات القمر الصناعي ذات الدفع المنخفض باستمرار حول مدارات النقل الثابتة بالنسبة للأرض. ويُحدد اتجاه الدفع وقيمته عادةً لتحسين وقت النقل و/أو مدته مع مراعاة متطلبات المهمة. يُستخدم مُركّب الدفع خارج مستوى المدار لتقليل الميل الأولي المحدد بواسطة مدار النقل الأولي، بينما يرفع مُركّب الدفع داخل مستوى المدار نقطة الحضيض ويخفض نقطة الأوج لمدار النقل الثابت بالنسبة للأرض الوسيط. في حالة استخدام مدار هوهمان الانتقالي، لا يتطلب الأمر سوى بضعة أيام للوصول إلى المدار المتزامن مع الأرض. أما باستخدام محركات الدفع المنخفض أو الدفع الكهربائي، فيستغرق الأمر شهورًا حتى يصل القمر الصناعي إلى مداره النهائي.

ميل مدار نظام النقل الجغرافي الثابت هو الزاوية بين مستوى المدار ومستوى خط استواء الأرض . ويُحدد هذا الميل بخط عرض موقع الإطلاق واتجاه الإطلاق . يجب أن يُخفَّض كلٌّ من الميل والانحراف المركزي إلى الصفر للحصول على مدار ثابت بالنسبة للأرض. إذا خُفِّض الانحراف المركزي للمدار فقط إلى الصفر، فقد ينتج مدار متزامن مع الأرض ولكنه لن يكون ثابتًا بالنسبة للأرض.${\displaystyle \Delta V}$إن ما هو مطلوب لتغيير المستوى يتناسب مع السرعة اللحظية، وعادة ما يتم تغيير الميل واللامركزية معًا في مناورة واحدة عند نقطة الأوج، حيث تكون السرعة في أدنى مستوياتها.

المطلوب${\displaystyle \Delta V}$يتم حساب تغير الميل عند العقدة الصاعدة أو الهابطة للمدار على النحو التالي: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle \Delta V=2V\sin {\frac {\Delta i}{2}}.}$

بالنسبة لمركبة مدارية نموذجية في مدار انتقالي ثابت بالنسبة للأرض (GTO) بنصف محور رئيسي يبلغ 24,582  كم، تبلغ سرعة الحضيض 9.88  كم/ث وسرعة الأوج 1.64  كم/ث، مما يجعل تغيير الميل المداري أقل تكلفة بكثير عند الأوج. عمليًا، يُدمج تغيير الميل المداري مع عملية تدوير المدار (أو " دفعة الأوج ") لتقليل التكلفة الإجمالية.${\displaystyle \Delta V}$للمناورتين. مجتمعتين${\displaystyle \Delta V}$هو المجموع الاتجاهي لتغير الميل${\displaystyle \Delta V}$والتدوير${\displaystyle \Delta V}$وبما أن مجموع طولي ضلعين من أضلاع المثلث سيتجاوز دائمًا طول الضلع المتبقي، فإن المجموع الكلي${\displaystyle \Delta V}$ستكون القوة في المناورة المركبة دائمًا أقل من القوة في مناورتين منفصلتين.${\displaystyle \Delta V}$يمكن حسابها على النحو التالي: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle \Delta V={\sqrt {V_{t,a}^{2}+V_{\text{GEO}}^{2}-2V_{t,a}V_{\text{GEO}}\cos \Delta i}},}$

أين${\displaystyle V_{t,a}}$تمثل قيمة السرعة عند نقطة الأوج في مدار النقل و${\displaystyle V_{\text{GEO}}}$هي السرعة في المدار الجغرافي الثابت.

حتى عند نقطة الأوج، قد يكون الوقود اللازم لخفض الميل إلى الصفر كبيرًا، مما يمنح مواقع الإطلاق الاستوائية ميزة كبيرة على تلك الموجودة عند خطوط العرض الأعلى. يقع مركز بايكونور الفضائي الروسي في كازاخستان عند خط عرض 46 درجة شمالًا. ويقع مركز كينيدي الفضائي في الولايات المتحدة عند خط عرض 28.5 درجة شمالًا. ويقع مركز ونتشانغ الصيني عند خط عرض 19.5 درجة شمالًا. ويقع مركز ساندفورد الفضائي الهندي عند خط عرض 13.7 درجة شمالًا. ويقع مركز غويانا الفضائي ، وهو منشأة إطلاق أريان الأوروبية وسويوز الروسية التي تشغلها أوروبا ، عند خط عرض 5 درجات شمالًا . أما صاروخ "سي لانش" المعلق إلى أجل غير مسمى، فقد انطلق من منصة عائمة مباشرة على خط الاستواء في المحيط الهادئ .

تصل الصواريخ المستهلكة عادةً إلى المدار الجغرافي الثابت مباشرةً، ولكن يمكن لمركبة فضائية موجودة بالفعل في مدار أرضي منخفض ( LEO ) أن تدخل المدار الجغرافي الثابت بإطلاق صاروخ على طول مسارها المداري لزيادة سرعتها. وقد تم ذلك عند إطلاق المركبات الفضائية الثابتة بالنسبة للأرض من مكوك الفضاء ؛ حيث يتم تشغيل "محرك دفع الحضيض" المتصل بالمركبة الفضائية بعد أن يطلقها المكوك ويتراجع إلى مسافة آمنة.

