الحفاظ على الموقع المداري

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

في ديناميكا الفضاء ، يُعرف الحفاظ على الموقع المداري بأنه إبقاء مركبة فضائية على مسافة ثابتة من مركبة فضائية أخرى أو جرم سماوي. ويتطلب ذلك سلسلة من المناورات المدارية ( إعادة التنشيط ) باستخدام محركات الدفع للحفاظ على المركبة النشطة في نفس مدار هدفها. بالنسبة للعديد من الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض ، يجب موازنة تأثيرات القوى غير الكبلرية ، أي انحرافات قوة جاذبية الأرض عن قوة جاذبية كرة متجانسة ، وقوى جاذبية الشمس/القمر، وضغط الإشعاع الشمسي ، ومقاومة الهواء . بالنسبة للمركبات الفضائية في مدار هالة حول نقطة لاغرانج ، يُعد الحفاظ على الموقع أكثر أهمية، لأن هذا المدار غير مستقر؛ فبدون تحكم نشط باستخدام محركات الدفع، فإن أدنى انحراف في الموقع أو السرعة سيؤدي إلى خروج المركبة الفضائية من مدارها تمامًا. [ 1 ]

الاضطرابات

يؤدي انحراف مجال جاذبية الأرض عن مجال جاذبية كرة متجانسة، بالإضافة إلى قوى جاذبية الشمس والقمر، إلى اضطراب مستوى المدار بشكل عام. في المدار المتزامن مع الشمس ، يُعدّ ترنّح مستوى المدار الناتج عن تفلطح الأرض ميزة مرغوبة تُؤخذ في الاعتبار عند تصميم المهمة، بينما يُعدّ تغيّر الميل الناتج عن قوى جاذبية الشمس والقمر غير مرغوب فيه. أما بالنسبة للمركبات الفضائية الثابتة بالنسبة للأرض ، فيجب موازنة تغيّر الميل الناتج عن قوى جاذبية الشمس والقمر بتكلفة وقود باهظة، إذ ينبغي الحفاظ على الميل صغيرًا بما يكفي لتتبع المركبة الفضائية بواسطة هوائيات غير قابلة للتوجيه.

بالنسبة للمركبات الفضائية في مدار منخفض، يجب في كثير من الأحيان تعويض تأثيرات السحب الجوي ، وذلك لتجنب إعادة الدخول؛ بالنسبة للمهام التي تتطلب مزامنة المدار بدقة مع دوران الأرض، فإن هذا ضروري لمنع تقصير الفترة المدارية.

يؤثر ضغط الإشعاع الشمسي عمومًا على الانحراف المداري (أي متجه الانحراف المداري)؛ انظر تحليل اضطراب المدار (المركبات الفضائية) . في بعض المهمات، يجب مواجهة هذا التأثير بفعالية من خلال المناورات. بالنسبة للمركبات الفضائية الثابتة بالنسبة للأرض ، يجب الحفاظ على الانحراف المداري صغيرًا بما يكفي لتتبع المركبة باستخدام هوائي غير قابل للتوجيه. كذلك، بالنسبة لمركبات مراقبة الأرض التي يُفضل لها مدار متكرر جدًا بمسار أرضي ثابت ، يجب الحفاظ على متجه الانحراف المداري ثابتًا قدر الإمكان. يمكن تحقيق جزء كبير من هذا التعويض باستخدام تصميم مدار مجمد ، ولكن غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى محركات دفع لإجراء مناورات تحكم دقيقة.

مدار أرضي منخفض

بالنسبة للمركبات الفضائية في مدار منخفض للغاية، يكون السحب الجوي قويًا بما يكفي للتسبب في إعادة الدخول قبل نهاية المهمة المقصودة إذا لم يتم تنفيذ مناورات رفع المدار من وقت لآخر.

من الأمثلة على ذلك محطة الفضاء الدولية ، التي تعمل على ارتفاع يتراوح بين 400 و430  كيلومترًا فوق سطح الأرض  . وبسبب مقاومة الهواء، تفقد المحطة باستمرار جزءًا من طاقتها المدارية. وللتعويض عن هذا الفقد، الذي قد يؤدي في النهاية إلى دخول المحطة الغلاف الجوي، يجب رفع مدارها إلى مستوى أعلى من حين لآخر. ويُعدّ اختيار الارتفاع المداري الأمثل موازنةً بين متوسط ​​قوة الدفع اللازمة لمقاومة الهواء وقوة الدفع اللازمة لإرسال الحمولات ورواد الفضاء إلى المحطة.

