رحلات الفضاء المدارية

الرحلة الفضائية المدارية ( أو الرحلة المدارية ) هي رحلة فضائية تُوضع فيها مركبة فضائية على مسار يسمح لها بالبقاء في الفضاء لدورة واحدة على الأقل حول الأرض . وللقيام بذلك ، يجب أن تكون المركبة على مسار حرّ، وأن يكون ارتفاعها عند نقطة الحضيض (أقرب نقطة) حوالي 80 كيلومترًا (50 ميلًا) ؛ وهذا هو الحد الفاصل للفضاء كما حددته وكالة ناسا والقوات الجوية الأمريكية وإدارة الطيران الفيدرالية . ويتطلب البقاء في المدار على هذا الارتفاع سرعة مدارية تبلغ حوالي 7.8 كيلومترات في الثانية. وتكون السرعة المدارية أبطأ في المدارات الأعلى، ولكن الوصول إليها يتطلب تغييرًا أكبر في السرعة (دلتا-في) . وقد حدد الاتحاد الدولي للملاحة الجوية خط كارمان على ارتفاع 100 كيلومتر (62 ميلًا) كتعريف عملي للحدود الفاصلة بين الملاحة الجوية والملاحة الفضائية. يُستخدم هذا لأنه على ارتفاع حوالي 100 كيلومتر (62 ميلاً) ، كما حسب ثيودور فون كارمان ، سيتعين على المركبة أن تسافر بسرعة تفوق سرعة المدار للحصول على قوة رفع ديناميكية هوائية كافية من الغلاف الجوي لدعم نفسها. ^{[ 1 ] : 84 [ 2 ]}      

بسبب مقاومة الغلاف الجوي ، فإن أدنى ارتفاع يمكن أن يكمل عنده جسم في مدار دائري دورة كاملة واحدة على الأقل بدون دفع هو حوالي 150 كيلومترًا (93 ميلًا) . 

يُستخدم مصطلح "رحلة فضائية مدارية" في الغالب للتمييز بينها وبين الرحلات الفضائية شبه المدارية ، وهي الرحلات التي تصل فيها المركبة الفضائية إلى نقطة الأوج في الفضاء، ولكن نقطة الحضيض تكون منخفضة للغاية. ^{[ 3 ]}

توجد ثلاثة نطاقات مدارية رئيسية حول الأرض: مدار أرضي منخفض (LEO)، مدار أرضي متوسط ​​(MEO)، ومدار ثابت بالنسبة للأرض (GEO).

وفقًا لعلم ميكانيكا المدارات ، يقع المدار في مستوى ثابت إلى حد كبير حول الأرض، ويتطابق مع مركزها، وقد يكون مائلاً بالنسبة لخط الاستواء. وتحدد الحركة النسبية للمركبة الفضائية وحركة سطح الأرض، نتيجة دورانها حول محورها، موقع المركبة في السماء من الأرض، والأجزاء المرئية من الأرض من خلالها.

من الممكن حساب مسار أرضي يوضح أي جزء من الأرض تقع المركبة الفضائية فوقه مباشرة؛ وهذا مفيد للمساعدة في تصور المدار.

لم يتحقق الوصول إلى المدارات الفضائية من الأرض إلا بواسطة مركبات إطلاق تستخدم محركات صاروخية للدفع. وللوصول إلى المدار، يجب أن يمنح الصاروخ الحمولة تسارعًا يتراوح بين 9.3 و10  كم/ث. هذا الرقم يمثل بشكل أساسي (حوالي 7.8  كم/ث) التسارع الأفقي اللازم للوصول إلى سرعة المدار، ولكنه يأخذ في الحسبان مقاومة الغلاف الجوي (حوالي 300  م/ث مع معامل المقذوفات لمركبة وقود كثيفة بطول 20 مترًا (66 قدمًا) )، وفقدان الطاقة الناتج عن الجاذبية (بحسب مدة الاحتراق وتفاصيل المسار ومركبة الإطلاق)، واكتساب الارتفاع.  

تعتمد التقنية الرئيسية المُثبتة على الإطلاق شبه العمودي لمسافة بضعة كيلومترات مع القيام بدوران حول محور الجاذبية ، ثم تعديل المسار تدريجيًا على ارتفاع يزيد عن 170 كيلومترًا، والتسارع على مسار أفقي (مع توجيه الصاروخ للأعلى لمقاومة الجاذبية والحفاظ على الارتفاع) لمدة تتراوح بين 5 و8 دقائق حتى الوصول إلى السرعة المدارية. حاليًا، يلزم استخدام مرحلتين إلى أربع مراحل لتحقيق دلتا-في المطلوبة. وتُجرى معظم عمليات الإطلاق باستخدام أنظمة إطلاق غير قابلة لإعادة الاستخدام .

أما صاروخ بيغاسوس المخصص للأقمار الصناعية الصغيرة فينطلق من طائرة على ارتفاع 39000 قدم (12 كم) .  

طُرحت العديد من الطرق لتحقيق رحلات فضائية مدارية، والتي يُحتمل أن تكون أقل تكلفة بكثير من الصواريخ. تتطلب بعض هذه الأفكار، مثل المصعد الفضائي والمحراث الدوار ، مواد جديدة أقوى بكثير من أي مواد معروفة حاليًا. تشمل الأفكار الأخرى المقترحة مسرعات أرضية مثل حلقات الإطلاق ، وطائرات/مركبات فضائية مدعومة بالصواريخ مثل مركبة "سكايلون" من شركة "رياكشن إنجنز" ، ومركبات فضائية تعمل بمحركات نفاثة فرط صوتية ، ومركبات فضائية تعمل بمحركات "آر بي سي سي" . كما اقتُرح إطلاق الشحنات باستخدام مدفع.