على الرغم من قدرة بعض الصواريخ الحاملة على إيصال حمولاتها إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض، فإن معظمها ينهي مهمته بإطلاق حمولاته في هذا المدار. وتتولى المركبة الفضائية ومشغلها مسؤولية المناورة للوصول إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض النهائي. وقد تستغرق هذه العملية، التي تستغرق خمس ساعات للوصول إلى أول نقطة أوج، مدة أطول من عمر بطارية الصاروخ الحامل أو المركبة الفضائية، ولذا تُنفذ المناورة أحيانًا عند نقطة أوج لاحقة أو تُوزع على عدة نقاط أوج. وتُستخدم الطاقة الشمسية المتوفرة على متن المركبة الفضائية لدعم المهمة بعد انفصالها عن الصاروخ الحامل. كما تحمل العديد من الصواريخ الحاملة حاليًا عدة أقمار صناعية في كل عملية إطلاق لتقليل التكاليف الإجمالية، مما يُبسط المهمة عندما تكون الحمولات مُوجهة إلى مواقع مدارية مختلفة.

وبسبب هذه الممارسة، عادة ما يتم تحديد سعة الإطلاق على أنها كتلة المركبة الفضائية إلى المدار الجغرافي الثابت، وسيكون هذا الرقم أعلى من الحمولة التي يمكن تسليمها مباشرة إلى المدار الجغرافي الثابت.

فعلى سبيل المثال، تبلغ سعة (كتلة المحول والمركبة الفضائية) صاروخ دلتا 4 الثقيل 14200  كجم إلى مدار النقل الجغرافي الثابت، أو 6750  كجم مباشرة إلى مدار النقل الجغرافي الثابت. ^{[ 2 ]}

إذا كان من المقرر تنفيذ المناورة من مدار النقل الجغرافي الثابت (GTO) إلى مدار الأرض الثابت (GEO) بدفعة واحدة، كما هو الحال مع محرك صاروخي صلب واحد، فيجب أن تحدث نقطة الأوج عند عبور خط الاستواء وعلى ارتفاع مدار متزامن. وهذا يعني أن زاوية الحضيض إما 0° أو 180°. ولأن زاوية الحضيض تتأثر ببطء بتفلطح الأرض ، فإنها عادةً ما تُعدّل عند الإطلاق لتصل إلى القيمة المطلوبة في الوقت المناسب (على سبيل المثال، عادةً ما تكون هذه هي نقطة الأوج السادسة في عمليات إطلاق صاروخ أريان 5 ^{[ 8 ]} ). إذا كان ميل مدار النقل الجغرافي الثابت (GTO) صفرًا، كما هو الحال مع نظام الإطلاق البحري (Sea Launch )، فإن هذا لا ينطبق. (كما أنه لا ينطبق على مدار نقل جغرافي ثابت (GTO) غير عملي مائل بزاوية 63.4°؛ انظر مدار مولنيا ).

ركز النقاش السابق بشكل أساسي على حالة الانتقال بين المدار الأرضي المنخفض (LEO) والمدار الأرضي الثابت (GEO) باستخدام مدار انتقالي وسيط واحد. تُستخدم أحيانًا مسارات أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، يستخدم صاروخ بروتون-إم ثلاث مدارات وسيطة، تتطلب خمس عمليات إطلاق للمرحلة العليا، لوضع قمر صناعي في المدار الأرضي الثابت من موقع بايكونور الفضائي ذي الميل العالي في كازاخستان . ^{[ 9 ]} نظرًا لموقع بايكونور على خط عرض مرتفع واعتبارات السلامة المتعلقة بالمدى التي تمنع عمليات الإطلاق مباشرة شرقًا، يتطلب نقل الأقمار الصناعية إلى المدار الأرضي الثابت استخدام مدار انتقالي فائق التزامن، حيث يكون الأوج (والمناورة لتقليل ميل المدار الانتقالي) على ارتفاع أعلى من 35,786  كم، وهو الارتفاع المتزامن مع الأرض. بل إن بروتون تُتيح إمكانية تنفيذ مناورة الأوج الفائق التزامن حتى 15 ساعة بعد الإطلاق. ^{[ 10 ]}

المدار الثابت بالنسبة للأرض هو نوع خاص من المدارات حول الأرض، حيث يدور القمر الصناعي حول الكوكب بنفس سرعة دوران الأرض. وهذا يعني أن القمر الصناعي يبدو ثابتًا بالنسبة لنقطة ثابتة على سطح الأرض. يقع المدار الثابت بالنسبة للأرض على ارتفاع حوالي 35,786 كيلومترًا (22,236 ميلًا) فوق خط استواء الأرض.

• الديناميكا الفلكية
• مدار أرضي منخفض
• قائمة المدارات
• علم الطيران