مدار مولنيا

مدار مولنيا ( بالروسية : Молния ، IPA : [ ˈmoɫnʲɪjə ]^{مدار "البرق" (ⓘ} ) هو نوع منمداراتمصمم لتوفير تغطية الاتصالاتوالاستشعار عن بُعدفيخطوط العرض. وهومدار بيضاوي الشكل للغاية،بزاويةميل63.4درجة،وحجة حضيضتبلغ 270 درجة،وفترة مداريةتقارب نصفيوم فلكي. ^{[ 1 ]} يُستمد الاسم من أقمار مولنيا الصناعية ، وهي سلسلة منأقمار الاتصالاتالمدنية والعسكريةالسوفيتية/الروسيةالتي استخدمت هذا النوع من المدارات منذ منتصف الستينيات. ومن بين أنواع مدارات مولنيا، مدار الأوج الثلاثي، الذي تبلغ فترته ثلثيوم فلكي.

يتميز مدار مولنيا بفترة استقرار طويلة فوق نصف الكرة الأرضية المستهدف، بينما يتحرك بسرعة فائقة فوق النصف الآخر. عمليًا، يضعه هذا المدار فوق روسيا أو كندا في معظم فترات دورانه، مما يوفر زاوية رؤية عالية لأقمار الاتصالات والمراقبة التي تغطي هذه المناطق ذات خطوط العرض العالية. أما المدارات الثابتة بالنسبة للأرض ، والتي تميل بالضرورة فوق خط الاستواء ، فلا يمكنها رؤية هذه المناطق إلا من زاوية منخفضة، مما يعيق الأداء. عمليًا، يؤدي القمر الصناعي في مدار مولنيا نفس الغرض بالنسبة لخطوط العرض العالية الذي يؤديه القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض بالنسبة للمناطق الاستوائية، باستثناء أنه يتطلب وجود عدة أقمار صناعية للتغطية المستمرة. ^{[ 2 ]}

تم استخدام الأقمار الصناعية الموضوعة في مدارات مولنيا لأغراض البث التلفزيوني والاتصالات السلكية واللاسلكية والاتصالات العسكرية وإعادة البث ومراقبة الطقس وأنظمة الإنذار المبكر وأغراض المراقبة السرية.

اكتشف علماء سوفييت مدار مولنيا في ستينيات القرن الماضي كبديل للاتصالات في خطوط العرض العليا عن المدارات الثابتة بالنسبة للأرض ، والتي تتطلب طاقات إطلاق عالية للوصول إلى نقطة الحضيض العالية وتغيير ميل المدار ليدور فوق خط الاستواء (خاصة عند الإطلاق من خطوط العرض الروسية). ونتيجة لذلك، سعى مكتب التصميم OKB-1 إلى إيجاد مدار أقل استهلاكًا للطاقة. ^{[ 3 ]} وقد أظهرت الدراسات أنه يمكن تحقيق ذلك باستخدام مدار بيضاوي الشكل للغاية مع نقطة أوج فوق الأراضي الروسية. ^{[ 4 ]} ويشير اسم المدار إلى السرعة "الخاطفة" التي يمر بها القمر الصناعي عبر نقطة الحضيض. ^{[ 5 ]}

كان أول استخدام لمدار مولنيا من قِبل سلسلة أقمار الاتصالات التي تحمل الاسم نفسه . بعد فشل عمليتي إطلاق، وفشل قمر صناعي واحد عام 1964، أُطلق أول قمر صناعي ناجح يستخدم هذا المدار، وهو مولنيا 1-1، في 23 أبريل 1965. ^{[ 4 ] [ 6 ]} استُخدمت أقمار مولنيا-1 الأولى في البث التلفزيوني المدني، والاتصالات السلكية واللاسلكية، والاتصالات العسكرية بعيدة المدى، ولكنها زُوّدت أيضًا بكاميرات تُستخدم لرصد الأحوال الجوية، وربما لتقييم المناطق الخالية من العوائق لأقمار زينيت التجسسية . ^{[ 3 ] [ 7 ]} كان عمر أقمار مولنيا الأصلية حوالي 1.5 سنة، حيث كانت مداراتها تتعرض للاضطراب بسبب الاضطرابات ، وكان لا بد من استبدالها باستمرار. ^{[ 1 ]}