استخدمت المركبة الفضائية GOCE التي دارت على ارتفاع 255  كم (تم تخفيضها لاحقًا إلى 235  كم) محركات دفع أيونية لتوفير  قوة دفع تصل إلى 20 ملي نيوتن لتعويض السحب على مساحتها الأمامية التي تبلغ حوالي 1 متر مربع . [ 2 ]

مركبة فضائية لمراقبة الأرض

بالنسبة لمركبات رصد الأرض التي تعمل عادةً على ارتفاع يتراوح بين 700 و800  كيلومتر فوق سطح الأرض، يكون تأثير مقاومة الهواء ضئيلاً للغاية، ولا يُشكل دخول المركبة إلى الغلاف الجوي بسبب هذه المقاومة مصدر قلق. ولكن إذا كان من المفترض أن تتزامن الفترة المدارية مع دوران الأرض للحفاظ على مسار أرضي ثابت ، فيجب أيضًا مواجهة مقاومة الهواء الضئيلة عند هذا الارتفاع العالي من خلال مناورات رفع المدار، وذلك عن طريق تشغيل محركات الدفع بشكل مماس للمدار. ستكون هذه المناورات صغيرة جدًا، وعادةً ما تكون في حدود بضعة ملليمترات في الثانية من دلتا-في . في حال استخدام تصميم مدار ثابت، تكفي هذه المناورات الصغيرة لرفع المدار للتحكم أيضًا في متجه الانحراف المركزي.

للحفاظ على مسار أرضي ثابت، من الضروري أيضًا القيام بمناورات خارج مستوى المدار لتعويض تغير الميل الناتج عن جاذبية الشمس والقمر. تُنفذ هذه المناورات أثناء احتراق المحركات بشكل عمودي على مستوى المدار. بالنسبة للمركبات الفضائية المتزامنة مع الشمس ذات الهندسة الثابتة بالنسبة لها، يكون تغير الميل الناتج عن جاذبية الشمس كبيرًا جدًا؛  وقد يلزم تغيير في السرعة (دلتا-في) بمقدار 1-2 متر/ثانية سنويًا للحفاظ على ثبات الميل.

مدار ثابت بالنسبة للأرض

مستويات مدارية مائلة

بالنسبة للمركبات الفضائية الثابتة بالنسبة للأرض، يجب تنفيذ عمليات احتراق للمحركات بشكل عمودي على مستوى المدار لتعويض تأثير جاذبية القمر/الشمس التي تُؤثر على قطب المدار بمقدار 0.85 درجة تقريبًا سنويًا. [ 3 ] تبلغ قيمة دلتا-في المطلوبة لتعويض هذا التأثير والحفاظ على الميل المطلوب بالنسبة لمستوى خط الاستواء حوالي 50  مترًا/ثانية سنويًا. [ 4 ] يُطلق على هذا الجزء من عملية تثبيت المركبة في المدار الثابت بالنسبة للأرض اسم التحكم الشمالي-الجنوبي. [ 5 ]

يُعنى التحكم الشرقي-الغربي بالتحكم في الفترة المدارية ومتجه الانحراف المركزي، وذلك بتنفيذ عمليات احتراق للمحركات بشكل مماس للمدار. تُصمم هذه العمليات للحفاظ على تزامن الفترة المدارية تمامًا مع دوران الأرض، وللحفاظ على الانحراف المركزي صغيرًا بما يكفي. وينتج اضطراب الفترة المدارية عن عدم التناظر الدوراني الكامل للأرض بالنسبة لمحور الشمال/الجنوب، والذي يُسمى أحيانًا إهليلجية خط استواء الأرض. ويتأثر الانحراف المركزي (أي متجه الانحراف المركزي) بضغط الإشعاع الشمسي . ويقل الوقود اللازم لهذا التحكم الشرقي-الغربي بكثير عن الوقود اللازم للتحكم الشمالي-الجنوبي.

