مدار التندرا

مدار التندرا ( بالروسية : орбита «Тундра» ) هو مدار متزامن مع الأرض ذو شكل بيضاوي شديد الميل (حوالي 63.4 درجة)، وفترة مدارية تبلغ يومًا فلكيًا واحدًا ، وانحراف مركزي نموذجي يتراوح بين 0.2 و0.3. يقضي القمر الصناعي الموضوع في هذا المدار معظم وقته فوق منطقة مختارة من الأرض ، وهي ظاهرة تُعرف باسم "البقاء عند نقطة الأوج" ، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لأقمار الاتصالات التي تخدم المناطق ذات خطوط العرض العالية.

طُوِّر مدار التندرا، على غرار مدار مولنيا ، على يد علماء سوفييت. صُمِّم مدار مولنيا خصيصًا في ستينيات القرن الماضي لتوفير تغطية اتصالات أفضل للمناطق ذات خطوط العرض العليا، والتي كانت الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض تُعاني في تغطيتها بكفاءة. أما مدار التندرا، فرغم تشابهه في ميله العالي وشكله الإهليلجي، فقد طُوِّر لاحقًا لتوفير تغطية مستمرة لمناطق محددة، وذلك بجعل الأقمار الصناعية تقضي معظم وقتها فوق منطقة مختارة. وقد مثّل كلا المدارين حلولًا مبتكرة للتحديات الفريدة التي فرضها الموقع الجغرافي للاتحاد السوفيتي والحاجة إلى قدرات اتصالات ومراقبة موثوقة.

يتخذ مسار القمر الصناعي في مدار التندرا شكل الرقم 8 المغلق، مع حلقة أصغر فوق نصف الكرة الشمالي أو الجنوبي. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وهذا ما يميزها عن مدارات مولنيا المصممة لخدمة المناطق ذات خطوط العرض العالية، والتي لها نفس الميل ولكن بنصف الفترة ولا تحوم فوق منطقة واحدة. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تُستخدم مدارات التندرا ومولنيا لتزويد مستخدمي خطوط العرض العليا بزوايا ارتفاع أعلى من تلك الموجودة في المدار الثابت بالنسبة للأرض . وهذا أمر مرغوب فيه، إذ يتطلب البث إلى هذه الخطوط من مدار ثابت بالنسبة للأرض (فوق خط استواء الأرض ) طاقة كبيرة نظرًا لانخفاض زوايا الارتفاع ، والمسافة الإضافية، والتوهين الجوي المصاحب لها. لا تستطيع المواقع الواقعة فوق خط عرض 81 درجة رؤية الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض على الإطلاق، وكقاعدة عامة، قد تُسبب زوايا الارتفاع الأقل من 10 درجات مشاكل، وذلك بحسب تردد الاتصالات. ^{[ 5 ] : 499 [ 6 ]}

تُوفّر المدارات الإهليلجية العالية بديلاً للمدارات الثابتة بالنسبة للأرض، إذ تبقى فوق مناطق خطوط العرض العليا المطلوبة لفترات طويلة عند نقطة الأوج. إلا أن هذه الميزة تُقابلها تكلفة باهظة: إذ يتطلب الأمر قمرين صناعيين لتوفير تغطية مستمرة من مدار التندرا (وثلاثة أقمار من مدار مولنيا). ^{[ 3 ]}

يتعين على المحطة الأرضية التي تستقبل البيانات من كوكبة أقمار صناعية في مدار بيضاوي الشكل التبديل دوريًا بين الأقمار الصناعية والتعامل مع تفاوت قوة الإشارة، وزمن الاستجابة، وانزياحات دوبلر، نتيجة لتغير مدى القمر الصناعي خلال مداره. وتكون هذه التغيرات أقل وضوحًا بالنسبة للأقمار الصناعية في مدار التندرا، نظرًا لبعدها المتزايد عن سطح الأرض، مما يجعل التتبع والاتصال أكثر كفاءة. ^{[ 7 ]} إضافةً إلى ذلك، وعلى عكس مدار مولنيا، يتجنب القمر الصناعي في مدار التندرا المرور عبر أحزمة فان ألين . ^{[ 8 ]}