وفرت سلسلة الأقمار الصناعية اللاحقة، مولنيا-2، خدمات البث العسكري والمدني، واستُخدمت لإنشاء شبكة أوربيتا التلفزيونية التي غطت أرجاء الاتحاد السوفيتي. ثم استُبدلت هذه الأقمار بتصميم مولنيا-3. ^{[ 4 ]} صُمم قمر صناعي يُدعى ماياك لتكملة أقمار مولنيا واستبدالها في عام 1997، ولكن أُلغي المشروع، ^{[ 8 ]} واستُبدلت مولنيا-3 بأقمار ميريديان الصناعية، التي أُطلق أولها في عام 2006. ^{[ 9 ]} أُطلقت أقمار الإنذار المبكر السوفيتية يو إس-كيه ، التي ترصد عمليات إطلاق الصواريخ الأمريكية، في مدارات مولنيا منذ عام 1967، كجزء من نظام أوكو . ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

ابتداءً من عام 1971، أُطلقت الأقمار الصناعية العسكرية الأمريكية "جامب سيت" و "ترومبيت" إلى مدارات "مولنيا" (وربما استُخدمت لاعتراض الاتصالات السوفيتية الصادرة من أقمار "مولنيا" الصناعية). ولا تزال المعلومات التفصيلية حول كلا المشروعين سرية حتى عام 2019.[ ^{13 ]} تبع ذلك كوكبة الأقمار الصناعية الأمريكية SDS ، التي تعمل بمزيج من مدارات مولنيا والمدارات الثابتة بالنسبة للأرض. تُستخدم هذه الأقمار الصناعية لإعادة بث الإشارات من الأقمار الصناعية التي تحلق على ارتفاعات منخفضة إلى المحطات الأرضية في الولايات المتحدة، وهي نشطة بشكل أو بآخر منذ عام 1976. ^{[ 14 ] صُممت} كوكبة أقمار صناعية روسية تُسمى تيولبان في عام 1994 لدعم الاتصالات في خطوط العرض العليا، لكنها لم تتجاوز مرحلة التخطيط. ^{[ 8 ]}

في عامي 2015 و2017، أطلقت روسيا قمرين صناعيين من طراز تندرا إلى مدار مولنيا، على الرغم من اسمهما ، وذلك كجزء من نظام الإنذار المبكر EKS . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

رسوم متحركة لـ EKS

منظر استوائي

عرض قطبي

إطار ثابت للأرض ، منظر أمامي

إطار ثابت على الأرض ، منظر جانبي

  كوزموس 2510 · كوزموس 2518 · كوزموس 2541 · كوزموس 2546 · الأرض            

تقع معظم أراضي الاتحاد السوفيتي السابق ، وروسيا على وجه الخصوص، عند خطوط العرض الشمالية العليا. ويتطلب البث إلى هذه المناطق من مدار ثابت بالنسبة للأرض (فوق خط استواء الأرض ) طاقة كبيرة نظرًا لانخفاض زوايا الارتفاع ، والمسافة الإضافية، والتوهين الجوي المصاحب لها. ولا تستطيع المواقع الواقعة فوق خط عرض 81 درجة استقبال الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض على الإطلاق، وكقاعدة عامة، قد تُسبب زوايا الارتفاع الأقل من 10 درجات مشاكل، وذلك بحسب تردد الاتصالات. ^{[ 2 ] : 499 [ 18 ]}

يُعدّ القمر الصناعي في مدار مولنيا أكثر ملاءمةً للاتصالات في هذه المناطق، لأنه يُطلّ عليها مباشرةً خلال أجزاء كبيرة من مداره. وبارتفاع يصل إلى 40,000 كيلومتر (25,000 ميل) ونقطة أوج فرعية عند 63.4 درجة شمالاً، فإنه يقضي جزءًا كبيرًا من مداره برؤية ممتازة في نصف الكرة الشمالي، من روسيا وكذلك من شمال أوروبا وغرينلاند وكندا. ^{[ 2 ]} 

