مدارات الأقمار الصناعية Satellite Orbits

عندما تبدأ الصواريخ بإطلاق الأقمار الصناعية، فإنّها تجعلها في مدار في الفضاء، حيث هناك تستمر الجاذبية للقمر الصناعي في مداره المطلوب، وبنفس الطريقة التي تحافظ بها الجاذبية على القمر في مدار حول الأرض.

ما هي مدارات الأقمار الصناعية Satellite Orbits؟

مدارات القمر الصناعي: هي المسارات التي يدور فيها القمر الصناعي حول الأرض، ويمكن أن تتم حركة الأقمار الصناعية حول الأرض من خلال مسارات مختلفة، والمسارات المختلفة التي تتبعها الأقمار الصناعية لها أهميتها الخاصة بسبب تطبيقاتها الخاصة، كما يمكن أن يكون اتجاه دوران القمر الصناعي حول الأرض إمّا نفس الاتجاه الذي تتحرك فيه الأرض أو عكس اتجاه دوران الأرض، لذا فإنّ المدار الذي يسمح بتدوير القمر الصناعي في اتجاه مشابه لاتجاه دوران الأرض يسمى التقدم، بينما يكون المدار الذي يكون فيه اتجاه دوران القمر الصناعي عكس اتجاه دوران الأرض رجعياً.

الجاذبية ومدارات الأقمار الصناعية:

إنّ القانون الأساسي للجاذبية الذي اقترحه نيوتن وهو أنّ أي شيء يتم طرحه لأعلى يعود إلى الأرض بسبب جاذبية الأرض، وبطريقة مماثلة عندما يتم إطلاق قمر صناعي عمودياً من سطح الأرض، وبعد ذلك بسبب الجاذبية فإنّه سوف يسقط أيضاً على الأرض، لذلك لتحقيق الحركة المدارية للقمر الصناعي حول الأرض يجب أن يكون هناك بعض الحركة إلى الأمام، ولهذا السبب يجب أن يبدأ الإطلاق بطريقة مباشرة في الاتجاه الأمامي.

بشكل أساسي ينتج عن الحركة الأمامية القصور الذاتي الذي يتحرك بسببه القمر الصناعي في خط مستقيم ولكن جاذبية الأرض تحاول سحب القمر الصناعي نحو سطح الأرض، وهذان التأثيران مجتمعان يؤديان إلى تسارع الجاذبية، وبشكل أكثر تحديداً إنّ قوة الجاذبية هي نتيجة القصور الذاتي للقمر الصناعي جنباً إلى جنب مع الجاذبية التي تحافظ على حركة القمر الصناعي في المدار المطلوب، وعندما تكون سرعة الإطلاق عالية جداً، ويمكن للقمر الصناعي السفر من الأرض إلى الفضاء.

عند سرعة عالية للغاية تبلغ حوالي “42.075 كم / ساعة”، يتلاشى سحب الجاذبية للأرض والذي يتواجد باستمرار بسرعات منخفضة، وبالتالي مع سرعة الإطلاق العالية هذه يمكن للقمر الصناعي أن يصل إلى الفضاء، وكما أنّه أقرب إلى مدار القمر الصناعي ستشهده قوة الجاذبية، وبالتالي في حالة المدارات المنخفضة يجب أن يمتلك القمر الصناعي سرعة عالية.

أساسيات مدار القمر الصناعي:

إنّ الموقع المداري للقمر الصناعي يتم الحفاظ عليه بسبب التوازن بين قوة الجاذبية المركزية للقمر الصناعي وجاذبية الأرض، ومع ذلك تتوفر عوامل حاسمة يعتمد عليها هذا التوازن وهي:

• سرعة القمر الصناعي في الحركة.

• المسافة من سطح الأرض.

• نصف قطر الأرض.

• قوة الجاذبية الأرضية.

أنواع مدارات الأقمار الصناعية:

إن نصف قطر المدار الإهليلجي متغير ولكن مدار المدار الدائري ثابت، ويتبع سلوك الأقمار الصناعية في المدار قانون كبلر لحركة الكواكب.

• المدار الدائري للقمر الصناعي.

• مدار القمر الصناعي الإهليلجي.

فئات المدار الدائري للقمر الصناعي:

أولاً: المدار الثابت بالنسبة للأرض “GEO”:

المدار الثابت بالنسبة للأرض: هو المدار الموجود بشكل عام على ارتفاع “35786 كم”، حيث عندما يكون القمر الصناعي موجوداً في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض، فإنّه يبدو أنّه في موقع ثابت بالنسبة لمراقب أرضي بعيد، وهذا لأنّ قمراً صناعياً في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض يدور حول الأرض بسرعة ثابتة عموماً مع السرعة الزاوية للأرض، وهذا المدار الدائري موجود بالضبط عند المستوى الاستوائي للأرض.

إنّ الأرض تستغرق “23 ساعة و56 دقيقة” لتدور حول محورها، وبالتالي يجب أن يمتلك الساتلايت المستقر بالنسبة إلى الأرض دوراناً لنفس الفترة حول الأرض أي “23 ساعة و56 دقيقة”، كما تستخدم هذه الأقمار الصناعية بشكل أساسي في مجال الاتصالات؛ لأنّ الهوائيات الأرضية تدعم الاتصال الفعال بسهولة دون الحاجة إلى معدات باهظة الثمن.