لإطالة عمر المركبات الفضائية الثابتة بالنسبة للأرض ذات الوقود المتبقي القليل، يُوقف أحيانًا التحكم في اتجاه الشمال والجنوب، ويُكتفى بالتحكم في اتجاه الشرق والغرب. وعندها، كما يراها مراقب على الأرض الدوارة، تتحرك المركبة الفضائية شمالًا وجنوبًا في دورة مدتها 24 ساعة. وعندما تصبح هذه الحركة كبيرة جدًا، يلزم استخدام هوائي قابل للتوجيه لتتبع المركبة. ومن الأمثلة على ذلك برنامج أرتميس .

لتقليل الوزن، من الضروري أن تمتلك الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض نظام دفع عالي الكفاءة في استهلاك الوقود . ولذلك، تستخدم جميع الأقمار الصناعية الحديثة تقريبًا نظام دفع عالي النبضة النوعية مثل محركات البلازما أو الأيونات .

نقاط لاغرانج

من الممكن أيضًا أن تدور المركبات الفضائية حول نقاط لاغرانج ، والتي تُعرف أيضًا بنقاط التوازن، وهي خمس نقاط توازن تقع بالنسبة لجسمين كبيرين في النظام الشمسي. على سبيل المثال، توجد خمس نقاط من هذا النوع في نظام الشمس والأرض، وخمس نقاط في نظام الأرض والقمر، وهكذا. يمكن للمركبات الفضائية أن تدور حول هذه النقاط بأقل قدر من الوقود اللازم للحفاظ على موقعها. ومن بين المدارات التي استُخدمت لهذا الغرض مدارات الهالة ومدارات ليساجو . [ 6 ]

تُعدّ نقطة لاغرانج L1 بين الأرض والشمس نقطةً مهمةً ، وقد دارت ثلاث بعثاتٍ لدراسة الفيزياء الشمسية حولها منذ عام 2000 تقريبًا. يُمكن أن يكون استهلاك الوقود اللازم للحفاظ على الموقع منخفضًا للغاية، مما يُسهّل استمرار البعثات لعقودٍ في حال استمرار عمل أنظمة المركبات الفضائية الأخرى. وتحتاج كلٌّ من المركبات الفضائية الثلاث - مستكشف التركيب المتقدم (ACE)، ومرصد الغلاف الشمسي الشمسي (SOHO)، وقمر WIND الصناعي للعلوم الجيولوجية العالمية - إلى كميةٍ سنويةٍ من الوقود اللازم للحفاظ على الموقع تبلغ حوالي 1  متر/ثانية أو أقل. [ 6 ] وتُعدّ نقطة لاغرانج L2 بين الأرض والشمس - التي تبعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر عن الأرض في الاتجاه المعاكس للشمس - نقطة لاغرانج مهمةً أخرى، وقد عمل مرصد هيرشل الفضائي التابع لوكالة الفضاء الأوروبية هناك في مدار ليساجو خلال الفترة 2009-2013، حيث نفد سائل التبريد الخاص بالتلسكوب الفضائي . وقد نُفّذت مناورات مدارية صغيرة للحفاظ على الموقع شهريًا تقريبًا لإبقاء المركبة الفضائية في مدارها. [ 1 ]

سيستخدم تلسكوب جيمس ويب الفضائي وقودًا للحفاظ على مداره الهالي حول نقطة لاغرانج الثانية (L2) بين الأرض والشمس، مما يحدد الحد الأقصى لعمره الافتراضي: إذ صُمم لحمل كمية تكفي لعشر سنوات. [ 7 ] ومع ذلك، يُعزى الفضل في مضاعفة عمر التلسكوب إلى دقة مساره بعد إطلاقه بواسطة صاروخ أريان 5، وذلك بفضل ترك كمية من وقود الهيدرازين على متنه تفوق المتوقع. [ 8 ] [ 9 ]