بينما تتطلب الأقمار الصناعية في مدارات مولنيا طاقة إطلاق أقل بكثير من تلك الموجودة في المدارات الثابتة بالنسبة للأرض (خاصةً عند الإطلاق من خطوط العرض العليا)، ^{[ 4 ]} فإن محطاتها الأرضية تحتاج إلى هوائيات قابلة للتوجيه لتتبع المركبة الفضائية، ويجب تبديل الروابط بين الأقمار الصناعية في الكوكبة، وتؤدي تغيرات المدى إلى اختلافات في سعة الإشارة. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة أكبر للحفاظ على الموقع ، ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} وستمر المركبة الفضائية عبر حزام فان ألين الإشعاعي أربع مرات يوميًا. ^{[ 22 ]}

الرسوم البيانية

• 
  الشكل 4: كوكبة من ثلاث مركبات فضائية من طراز مولنيا تُقدّم خدماتها لنصف الكرة الشمالي. P هي الفترة المدارية. الخط الأخضر يُمثّل الخدمة المُقدّمة لآسيا وأوروبا، كما هو موضح في الأشكال من 6 إلى 8. الخط الأحمر يُمثّل الخدمة المُقدّمة لأمريكا الشمالية، كما هو موضح في الأشكال من 9 إلى 11.
• 
  الشكل 5: مناطق الإضاءة (بارتفاع لا يقل عن 10 درجات) من مدار مولنيا. عند نقطة الأوج، تُطبّق منطقة الإضاءة الخضراء. قبل الأوج بثلاث ساعات أو بعده بثلاث ساعات، تُطبّق المنطقة الحمراء. قبل الأوج بأربع ساعات أو بعده بأربع ساعات، تُطبّق المنطقة الزرقاء. يُمثّل مستوى الشكل المستوى الطولي للأوج الذي يدور مع الأرض. خلال فترة الثماني ساعات التي تتمركز عند مرور الأوج، يكون المستوى الطولي ثابتًا تقريبًا، حيث لا يتغير خط طول القمر الصناعي إلا بمقدار ±2.7 درجة. تُعرض مناظر الأرض من هذه النقاط الثلاث في الأشكال من 6 إلى 11.
• 
  الشكل 6: منظر للأرض قبل أربع ساعات من نقطة الأوج من مدار مولنيا بافتراض أن خط طول الأوج هو 90 درجة  شرقًا. المركبة الفضائية على ارتفاع 24043  كم فوق النقطة 92.65 درجة  شرقًا 47.04 درجة  شمالًا.
• 
  الشكل 7: منظر للأرض من نقطة الأوج في مدار مولنيا بافتراض أن خط طول الأوج هو 90 درجة  شرقًا. المركبة الفضائية على ارتفاع 39867  كم فوق النقطة 90 درجة  شرقًا 63.43 درجة  شمالًا.
• 
  الشكل 8: منظر للأرض بعد أربع ساعات من بلوغها نقطة الأوج من مدار مولنيا، بافتراض أن خط طول الأوج هو 90 درجة شرقًا. المركبة الفضائية على ارتفاع 24,043  كم فوق النقطة 87.35 درجة  شرقًا 47.04 درجة  شمالًا
• 
  الشكل 9: منظر للأرض قبل أربع ساعات من نقطة الأوج من مدار مولنيا بافتراض أن خط طول الأوج هو 90 درجة  غربًا. المركبة الفضائية على ارتفاع 24043  كم فوق النقطة 87.35 درجة  غربًا 47.04 درجة  شمالًا.
• 
  الشكل 10: منظر للأرض من نقطة الأوج في مدار مولنيا بافتراض أن خط طول نقطة الأوج هو 90 درجة  غربًا. المركبة الفضائية على ارتفاع 39867  كم فوق النقطة 90 درجة  غربًا 63.43 درجة  شمالًا.
• 
  الشكل 11: منظر للأرض بعد 4 ساعات من نقطة الأوج من مدار مولنيا بافتراض أن خط طول الأوج هو 90 درجة  غربًا. المركبة الفضائية على ارتفاع 24043  كم فوق النقطة 92.65 درجة  غربًا 47.04 درجة  شمالًا.