• “GEO” هي اختصار لـ “Geostationary Orbit”.

ثانياً: مدار أرضي متوسط “MEO”:

مدار أرضي متوسط: هو المدار الذي يقع في منطقة المدار الأرضي أسفل المدار الأرضي التزامني ولكن فوق المدار الأرضي المنخفض ولها ارتفاع يتراوح بين “2000 كم” و”36000 كم”، والارتفاع الأكثر شيوعاً لهذا المدار هو “20200 كم” ويمتلك فترة مدارية تتراوح من “2 ساعة” إلى “24 ساعة”.

تستخدم هذه في الغالب لأغراض الملاحة والاتصالات والمراقبة وما إلى ذلك، والأقمار الصناعية التي تعمل في هذا المدار هي بشكل عام “Galileo” و”GPS” و”Telstar”.

• “MEO” هي اختصار لـ “Medium Earth Orbit”.

• “GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

ثالثاً: مدار أرضي منخفض “LEO”:

مدار أرضي منخفض: هو المدار الدائري الذي يقع على ارتفاع “400 كيلومتر “إلى “900 كيلومتر” فوق سطح الأرض، حيث يوجد هذا المدار بالقرب من سطح الأرض، وعلى الرغم من ارتفاعها عن “1000 كم” إلّا أنّها موجودة بعيداً عن سطح الأرض، وهو مدار شائع الاستخدام نظراً لوجود المدار الأرضي المتوسط ​​على خط استواء الأرض وبالتالي يتعين على الأقمار الصناعية أن تتحرك في مسار محدد، لكن هذا ليس هو الحال مع المدار الأرضي المنخفض حيث يمكن تسمية طائرتهم، ويوفر هذا المزيد من المسارات المتاحة لحركة الأقمار الصناعية في المدار.

تعرض الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض فترة مدارية تبلغ تقريباً “90 دقيقة” وتجد تطبيقات مثل التصوير عبر الأقمار الصناعية، حيث في الأساس يسمح التواجد القريب للمدار من سطح الأرض للأقمار الصناعية بالتقاط صور عالية الدقة، لكن هذه ليست مناسبة لتطبيقات الاتصالات؛ لأنّها تتحرك بسرعة عالية حول الأرض وهذا يجعل تعقبها صعباً للغاية من المحطات الموجودة على سطح الأرض، كما تتكون كوكبة الأقمار الصناعية من أقمار المدار الأرضي المنخفض.

• “LEO” هي اختصار لـ “Low Earth Orbit”.

مدارات الأقمار الصناعية المتزامنة:

تدور الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض الثابتة بالنسبة إلى الأرض لمسافة “36000 كم” فوق خط الاستواء وتبقى فوق نقطة واحدة، حيث دائماً يشاهدون نفس المنطقة وينتجون “حلقات” التي تظهر في الأخبار التلفزيونية، ولا يمكنهم تغطية خطوط العرض العالية، كما يتم استخدامها للتنبؤ بالطقس والفضائيات والاتصالات، وهذه الأقمار الصناعية ليست ثابتة حقاً، ولكنّها تظهر ثابتة عند مشاهدتها من الأرض؛ لأنّ مدارها بنفس معدل دوران الأرض اليومي.

تطير الأقمار الصناعية التي تدور في مدار قطبي عدة مئات من الكيلومترات فوق سطح الأرض مع فترة دوران تبلغ حوالي “110 دقيقة”، حيث يمكن أن تغطي معظم سطح الأرض باستثناء المناطق المجاورة مباشرة للقطبين، ولديهم ميل يقيس الزاوية التي يعبرون بها خط الاستواء، والذي يحدد مدى قربهم من المرور مباشرة فوق القطبين، كما يطلق عليهم اسم متزامن الشمس الأقمار الصناعية؛ لأنّها غالباً ما تحاول الحفاظ على نفس الزاوية فيما يتعلق بالشمس وبالتالي الإضاءة.

تحتاج أقمار التصوير إلى بعض الظلال ولكن ليس كثيراُ، لذا فهي تحدد بشكل عام مداراتها لمجموعات منتصف الصباح والتي يمكن أن تقلل أيضاً من تكوين السحب، وهذه الأقمار الصناعية لها أنماط مدارية مميزة مماثلة لتلك الموجودة في مكوك الفضاء أو محطة الفضاء الدولية “ISS”، حيث يدورون حوالي عشرة مدارات كل يوم، وعند خط الاستواء سيكون كل مدار على بعد حوالي “3000 كم” تقريباً جميع الأقمار الصناعية المستخدمة في الاستشعار عن بعد، وعمل نظم المعلومات الجغرافية هي مدارات قطبية.

يتم تصوير عرض المسار على كل مسار، ويحدث على جانبي النقطة أسفل القمر الصناعي “النظير” مباشرة، ويسمح عرض المسار الأكبر بتغطية أكبر، لكن التشويه الهندسي عند حواف المسار يزيد بسبب انحناء الأرض، حيث إذا تم تقليل عرض المسار للحصول على دقة هندسية أكبر فستكون هناك حاجة إلى المزيد من المدارات لتغطية عالمية كاملة، ممّا يقلل الوقت بين التغطية.

• “ISS” هي اختصار لـ “International Space Station”.