منذ عام 2015، أحرزت شركة سبيس إكس تقدماً ملحوظاً في نهجها التدريجي لخفض تكلفة رحلات الفضاء المدارية. ويكمن سرّ قدرتها على خفض التكاليف في ريادتها للهبوط باستخدام معززات الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام ، بالإضافة إلى كبسولة دراغون ، فضلاً عن إعادة استخدام مكونات أخرى مثل أغطية الحمولة ، واستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لسبيكة فائقة لتصنيع محركات صاروخية أكثر كفاءة، مثل محرك سوبر دراكو . ومن شأن المراحل الأولى لهذه التحسينات أن تخفض تكلفة الإطلاق المداري بمقدار عشرة أضعاف. ^{[ 4 ]}

 يُعتبر الجسم الموجود في مدار على ارتفاع أقل من 200 كيلومتر تقريبًا غير مستقر بسبب مقاومة الغلاف الجوي . ولضمان استقرار مدار القمر الصناعي (أي استدامته لأكثر من بضعة أشهر)،  يُعدّ ارتفاع 350 كيلومترًا ارتفاعًا معياريًا لمدار الأرض المنخفض . فعلى سبيل المثال، في 1 فبراير 1958، أُطلق القمر الصناعي إكسبلورر 1 إلى مدار بنقطة حضيض تبلغ 358 كيلومترًا (222 ميلًا) . ^{[ 5 ]} وبقي في مداره لأكثر من 12 عامًا قبل دخوله الغلاف الجوي فوق المحيط الهادئ في 31 مارس 1970. 

ومع ذلك، فإن السلوك الدقيق للأجسام في المدار يعتمد على الارتفاع ، ومعاملها الباليستي ، وتفاصيل الطقس الفضائي التي يمكن أن تؤثر على ارتفاع الغلاف الجوي العلوي.

يتعين على المركبات الفضائية العائدة (بما فيها جميع المركبات التي يُحتمل أن تكون مأهولة) إيجاد طريقة لإبطاء سرعتها قدر الإمكان أثناء وجودها في طبقات الغلاف الجوي العليا، وتجنب الاصطدام بالأرض ( الكبح الأرضي ) أو الاحتراق. في العديد من الرحلات الفضائية المدارية، يتم توفير التباطؤ الأولي عن طريق إعادة تشغيل محركات الصواريخ، مما يُغير المدار (عن طريق خفض نقطة الحضيض إلى الغلاف الجوي) إلى مسار شبه مداري. تحل العديد من المركبات الفضائية في مدار أرضي منخفض (مثل الأقمار النانوية أو المركبات الفضائية التي نفد وقودها اللازم للحفاظ على موقعها أو التي أصبحت غير فعالة) مشكلة التباطؤ من السرعات المدارية باستخدام مقاومة الغلاف الجوي ( الكبح الهوائي ) لتوفير التباطؤ الأولي. في جميع الحالات، بمجرد أن يُخفض التباطؤ الأولي نقطة الحضيض المداري إلى طبقة الميزوسفير ، تفقد جميع المركبات الفضائية معظم السرعة المتبقية، وبالتالي الطاقة الحركية، من خلال تأثير مقاومة الغلاف الجوي للكبح الهوائي .

تُحقق عملية الكبح الهوائي المتعمد بتوجيه المركبة الفضائية العائدة بحيث تُوجه دروعها الحرارية نحو الغلاف الجوي لحمايتها من درجات الحرارة العالية الناتجة عن ضغط الهواء والاحتكاك الناجمين عن مرورها عبر الغلاف الجوي بسرعات تفوق سرعة الصوت . ويتم تبديد الطاقة الحرارية بشكل رئيسي عن طريق تسخين الهواء بالضغط في موجة صدمية أمام المركبة باستخدام درع حراري غير حاد، وذلك بهدف تقليل الحرارة الداخلة إلى المركبة.

إن الرحلات الفضائية شبه المدارية، كونها تتم بسرعة أقل بكثير، لا تولد حرارة تقارب تلك الحرارة عند العودة إلى الغلاف الجوي.

حتى لو كانت الأجسام المدارية قابلة للاستهلاك، فإن معظم سلطات الفضاء تدفع باتجاه عمليات إعادة دخول مضبوطة لتقليل المخاطر على الأرواح والممتلكات على الكوكب.

• كان سبوتنيك 1 أول جسم من صنع الإنسان يحقق رحلة فضائية مدارية. وقد أطلقه الاتحاد السوفيتي في 4 أكتوبر 1957 .
• كانت فوستوك 1 ، التي أطلقها الاتحاد السوفيتي في 12 أبريل 1961، حاملة يوري غاغارين ، أول رحلة فضائية بشرية ناجحة تصل إلى مدار الأرض.
• كانت فوستوك 6 ، التي أطلقها الاتحاد السوفيتي في 16 يونيو 1963، حاملة فالنتينا تيريشكوفا ، أول رحلة فضائية ناجحة لامرأة تصل إلى مدار الأرض.
• كانت مركبة Crew Dragon Demo-2 ، التي أطلقتها شركة SpaceX والولايات المتحدة في 30 مايو 2020، أول رحلة فضائية بشرية ناجحة لشركة خاصة تصل إلى مدار الأرض.

• مستويات الرحلات الفضائية: دون مدارية ، مدارية، بين الكواكب ، بين النجوم ، وبين المجرات
• قائمة المدارات