مقارنة بين مدارات تندرا ، وكيو زد إس إس، ومولنيا - منظر استوائي

المنظر الأمامي

منظر جانبي

إطار ثابت على الأرض ، منظر أمامي

إطار ثابت على الأرض ، منظر جانبي

  مدار التندرا · مدار QZSS · مدار مولنيا · الأرض         

يتميز مدار مولنيا النموذجي بالخصائص التالية:

• زاوية الحضيض: 270 درجة
• الميل: 63.4 درجة ^{[ 20 ]}
• المدة: 718 دقيقة ^{[ 1 ]}
• الغرابة: 0.74
• المحور شبه الرئيسي : 26600 كم (16500 ميل)  

ميل المدار

بشكل عام، يؤثر تفلطح الأرض على حجة نقطة الحضيض (${\displaystyle \omega }$بحيث يتغير تدريجياً مع مرور الوقت. إذا أخذنا في الاعتبار معامل الدرجة الأولى فقط${\displaystyle J_{2}}$، ستتغير نقطة الحضيض وفقًا للمعادلة 1 ، ما لم يتم تصحيحها باستمرار باستخدام عمليات احتراق الدفع للحفاظ على الموقع.

${\displaystyle {\dot {\omega }}={\frac {3}{4}}\cdot nJ_{2}\cdot \left({\frac {R_{E}}{a}}\right)^{2}{\frac {4-5\sin ^{2}{i}}{(1-e^{2})^{2}}}}$

1

أين${\displaystyle i}$هو ميل المدار،${\displaystyle e}$إنها الغرابة،${\displaystyle n}$متوسط ​​الحركة بالدرجات في اليوم،${\displaystyle J_{2}}$هو العامل المزعج،${\displaystyle R_{E}}$نصف قطر الأرض،${\displaystyle a}$هو المحور شبه الرئيسي، و${\displaystyle {\dot {\أوميغا }}}$يتم قياسها بالدرجات في اليوم.

ولتجنب هذا الاستهلاك للوقود، يستخدم مدار مولنيا ميلًا قدره 63.4 درجة، وهو ما يمثل العامل${\displaystyle 4-5\sin ^{2}{i}}$يساوي صفرًا، بحيث لا يحدث أي تغيير في موضع الحضيض بمرور الوقت. ^{[ 20 ] [ 19 ] : 143} يُطلق على المدار المصمم بهذه الطريقة اسم المدار المجمد .

الفترة المدارية

لضمان تكرار الهندسة بالنسبة للمحطات الأرضية كل 24 ساعة، يجب أن تكون الفترة حوالي نصف يوم فلكي ، مع الحفاظ على خطوط طول الأوج ثابتة.

ومع ذلك، فإن تفلطح الأرض يؤثر أيضًا على الصعود المستقيم للعقدة الصاعدة ($أوميغا$)، مما يؤدي إلى تغيير الفترة العقدية والتسبب في انحراف المسار الأرضي بمرور الوقت بالمعدل الموضح في المعادلة 2 .

${\displaystyle {\dot {\Omega }}=-{\frac {3}{2}}\cdot nJ_{2}\cdot \left({\frac {R_{E}}{a}}\right)^{2}{\frac {\cos {i}}{(1-e^{2})^{2}}}}$

2

أين${\displaystyle {\dot {\أوميغا }}}$تُقاس بالدرجات في اليوم. ^{[ 19 ] : 143}

بما أن ميل مدار مولنيا ثابت (كما سبق)، فإن هذا الاضطراب${\displaystyle {\dot {\Omega }}=-0.3}$درجات في اليوم. وللتعويض عن ذلك، يتم تعديل الفترة المدارية بحيث يتغير خط طول الأوج بما يكفي لإلغاء هذا التأثير. ^{[ 20 ]}

لتتبع الأقمار الصناعية باستخدام مدارات مولنيا، يستخدم العلماء نموذج الاضطرابات المبسطة SDP4 ، الذي يحسب موقع القمر الصناعي بناءً على شكل المدار، والسحب، والإشعاع، وتأثيرات الجاذبية من الشمس والقمر، ومعاملات الرنين الأرضي. ^{[ 29 ]}

• قائمة المدارات
• مدار التندرا

• رسم توضيحي لهندسة الاتصالات التي توفرها الأقمار الصناعية في مدارات مولنيا التي تستغرق 12 ساعة (فيديو)