يتمركز مسبار كابستون وبوابة القمر المخطط لها على مدار هالة شبه مستقيمة (NRHO) بنسبة رنين متزامن 9:2 حول نقطة لاغرانج L2 بين الأرض والقمر. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 "العلوم والتكنولوجيا في وكالة الفضاء الأوروبية: المدار/الملاحة" . وكالة الفضاء الأوروبية . 14 يونيو 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 فبراير 2015 .
  2. ↑ "قمر صناعي GOCE" .
  3. ↑ أندرسون، بول؛ وآخرون (2015). الاعتبارات التشغيلية لديناميكيات تزامن الحطام في المدار الجغرافي الثابت (ملف PDF) . المؤتمر الدولي السادس والستون للملاحة الفضائية . القدس، إسرائيل. IAC-15,A6,7,3,x27478. 
  4. ↑ دونديك، م؛ دوفيل، ف؛ أركيس، ن؛ زورباخ، س (2012). الدفع بالبلازما للأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض لأغراض الاتصالات السلكية واللاسلكية والمهام بين الكواكب . سلسلة مؤتمرات IOP: علوم وهندسة المواد. doi : 10.1088/1757-899X/29/1/012010 .
  5. ↑ سوب، إي إم (1994). دليل المدارات الثابتة بالنسبة للأرض. سبرينغر. رقم ISBN 978-0-7923-3054-7.
  6. روبرتس ، كريغ إي. ( 1 يناير 2011). "البعثات طويلة الأمد عند نقطة التوازن بين الشمس والأرض L1: ACE وSOHO وWIND". تقارير ناسا الفنية . ناسا. hdl : 2060/20110008638 . 20110008638. تدور ثلاث بعثات لدراسة الفيزياء الشمسية - مستكشف التركيب المتقدم (ACE)، ومرصد الغلاف الشمسي الشمسي (SOHO)، ومشروع علوم الأرض العالمي WIND - حول نقطة التوازن الداخلية بين الشمس والأرض L1 بشكل مستمر منذ أعوام 1997 و1996 و2004 على التوالي... يبلغ الفاصل الزمني النموذجي بين عمليات الاحتراق لهذه البعثات الثلاث حوالي ثلاثة أشهر، ويكون التغير النموذجي في السرعة (دلتا-V) أقل بكثير من 0.5 متر/ثانية. وقد بلغت تكاليف الحفاظ على الموقع السنوية النموذجية حوالي 1.0 متر/ثانية لكل من ACE وWIND، وأقل بكثير من ذلك بالنسبة لـ SOHO. جميع المركبات الفضائية الثلاث لديها وقود كافٍ متبقٍ؛ وباستثناء الظروف الطارئة، يمكن من حيث المبدأ الحفاظ على جميع المركبات الثلاث عند نقطة لاغرانج الأولى (L1) لعقود قادمة.
  7. ↑ "الأسئلة الشائعة الكاملة لتلسكوب ويب الفضائي/ناسا" . jwst.nasa.gov . 12 أغسطس 2024.
  8. ↑ آموس، جوناثان (9 يناير 2022). "تلسكوب جيمس ويب يُكمل عملية نشر ملحمية" . www.bbc.com . بي بي سي نيوز . تم الاطلاع عليه في 10 يناير 2022 .
  9. ↑ بيرغر، إريك (10 يناير 2022). "تحية لصاروخ أريان 5 الذي ضاعف عمر تلسكوب جيمس ويب الفضائي" . www.arstechnica.com . آرس تكنيكا . تاريخ الاطلاع: 11 يناير 2022 .
  10. ↑ موراليداران، فيفيك؛ هاول، كاثلين (2020). الحفاظ على الموقع في مدارات هالة شبه مستقيمة بين الأرض والقمر (ملف PDF) . مؤتمر الجمعية الفلكية الأمريكية/المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية المتخصص في ديناميكيات الفضاء. ساوث ليك تاهو، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية. AAS 20-642.
  11. ↑ نيومان، كلارك ب.؛ وآخرون (2018). الحفاظ على الموقع، وتحديد المدار، والتحكم في وضعية المركبات الفضائية في مدارات هالة شبه مستقيمة . مؤتمر الجمعية الفلكية الأمريكية/المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية المتخصص في ديناميكيات الفضاء. سنوبيرد، يوتا، الولايات المتحدة الأمريكية. AAS 18-388. 
  12. ↑ موراليداران، فيفيك؛ هاول، كاثلين (2022). "الاستفادة من اتجاهات التمدد للحفاظ على الموقع في مدارات هالة الأرض والقمر". التقدم في أبحاث الفضاء . 69 (1): 620-646 . Bibcode : 2022AdSpR..69..620M . doi : 10.1016/j.asr.2021.10.028 . S2CID 239490016 . 
  • حفظ الموقع في موسوعة علم الأحياء الفلكي وعلم الفلك ورحلات الفضاء
  • أنظمة الدفع الأيوني بالزينون XIPS
  • جول فيرن يعزز مدار محطة الفضاء الدولية (تقرير من وكالة الفضاء الأوروبية)