على الرغم من هذه المزايا، فإن مدار التندرا يُستخدم بشكل أقل تكرارًا من مدار مولنيا ^{[ 8 ]} ويعود ذلك جزئيًا إلى ارتفاع طاقة الإطلاق المطلوبة. ^{[ 1 ]}

يتميز مدار التندرا النموذجي ^{[ 7 ]} بالخصائص التالية:

• الميل: 63.4 درجة
• زاوية الحضيض: 270 درجة
• المدة: 1436 دقيقة
• الانحراف المركزي: 0.24–0.4
• المحور شبه الرئيسي: 42,164 كم (26,199 ميل)  

ميل المدار

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

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

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 التندرا ميلًا قدره 63.4 درجة، وهو العامل الذي${\displaystyle (4-5\sin ^{2}i)}$يساوي صفرًا، بحيث لا يحدث أي تغيير في موضع الحضيض بمرور الوقت. ^{[ 9 ] [ 10 ] : 143 [ 7 ]} يُطلق على هذا اسم الميل الحرج، ويُطلق على المدار المصمم بهذه الطريقة اسم المدار المجمد .

تستخدم روسيا حاليًا أقمارًا صناعية في مدار التندرا. ويشمل نظام EKS (نظام الإنذار المبكر عبر الأقمار الصناعية) أو نظام كوبول، الذي يُعد جزءًا من شبكة الإنذار المبكر الروسية، أقمارًا صناعية تعمل في مدار التندرا. صُممت هذه الأقمار الصناعية لرصد وتتبع عمليات إطلاق الصواريخ الباليستية، وتوفير إنذار مبكر بالهجمات الصاروخية المحتملة.

من عام 2000 إلى عام 2016، شغّلت شركة Sirius Satellite Radio ، التي أصبحت الآن جزءًا من Sirius XM Holdings ، كوكبة من ثلاثة أقمار صناعية في مدارات التندرا لبثّ الراديو عبر الأقمار الصناعية . ^{[ 12 ] [ 13 ]} تمّ إزاحة زاوية الصعود الصاعد (RAAN) ومتوسط ​​الانحراف لكل قمر صناعي بمقدار 120 درجة، بحيث عندما يخرج أحد الأقمار عن موقعه، يكون قمر آخر قد تجاوز نقطة الحضيض (الحضيض الأرضي) وجاهزًا لتولي المهمة. طُوّرت هذه الكوكبة لتحسين الوصول إلى المستهلكين في أقصى خطوط العرض الشمالية، والحدّ من تأثير المناطق الحضرية المكتظة ، ولم تتطلب سوى 130 مُكرِّرًا مقارنةً بـ 800 مُكرِّر لنظام ثابت بالنسبة للأرض. بعد اندماج Sirius مع XM، غيّرت الشركة تصميم ومدار القمر الصناعي البديل لـ FM-6 من مدار التندرا إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض. ^{[ 14 ] [ 15 ]} وقد ساهم ذلك في دعم القمر الصناعي FM-5 الثابت بالنسبة للأرض (الذي أُطلق عام 2009)، ^{[ 16 ]} وفي عام 2016، أوقفت سيريوس البث من مدارات التندرا. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} وكانت أقمار سيريوس الصناعية هي الأقمار التجارية الوحيدة التي تستخدم مدار التندرا. ^{[ 20 ]}

يستخدم نظام الأقمار الصناعية الياباني شبه السمتي مدارًا متزامنًا مع الأرض مشابهًا لمدار التندرا، ولكن بميل يبلغ 43 درجة فقط. ويتضمن أربعة أقمار صناعية تتبع نفس المسار الأرضي. وقد تم اختباره منذ عام 2010 وأصبح جاهزًا للتشغيل الكامل في نوفمبر 2018. ^{[ 21 ]}

الأنظمة المقترحة

تم النظر في استخدام مدار التندرا من قبل مشروع أرخميدس التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، وهو نظام بث تم اقتراحه في التسعينيات. ^{[ 13 ] [ 22 ]}

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

المنظر الأمامي

منظر جانبي

منظر أمامي، إطار ثابت على الأرض

منظر جانبي، إطار ثابت على الأرض

  مدار التندرا · مدار QZSS · مدار مولنيا · الأرض         

• مدار إهليلجي
• قائمة المدارات
• مدار مولنيا